（电力系统及其自动化专业论文）电力系统二级电压控制的新理论与新方法研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，o p e na c c e s s a n di n t e r c o n n e c t e dn e t w o r km a k ep o w e rs y s t e m so p e r a t e u n d e rm o r ec o m p l e xc o n d i t i o n sa n dc l o s et ot h ev o l t a g es t a b i l i t yl i m i t f o rb o t ht e c h n i c a l a n dc o m m e r c i a lr e a s o n s r e s e a r c h e r ss h o u l dm a k eg r e a te f f o r t st oi m p r o v ct h em e t h o d sf o r f a s ta n dc o o r d i n a t e dv o l t a g e r e a c t i v ep o w e rc o n t r o li nal a r g es y s t e m i nt h ep a s ts e v e r a l y e a r s ，g r e a ta t t e n t i o nw a sp a i dt ot r a n s m i s s i o n s i d ev o l t a g ec o n t r 0 1 a so n eo f t h em o s t e f f e c t i v es o l u t i o n ，s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o lp r o p o s e db ye d fh a sb e e na d o p t e db ya n u m b e ro f e l e c t r i cu t i l i t i e st op r e v e n tv o l t a g ed e t e r i o r a t i o na n dk c e pab e t t e ru s eo f e x i s t i n g r e a c t i ep o w e rr e s o u r c e s h o w e v e rt h e r es t i l le x i s tl i m i t a t i o n s t h j sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e d t op r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n v e n t i o n a ls e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 a st h ec h i e f o ft h ed i s s e r t a t i o n ，an e ws e c o n d a i y v o l t a g e c o n t r o ls c h e m e u s i n g t h ed i s t r i b u t e d h i e r a r c h i c a lc o n t r o lm e t h o d o l o g i e sb a s e do nm u l t i a g e n ts y s t e m ( m a s ) t h e o r y , w h i c hh a s g o tm a n ya c h i e v e m e n t sw i mr e s p e c tt od i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea n dd i s t r i b u t e d c o n t r o l ，i sp r o p o s e da n di n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yg e n e r a l i z e sa no v e r v i e wo ft h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts t a t u so ft h e r e s e a r c ho ns e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o la sw e l la st h et h e o r i e sa n d t e c h n i q u e so fm a s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s t of i e l d so fc o n t r o l s y s t e m a n d p o w e rs y s t e m s t h ep u r p o s e a n d s i g n i