（电力系统及其自动化专业论文）考虑负荷变化和基于改进遗传算法的无功优化.pdf

! ! 塑查兰翌主兰垒堡兰 a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lm e t h o d s t o e n s h r e p o w e rs y s t e mo p e r a t i o n s e c u r e l y a n de c o n o m i c a l l y , a n da n e f f e c t i v e m e a s u r et oi m p r o v et h ev o l t a g ep r o f i l ea n d r e d u c et h el o s s s t u d y 也ep r o b l e mo f r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nh a st h eg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h e o r ya n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n r e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o ni s al a r g e - s c a l en o n l i n e a ro p t i m i z a t i o np r o b l e m w i t ha l a r g en u m b e r o fv a r i a b l e sa n du n c e r t a i np a r a m e t e r s t h eo p e r a t i n g v a r i a b l e s i n c l u d ec o n t i n u o u sa n dd i s c r e t ev a r i a b l e s ，s o t h e o p t i m i z a t i o n b e c o m e sv e r y c o m p l e x t h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ea p p l i c a t i o no f r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t b n t op r a c t i c a lp o w e rs y s t e ma n ds t a t i cr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o na r ea n a l y z e d ，a n o v e la l g o r i t h m ，r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nc o n s i d e r e d l o a dc h a n g ea n db a s e do l l i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m i sp r o p o s e d mt h i sp a p e r a f t e ras h o r t - t e r ml o a d f o r e c a s t i n gm e t h o d b a s e da n a l o g o u sa n dl i n e a re x t r a p o l a t i o ni sp r o p o s e d , t h el o a d f o r e c a s ta n dt h ep r i o r i t yo fe q u i p m e n ta c t i o na r el e di n t os t a t i c r e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o n t h ea i m f u n c t i o ni sc o n s t r u c t e df o rt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fp o w e r s y s t e m o nt h eb a s i so f t r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h mt h ef i t n e s sf u n c t i o na n dt h e h o l d i n go fp o p u l a t i o nd i v e r s i t y a r e i m p r o v e d t h ea d j a c e n ts e a l c ho p e r a t o r i s a p p l i e d t o i m p r o v ea b i l i t y o fl o c a ls e a r c h t h ea l g o r i t h m h a s g o o dg l o b a l c o n v e r g e n c ea n dc o n v e r g e n c es p e e d r e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o n c o n s i d e r e dl o a dc h a n g ea n db a s e d o ni m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h mi sa p p l i e d t of n i a n p r o v i n c e a u t ov o l t a g ec o n t r o l s y s t e m ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n g s o f t , r a r ei sp r o g r a m m e d t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o n 他s u l t ss h o wt h a t w i t ht h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mt h ea c t i o no f c o n l x o le q u i p m e n t si sr a t i o n a l ， t h et i m e s o f d i s p e r s ee q