f i c a n c eo f t h ep r o j e c t si sa l s oi n t r o d u c e d f r o mt h ep o i n to fv i e wo f s y s t e ma n a l y s i s ， c h a p t e r 2e l a b o r a t e st h e p r i n c i p l e o ft h es e c o n d a r y v o l t a g ec o n t r o la c c o r d i n g t ot h e m a t h e m a t i cm o d e l ，a n dd i s c u s s e st h ea p p r o a c h e sf o rc o n t r o la r e a sp a r t i t i o n i n g ，p i l o tb u s s e l e c t i o na n dc o n t r o ld e v i c e ss e l e c t i o n t h ep e r f o r m a n c eo ft w ot y p i c a lc o n t r o ll a w sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d b yt a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h ec h a n g eo fr e a c t i v ep o w e rt i e l i n e f l o w a l l i m p r o v e dc o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e di nc h a p t e r3i no r d e rt or e m o v et h e i n t e r a c t i o na m o n g r i e l g h b o r i n gc o n t r o lr e g i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so nt h en e we n g l a n d s y s t e ms h o w t h a tt h ei m p r o v e dc o n t r o ls c h e m ec a ns o l v et h e p r o b l e me f f e c t i v e l y t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o ni st h es t u d yo n 血em a s b a s e dd i s t r i b u t e d h i e r a r c h i c a lc o n t r o l m e t h o d o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o nt op o w e rs y s t e mv o l t a g ec o m r 0 1 c h a p t e r4d i s c u s s e st h ec o n t r o lt h e o r yb a s e do nm a st e c h n o l o g y d e p e n d i n go nt h e d e s c r i p t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l e k e yt e c h n i q u e sa n dr e l a t e da p p l i c a t i o n so fm a s ，t h e m e t h o d o l o g y o fm _ a s b a s e d d i s t r i b u t e dh i e r a r c h i c a lc o n t r o l s y s t e m i s p r e s e n t e d a c c o r d i n g l y c h a p t e r 5 p r o p o s e s t h ef u n d a m e n t a l c o n c e p t a n df r a m e w o r ko ft h e m a s b a s e ds e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o ls c h e m e t h eb a s i cm o d e l ，c o n f i g u r a t i o n ，o p e r a t i n g i 华中科技大学博士学位论文 m e c h a n i s ma n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so ft h en e wc o n t r o ls c h e m ei sd e s c r i b e di nd e t a i l ， i nt h e p r o p o s e d c o n t r o l s y s t e m ，t h e i n d i v i d u a l p r i m a r yv o l t a g e c o n t r o l l e r sa n dt h e s e c o n d a r yc o n t r o l l e ra r er e p r e s e n t e d a sas e to fe x e c u t i o na g e n t sa n dac o o r d i n a t i o na g e n t ， r e s p e c t i v e l y , w h ow o r ke i t h e ri n d e p e n d e n t l yo rc o o r d i n a t e l yt o c o n t r o lt h es y s t e m w i d e v o l t a g el e v e l n 他p u r p o s eo f t h i sc o n t r o ls c h e m ei st oc o o r d i n a t et h ea v a i l a b l er e a c t i v e p o w e r v o l t a g e c o n t r o l l e r s q u i c k l y , e f f e c t i v e l y a n d r e l i a b l y , a n d t h e n m a i n t a i na n a p p r o p r i a t ev o l t a g ep r o f i l eu n d e rb o t hn o r m a la n dc o n t i n g e n c yc o n d i t i o n s t 1 1 ea p p l i c a t i o n a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t so n t h et e s ts y s t e m sa r ep r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et h ev a l i d i t yo f t h ep r o p o s e dc o n t r o ls c h e m e c h a p t e r6c o n c e r n sw i t hc o o p e r a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h em a s b a s e ds e c o n d a r 、 v o l t a g ec o n t r o l i np o w e rs y s t e mc o n t i n g e n c i e s n l ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d s c o l l a b o r a t i o n p r o t o c o la n do p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g ya r ei n v e s t i g a t e df o re n h a n c i n gt h ea b i l i t yo ff a s ta n d c o o r d i n a t e dv o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r 0 1 n l ec o n c e p to fv i r t u a lc o n t r o la g e n c yi s p r o p o s e dt oa d a p tt h ee m e r g e n td y n a m i cc o n t r o le n v i r o n m e n t b u l l e t i nb o a r da n dc o n t r a c t n e t ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nm a s ，a r ei n t r o d u c e dt or e a l i z ec o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o n a m o n gc o n t r o la g e n t s an e wh y b r i ds e a r c ha l g o r i t h mb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) t a b us e a r c h ( t s ) ，s i m u l a t e da n n e a l i n g ( s a ) i sp r e s e n t e da n du s e dt of i n dt h eo p t i m a l c o n t r o ls e q u e n c ef o re m e r g e n t v o l t a g ec o n t r 0 1 c h a p t e r7c o n c e n t r a t e so nt h ea s p e c to f t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n b a s e do nt h et h e 0 0 + a n dt h em e t h o d so f s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ，t h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sf o ra u t o m a t i c v o l t a g ec o n t r o lo fh i g h - s i d eb u si nap o w e rp l a n ta n dt h eo u t l i n ed e s i g nf o rs y s t e m 、衍d e o n l i n ev o l t a g ec o n t r o la r eg i v e n n l ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o n t r o ls y s t e m sa r e a n a l y z e d a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n 。t h em a i nr e s u l t so f t 1 1 er e s e a r c ha r es u m m a r i z e s t h e f u r t h e rw o r ki sp o i n t e do u ta sw e u k e y w o r d s ：s e c o n d a r y v o l t a g ec o n t r o l m u l t i a g e n ts y s t e m ( m a s ) c o o r d i n a t e dc o n t r o lr e a c t i v ep o w e ra n d v o l t a g ec o n t r o l v o l t a g es t a b i l i t y 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 本章概述了电力系统无功电压自动控制的研究内容，回顾了二级电压控制研究的历史和现状， 阐述了a g e n t 理论的发展及其在控制系统和电力系统应用中取得的成果，并展望了多a g e n 傲术在 电力系统电压控制的应用潜力，最后简要介绍了本文研究的主要内容。 1 1问题的提出和研究背景 随着现代生产和生活水平的不断提高。电力负荷不断地增长，用户对电能质量的 要求也越来越高。衡量电能质量的主要指标是频率和电压，超出一定范围的频率和电 压偏差会对电力用户带来不良的影响，因此电网要将这些参数的偏差限制在允许的范 围之内。近十几年，电力工业的飞速发展，逐渐形成了具有大容量电厂和电力用户的 大型电力系统，这种情况下，电压问题已经不仅仅是一个供电质量问题，而且成为关 系到整个电网能否安全运行和经济运行的重要问题。 作为电力系统自动化的一个组成部分，电力系统电压控制是保证现代电力系统正 常运行的重要环节。众所周知，电压与无功功率关系密切，要维持整个系统的电压水 平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿无功功率的损 耗，而对电力系统的电压控制也主要是通过控制无功功率的产生、流动和消耗来实现。 一般来讲，电力系统无功电压控制领域研究的主要问题包括有：设备级电压无 功的闭环连续控制，如发电机的励磁控制、基于电力电子技术的无功补偿控制等，它 能快速跟踪运行条件的变化，是维持系统电压水平和无功平衡最基本、最重要的环节； 厂站自动电压控制，一般在重要的发电厂和变电站设置，目的是维持厂站的母线电 压或功率因数为设定值：系统电网无功电压自动控制，即通过调节无功补偿或控制 设备整定值，保证电力系统各监视节点的电压和主联络线的无功潮流维持在预先设定 值，或在紧急状态时迅速恢复系统的电压水平，以保证电压质量，提高系统稳定性和 安全性；无功潮流优化控制，方法是根据实时运行参数进行最优化计算，以有功网 损最小为目的，作出控制决策，调整系统无功潮流的分布并保持较好的电压水平， 通常优化控制时间常数较长。许多情况下，以上任务可以通过电压无功的综合控制统 完成，以实现整个电网的安全和经济运行。 随着电力互联网络和电力市场的发展，大型联合电网的出现以及电压稳定性问题 的目益突出，以全系统或整个区域的安全经济运行为指标，以提高系统电压水平，保 证电压稳定性为目的的系统无功电压快速协调控制显得越来越重要【23 1 。一般说来， 系统电压自动控制的主要作用如下： 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 本章概述了电力系统无功电压自动控制的研究内容，回顾了二级电压控制研究的历史和现状， 阐述了a g e n t 理论的发展及其在控制系统和电力系统应用中取得的成果，并展望了多a g e n 傲术在 电力系统电压控制的应用潜力，最后简要介绍了本文研究的主要内容。 1 1问题的提出和研究背景 随着现代生产和生活水平的不断提高。电力负荷不断地增长，用户对电能质量的 要求也越来越高。衡量电能质量的主要指标是频率和电压，超出一定范围的频率和电 压偏差会对电力用户带来不良的影响，因此电网要将这些参数的偏差限制在允许的范 围之内。近十几年，电力工业的飞速发展，逐渐形成了具有大容量电厂和电力用户的 大型电力系统，这种情况下，电压问题已经不仅仅是一个供电质量问题，而且成为关 系到整个电网能否安全运行和经济运行的重要问题。 作为电力系统自动化的一个组成部分，电力系统电压控制是保证现代电力系统正 常运行的重要环节。众所周知，电压与无功功率关系密切，要维持整个系统的电压水 平，就必须有足够的无功电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补偿无功功率的损 耗，而对电力系统的电压控制也主要是通过控制无功功率的产生、流动和消耗来实现。 一般来讲，电力系统无功电压控制领域研究的主要问题包括有：设备级电压无 功的闭环连续控制，如发电机的励磁控制、基于电力电子技术的无功补偿控制等，它 能快速跟踪运行条件的变化，是维持系统电压水平和无功平衡最基本、最重要的环节； 厂站自动电压控制，一般在重要的发电厂和变电站设置，目的是维持厂站的母线电 压或功率因数为设定值：系统电网无功电压自动控制，即通过调节无功补偿或控制 设备整定值，保证电力系统各监视节点的电压和主联络线的无功潮流维持在预先设定 值，或在紧急状态时迅速恢复系统的电压水平，以保证电压质量，提高系统稳定性和 安全性；无功潮流优化控制，方法是根据实时运行参数进行最优化计算，以有功网 损最小为目的，作出控制决策，调整系统无功潮流的分布并保持较好的电压水平， 通常优化控制时间常数较长。许多情况下，以上任务可以通过电压无功的综合控制统 完成，以实现整个电网的安全和经济运行。 随着电力互联网络和电力市场的发展，大型联合电网的出现以及电压稳定性问题 的目益突出，以全系统或整个区域的安全经济运行为指标，以提高系统电压水平，保 证电压稳定性为目的的系统无功电压快速协调控制显得越来越重要【23 1 。一般说来， 系统电压自动控制的主要作用如下： 华中科技大学博士学位论文 一= = 目= ；= = = ；= = ；= = = = = j = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = ( 1 ) 维持系统的电压水平，在紧急情况下迅速使节点电压返回正常范围，提高 电压安全水平： ( 2 ) 正常情况下，保持系统重要节点电压在优化值附近，从而减少损耗，提高 系统运行的经济性； ( 3 ) 综合调动全系统无功源，对系统的无功流动进行合理的协调和分配，最大 限度地合理利用无功，提高系统的电压稳定裕度。 为解决系统无功电压自动控制问题，许多学者进行了相关的研究和实践，提出了 众多解决方案【7 7 6 1 。在这些方案中，由法国电力公司提出的分级电压控制的思想近年 来得到较多的关注【5 0 删。分级控制模式将电力系统的无功功率和电压自动控制按空间 和时间从功能上分成三个不同的层次，即一级、二级和三级，有的文献也称为局部的、 区域的和系统的。该模式符合电力系统无功电压优化控制区域性和电力系统分级分区 调度体制的要求，已在不少国家得以实施 5 6 - 6 8 】。在分级控制方案中，二级电压控制负 责以协调方式设置区域内各一级电压控制器的参考值，以达到系统范围内良好的运行 性能，它是维持系统电压水平、提高系统电压稳定性的最重要的环节。法国最早进行 二级电压控制的工程实践，并且取得了满意的效果。随着电力互联网络和电力市场的 发展以及电压稳定性问题的日益突出，系统范围内的无功电压协调快速控制成为必 要，近年来通信和计算机技术的发展也为这种控制系统的实现提供了技术支持，从而 使二：级电压控制的研究得到了国内外更广泛的关注。 a g e n t 技术是分布式人工智能( d a i ：d i s t r i b u t e d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的一门新 技术，它能使在逻辑上和物理上分散的系统并行、协调地实现问题求解。随薷分布式 人1 ：智能的需要和计算机技术的发展多a g e n t 技术得到了迅速的发展并成为多学科 交叉领域的一个热门研究课题，为存在于科学计算、机械工程、生产控制、电子商务、 企业管理和电力系统等领域的分布、开放式系统设计和实现提供了新的途径和方法 7 7 - 7 9 o 现代工业的发展方向是向大型化和复杂化的方向前进，对复杂控制系统的研究 需要突破任何一种单一的模式而采用多子系统的有机集成的形式，多a g e n t 技术的发 展为复杂系统控制提供了一条新的途径。近年来多a g e n t 系统( m a s ：m u l t i a g e n t s y s t e m ) 及其相关技术在控制界受到了广泛的关注，许多学者提出和阐述了多a g e n t 控制系统和基于m a s 的分布式协调控制的原理和实现方法，取得了不少的研究和应 用成果1 8 0 - 9 3 】。采用多a g e n t 进行控制，不追求单个庞大复杂的体系，而是按控制系统 的要求，从功能上划分为多个a g e n t ，多个a g e n t 相互通讯，彼此协调，共同完成大 的复杂系统的控制作业任务。这样的系统不仅具备一般分布式系统所具有的资源共 享、可靠性强、实时性强、易于扩展等特点而且通过各a g e n t 之间的相互协调和协 作可解决大规模的复杂问题，使系统具有很强的灵活性和鲁棒性。 在电力系统自动电压控制中，无功电压控制设备是按地域分散配置的，所采用的 华中科技大学博士学位论文 e = = = ；= 。= = = = = ；目= ；= ；= ；= e # = = = # = ；= ； 控制规律也不尽相同，无功电压控制设备的多样性和控制器之间复杂的相互作用使得 对它们的协调控制比较困难，控制器之间的相互协调和协作是需要研究和解决的重要 理论和实际问题 3 1 。对于控制器之间的相互作用的处理方式，传统的方法是将相互作 用看成是约束【3 - 5 1 ，典型的方法是电力系统分散协调控制，该方法首先给出一个全局 的性能指标，将系统的数学模型、控制器的结构及相互作用处理为约束条件，通过求 解l e v i n e a t h a n s 或r i c c a t i 方程组确定控制器的参数。更一般的是将协调控制看成是 个有约束的优化问题，通过优化算法确定控制器的控制作用。但是电力系统的强非 线性( 限幅、乒乓特性) 、时变性( 运行方式不断变化) 和某些不确定因素( 负荷变 化、参数不准、干扰和事故发生的随机性) 常使建立精确数学模型有困难。为了计及 这些因素的影响，并在此基础上考虑多种控制器的协调，则仅靠基于现有状态方程的 各种解析的线性或非线性控制理论是无能无力的，必须将传统的控制理论与智能方法 结合。 根据电力系统电压控制的特性，借鉴近年来新近发展的复杂系统控制方法，有学 者提出将多a g e n t 技术引入电力系统无功电压的协调控制“牡引。这种方法的基本思 想是将控制器之间的相互作用看成是合作【h 5 1 ，将电压控制器视为能独立完成某些控 制任务的a g e m ，通过多a g e n t 的交互和合作，达成各控制器控制作用的相互协调， 实现系统的总体控制目标。作为一种自底向上的设计方法，多a g e n t 控制系统适于动 惫、分布、开放式的环境，是解决地理上分布、控制功能上分散的复杂系统控制问题 的发展方向之一。随着当前电力系统的发展尤其是电力市场的建立，电力系统的控制 逐步由集中式转向分布式，当前地理位置集中的控制中心必将逐渐由不同公司和合作 者组成的小规模的分布式的控制实体取代，基于a g e n t 的分布式控制设计思想正符合 这一发展趋势。可以预见，多a g e n t 协调控制的思想和技术不仅在电力系统电压控制 研究领域有着广阔的应用前景，而且通过深入分析和研究，积累相关的理论和实践经 验，还可以为电力系统分散协调控制领域的其它相关研究提供新的思路和解决方案。 a g e m 技术在控制系统尤其是电力系统控制中的应用研究还刚刚起步，许多理论 和方法还不甚成熟。在这种应用需求和理论发展背景下，研究采用基于多a g e n t 技术 的协调控制实现电力系统二级电压控制，探讨控制系统相关理论、方法和技术具有重 要的现实意义和良好的应用前景。 1 2 二级电压控制研究的发展和现状 1 2 1 输电系统电压控制的研究 长期以来，输电系统的电压控制主要是依靠分散配置的无功电压控制设备及其 控制器实现，这种方式中各电压控制器仅采集控制设备附近的信息进行电压控制， 华中科技大学博士学位论文 e = = = ；= 。= = = = = ；目= ；= ；= ；= e # = = = # = ；= ； 控制规律也不尽相同，无功电压控制设备的多样性和控制器之间复杂的相互作用使得 对它们的协调控制比较困难，控制器之间的相互协调和协作是需要研究和解决的重要 理论和实际问题 3 1 。对于控制器之间的相互作用的处理方式，传统的方法是将相互作 用看成是约束【3 - 5 1 ，典型的方法是电力系统分散协调控制，该方法首先给出一个全局 的性能指标，将系统的数学模型、控制器的结构及相互作用处理为约束条件，通过求 解l e v i n e a t h a n s 或r i c c a t i 方程组确定控制器的参数。更一般的是将协调控制看成是 个有约束的优化问题，通过优化算法确定控制器的控制作用。但是电力系统的强非 线性( 限幅、乒乓特性) 、时变性( 运行方式不断变化) 和某些不确定因素( 负荷变 化、参数不准、干扰和事故发生的随机性) 常使建立精确数学模型有困难。为了计及 这些因素的影响，并在此基础上考虑多种控制器的协调，则仅靠基于现有状态方程的 各种解析的线性或非线性控制理论是无能无力的，必须将传统的控制理论与智能方法 结合。 根据电力系统电压控制的特性，借鉴近年来新近发展的复杂系统控制方法，有学 者提出将多a g e n t 技术引入电力系统无功电压的协调控制“牡引。这种方法的基本思 想是将控制器之间的相互作用看成是合作【h 5 1 ，将电压控制器视为能独立完成某些控 制任务的a g e m ，通过多a g e n t 的交互和合作，达成各控制器控制作用的相互协调， 实现系统的总体控制目标。作为一种自底向上的设计方法，多a g e n t 控制系统适于动 惫、分布、开放式的环境，是解决地理上分布、控制功能上分散的复杂系统控制问题 的发展方向之一。随着当前电力系统的发展尤其是电力市场的建立，电力系统的控制 逐步由集中式转向分布式，当前地理位置集中的控制中心必将逐渐由不同公司和合作 者组成的小规模的分布式的控制实体取代，基于a g e n t 的分布式控制设计思想正符合 这一发展趋势。可以预见，多a g e n t 协调控制的思想和技术不仅在电力系统电压控制 研究领域有着广阔的应用前景，而且通过深入分析和研究，积累相关的理论和实践经 验，还可以为电力系统分散协调控制领域的其它相关研究提供新的思路和解决方案。 a g e m 技术在控制系统尤其是电力系统控制中的应用研究还刚刚起步，许多理论 和方法还不甚成熟。在这种应用需求和理论发展背景下，研究采用基于多a g e n t 技术 的协调控制实现电力系统二级电压控制，探讨控制系统相关理论、方法和技术具有重 要的现实意义和良好的应用前景。 1 2 二级电压控制研究的发展和现状 1 2 1 输电系统电压控制的研究 长期以来，输电系统的电压控制主要是依靠分散配置的无功电压控制设备及其 控制器实现，这种方式中各电压控制器仅采集控制设备附近的信息进行电压控制， 华中科技大学博士学位论文 没有全盘考虑系统运行状态，很难获得令全局满意的控制效果。1 9 6 8 年，日本k y u s h u 电力公司首先在自动发电控制( a g c ) 系统上增加了系统电压自动控制功能，这可 以看作是从全局观点出发进行电压无功控制的第一步【6 9 l 。近年来，随着电力系统的 发展，在世界范围内出现了不少由于电压异常引发的运行问题，电压安全和电压质 量问题逐渐得到更多的关注，输电系统电压控制成为电力系统运行与控制研究的热 点之。 在国外，许多著名的电力公司，如德国的r w e 、美国的p g & e 、法国的e d f 和 意大利的e n e l 等目前正在实施在线的无功电压控制或者准备进行相关的研究工作 【7 0 0 “”。根据电力系统的实际情况和要求，不同的电力公司采用的实现方式不尽相 同。就控制算法来说，主要可分为两大类：一类是基于灵敏度分析和优化算法等传统 的数学方法来实现：另一类是利用专家系统等人工智能方法实现。就控制策略来说， 美国等大部分国家采用集中的控制方案：法国等欧洲国家采用分级电压控制方案，这 种控制方案近年来得到较多的关注。 在国内，虽然新的电网调度自动化系统大多包含无功电压优化控制软件，但真正 实现实时在线控制，还有许多困难，不少研究人员也在对输电系统无功电压自动控制 及其实用化进行研究 1 4 - 1 9 1 。清华大学与河南省电力局合作，利用河南省电力系统模 型，以发电机无功出力和并联电容器( 电抗器) 作为控制手段，对安全约束下的全局 无功电压控制进行了仿真研究，验证了全局无功电压最优控制在提高电力系统安全、 优质、经济运行方面的重大效益，探讨了全局无功电压控制系统的可行性和控制策略， 为迸步的现场实施提供了重要依据。东南大学根据江苏电网的现状i i ”，提出对整个 江苏省网进行分区控制，实施分层分布式自动电压控制的策略。另外，山东、湖南、 湖北b 6 - 1 s l 等省也在根据各自电网的实际情况，着手进行系统无功电压自动控制的研 究。但从总体来看，目前国内从全局角度进行输电系统无功电压控制的研究还处于初 步阶段，大部分系统无功电压的调控还主要依赖于局部控制和开环控制，没能实现全 局的自动闭环控制，电压质量难尽人意。 传统的输电系统电压控制一般是采用数学方法，在电力系统确定模型的基础上开 发的，典型的如灵敏度方法口。舀j 、数学优化方法瞄0 8 1 等。但在实际应用中，受电力系 统时变性及运行条件和网络参数经常变化等特点的影响，建立确定系统模型的任务相 当繁重甚至难以实现。有的研究将系统范围内电压控制作为最优潮流控制( o p f ) 的 一部分| 2 通过优化潮流来获得较好的电压水平，但是o p f 计算需要耗费较多的时 间，工程实现要求苛刻，不适合紧急控制和实时控制。 作为电力系统自动化的一个重要组成部分，电力系统电压控制具有电力系统控制 所固有的复杂性、非线性、不精确性以及控制要求实时性强等特性，很多情况难以用 传统的数学模型和控制方法来描述和实现，于是，许多研究人员借助人工智能方法解 华中科技大学博士学位论文 决这些难题 2 9 - 4 9 】。目前在系统电压无功控制领域研究和应用的智能技术主要有以下几 种。 ( 1 ) 专家系统( e s ) 。专家系统是发展较早、也是比较成熟的一类人工智能技术， 在电力系统应用范围很广，在无功电压控制中也有较多的应用成果，典型应用是将已 有无功电压控制的经验或知识用规则的形式表示出来，形成专家系统的知识库，进而 根据上述的规则由无功电压实时变化值进行推理求取电压调节的控制手段1 2 9 ”j 。近年 来，在国外和国内都有不少与电力系统电压无功控制相关的专家系统投入试运行或进 入实用化推广阶段，并取得了不错的效果，但是仍然存在着一些值得研究和探索的问 题：当系统规模较大、规则较多时，完成推理的速度受到限制，因此目前已有的专 家系统大多是用于离线，或者在线解决属于系统分析方面的问题，而在无功电压实时 控制方面的应用还刚刚起步，有待进一步的研究：现有的专家系统缺乏有效的学习 机制，对付新情况的能力有限，而且容错能力较差，当系统发生故障或网络结构、系 统参数、无功电压设备控制器配置等发生变化的情况下，将有可能得不到结果或给出 错误的结果。如何与a n n 、模糊推理等其它人工智能方法结合以提高专家系统的自 学习能力和容错能力是值得研究的课题：大型专家系统的建造完成周期长，知识的 获取和校核比较困难，要建立完备的知识库，维护难度比较大，在建造专家系统之前 必须充分考虑这些问题。 ( 2 ) 人工神经网络( a n n ) 。a n n 有极强的非线性拟合能力和自学习能力，而 且具有联想记忆、鲁棒性强等性能，使得a n n 对于电力系统这个非线性的复杂大系 统来说，有很大的应用潜力。文献 3 9 】提出在各发电厂附加一个基于a n n 的扔调电 压控制器( c v c ) ，用系统o p f 计算的结果作为目标对a n n 进行训练，使得电网的 电压水平在分散c v c 的协调控制下达到次优。文献 4 0 1 提出利用两级a n n 进行系统 无功电压控制。第一级a n n 用于检测系统中无功电压越限的节点，第二级a n n 给 出校正策略。目前，a n n 的应用仍然存在着一些问题，如学习算法速度一般比较慢， 训练时间较长，而且不易收敛或可能收敛到局部极小点等。一些研究人员致力于改进 学习算法，使其收敛性能大为改善。但是，a n n 的一些固有缺陷仍没有完全弥补， 例如，a n n 模型的建立缺乏充分的理论指导，当系统结构发生变化时需要增加新的 样本重新学习等。此外，l n n 的工作过程是一个黑箱，因此尽管a n n 具有一定的容 错能力，但不能提供相关信息帮助运行人员推断不正常的数据，也不利于理解其输出 结果。 ( 3 ) 模糊技术( f t ) 。基于模糊技术的模糊控制有许多优点，如：适于处理不确 定性、不精确性以及噪声带来的问题；模糊知识使用语言变量来表述专家的经验，更 接近人的表达方式，易于实现知识的抽取和表达；具有较强的鲁棒性，被控对象参数 的变化对模糊控制的影响不明显等。电力系统电压无功控制受电力系统时变性、运行 华中科技大学博士学位论文 ：= z = ；= _ = = = = ；= ；= = = = # ；= = = = ；= = = = = = = = 条件和网络参数经常变化以及许多条件下无功负荷不能精确给定的影响，很难建立精 确的数学模型，在这种情况下，模糊技术被引入电压无功控制的研究“1 a 文献【4 1 】 和文献 4 2 】考虑到在电力系统实际运行中电压和无功限制并不是一成不变的，容许少 量的越限这一情况，将电压限值模糊化，提出一种模糊线性规划方法，目标是确定维 持电压所需增加的最少无功功率。算例表明该方法比通常的线性规划方法更具实用 性。文献【4 5 】和文献 4 6 】考虑到控制强与弱本身具有一定的模糊性，将电压偏差和控 制变量转化为模糊集表示，用模糊推理的方法得到优化的控制策略。为了解决系统无 功优化控制问题，文献 4 7 】将无功损耗最小、提高电压质量、减少控制次数等多个目 标加以平衡，将这些目标和电压等状态变量的限制模糊化，提出了模糊多目标优化控 制方法。在实际电网模型中采集实时数据进行数字测试证明了该方法的有效性和灵活 性。应用模糊技术进行无功电压控制存在的主要问题有：信息简单的模糊处理将导 致系统的控制精度降低，若要提高精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围 扩大，降低决策速度；缺乏系统的设计方法，难以定义精确的控制目标；控制规 则的选择、论域的选择、模糊集的定义、量化因子的选取等多采用试凑法，这对复杂 系统有时是难以奏效的。将模糊技术与专家系统、神经网络、遗传算法以及传统控制 方法融合，可以增强处理不确定性问题的能力，在一定程度上解决单纯模糊控制存在 的问题，是近年来的研究热点之一l 。 上述几种人工智能技术从不同途径实现无功电压的控制，有着各自的长处，但同 时也存在相应的不足。如何将这些技术结合起来形成一种综合的智能控制系统，使控 制系统能够将不同方法的优势互补，扬长避短，是现在研究人员所关注的问题。目前， 综合人工智能技术已在电力系统无功电压控制方面有一些相关的研究成果1 2 9 ”“，但 总的说来这方面的研究还在初级阶段还没有形成系统的分析和设计方法，实用化的 研究也有待进一步加强。 总的说来，对输电系统的电压控制问题的研究已经取得很多的成果，但是迄今为 止还没有获得完全令人满意的解决方案。寻找种既能在正常情况下保持系统优化运 行，又能在紧急情况下维持系统电压水平、改善电压稳定性的全局控制方法仍然是目 前亟待解决的问题。 1 2 2 二级电压控制及箕发晨 传统的系统电压控制不管是采用数学方法还是智能方法或两者结合，一般都是基 于完全集中的控制方式。这种集中方式能够对系统的全局运行状态进行统一的、集中 的观测和控制，可采用优化控制理论进行全局的优化控制设计，不存在分散控制器难 以协调的问题，因此控制效果较好。但是，这种控制方法需要建立全系统的模型，控 制过程需经过大量的数学计算或复杂推理，实时性不强，不能很快地对系统发生的情 6 华中科技大学博士学位论文 况作出反应。当系统规模较大时，直接应用控制理论进行大系统的分析和设计，将遇 到“维数灾”的困难，而且需要多路远方数据采集和大量的通讯设备，可靠性不高。 另一方面，近年来电压稳定事故的屡屡发生，其基本原因是电网中某些地区无功不足， 造成局部电压下降，进而引起连锁反应导致全网电压水平下降，最终使系统发生电压 崩溃。实际上在许多情况下，系统其它地区尚有较多的无功储备，如果能充分利用另 外一些地区的无功源完全可以阻止这一现象的发生。因此，为了提高电压的稳定性， 需要对系统的无功流动进行快速合理的协调和分配。采用传统的分散电压控制器和集 中的系统电压优化控制很难满足这