u i p m e n ta c t i o na r el e s s ，t h ev o l t a g e q u a l i f i c a t i o n r a t ec a nb e e f f e c t i v e l yi m p r o v e da n dt h en e t w o r kl o s si sr e d u c e da n dt h i s a p p l i c a t i o n i s s u c c e s s f u l k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e mr e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o n ：l o a dc h a n g e ：i m p r o v e d g e n e t i ca l g o r i t h m ：f u j i a np o w e rs y s t e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：! ! 墨 抄中年6 月b 日 学位论文版权使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ! e 垄j 曲毕年f 月g 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无功优化的目的和意义 无功优化是实现电力系统安全和经济运行的重要手段之一。随着电网规模 的日益扩大，电力需求的不断增长，电力市场化程度的不断提高，如何在满足 用户需要的前提下，充分利用系统的无功调节手段，保证系统的安全和经济运 行，多年来一直是国内外电力工作者们致力研究的问题 8 0 年代以前，我国电网长期处于低电压水平，主电网不稳定事故时有发 生，给电力工业和其他经济部门造成了不可估量的损失。自1 9 7 9 年以来，电网 电压水平不断得到改善，无功补偿设备的容量基本上与新增发电设备的容量基 本上相适应，但是仍然存在一些问题，如一些电网在轻载时电压过高的现象时 有发生，局部地区甚至超过设备的允许规定，严重影响了设备的安全运行；重 载时电压较低，影响了用户的正常生活。随着电力系统的发展，电网规模越来 越大，电压问题越来越复杂，出现电压崩溃并发展成全网性事故的可能性也正 在逐渐增加，所以需要全面改善和提高系统的电能质量。因此，为了保证电能 质量和提高电网的电压合格率，就应增强对电压无功的调控能力。合理的运用 电压无功的调节手段，能使电力部门及用户总体设备的运行指标达到最佳状 态。而且随着电力系统自动化程度的不断提高，无功优化控制将越来越褥到人 们的重视。 系统无功分布的合理与否直接关系着电力系统的安全和稳定，并且和经济 效益有着密切的联系。一方面，如果系统的无功不足，将使电压水平低下，一 些工厂和家庭的电器就不能正常运行，而且系统一旦发生扰动，就可能使电压 低于f 临界电压，产生电压崩溃，从而导致系统因失去同步而瓦解的灾难性事 故，如1 9 7 8 年1 2 月1 9 日法国大停电，1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典大停电，1 9 8 7 年7 月2 3 日东京大停电都是由于高峰负荷使无功功率不足造成电压崩溃，从而 造成系统重大事故。另一方面，系统无功过剩会使电压过高，危害系统和设备 的安全。另外，系统无功的不合理流动，会使线路的压降增大、线路的损耗增 加、供电的经济性下降。总之，无功设备的合理配置和调度运行能有效的降低 网损，改善电压质量和保证系统电压稳定性，从而提高电力系统运行的安全性 和经济性。 电力系统无功优化问题可分成规划优化和运行优化控制两类。规划优化问 题是计算无功补偿设备的最优安装位置、类型和容量，以达到综合效益尽可能 河海大学硕士论文 好的目的。运行优化控制问题是根据实际的电网运行情况和负荷变化情况，利 用现有的无功调节手段，以达到电压质量合格和网损尽可能小等目的。 目前，我国电网无功电压的运行和管理得到了应有的重视，运行和管理水 平在不断提高。虽然已经有了一些离线分析的无功优化软件，但是实际调度操 作大多数仍然是依靠经验人工调节。随着电网规模的不断扩大和科学技术的不 断提高，原有依靠调度人员手动调节方式已越来越不能适应形势的发展。电力 系统自动化水平的提高为在线无功优化提供了良好的前提条件。因此寻求一个 有效的方法实现无功电压优化的在线计算控制，无论在理论上还是实用上都具 有十分重要的意义。 1 2 国内外研究方法概述 电力系统的无功优化问题是一个多变量、多约束的混合非线性规划问题， 其控制变量既有连续变量( 如发电机节点电压和无功出力) ，又有离散变量 ( 如有载调压分接头档位、补偿电容、电抗器的投切组数) ，使得优化过程十 分复杂。 长期以来，国内外的很多专家、学者对此进行了大量的研究和探索工作， 取得了很多成果。针对电力系统无功优化的特点，学者们将各种优化算法应用 于这一领域。人们对它研究的不同之处主要表现在两个方面： 1 、优化模型的不同。 2 、优化算法的不同。 1 2 1 无功优化模型 模型处理是无功优化问题的基础，电力系统无功优化问题一般可以表示为 以下的通用数学模型： r a i n f ( u ，x )l s t g ( u ，z ) = 0 ( 卜1 ) ( “，x ) oj 式( 卜1 ) 中u 表示控制变量，x 表示状态变量。u 包括发电机的机端电压，有载 调压变压器的档位，电容、电抗器的补偿。x 包括除平衡节点外其它所有节点 的电压相角，除平衡节点和p v 节点外节点的电压模值，p v 节点的无功出力。 从经济性角度出发的经典模型是考虑系统的网损最小化，目标函数为： m i n f i = m i n g p ( u u j - 2 u ，u ，c o s o , c ，) ( 1 2 ) 2 第一章绪论 式( i - 2 ) 中，为所有线路支路的集合； g 为支路i j 的电导； u ，、u ，分别为节点i 、j 的电压； 臼是节点i 、j 的相角差值。 从系统安全性出发的经典模型是用节点电压偏离规定值最小为目标函数： m i n ：m i n 争 竺 鲨j ( 1 - 3 ) 一jia u ：”“ 式( 卜3 ) 中：n 为p q 节点总数； u y 为节点给定电压值； u r 为节点电压给定最大偏移值。 而对于电力系统往往需要同时考虑安全性和经济性，所以出现了同时考虑 有功网损最小、电压水平最好、电压稳定性好等多个目标的无：叻优化模型。 随着电力市场理论的完善，无功合理定价的重要性表现出来，倪以信等提 出了考虑无功成本的电力市场下的无功优化模型，即在诗及电力系统无功电价 的基础上提出无功优化补偿的模型，其目标函数为电力系统的发电总成本c 。 c = c 。( + c 。，( q ( 。) 】+ c 。( ) ( 1 4 ) f e n ， e ， 其中：，为发电机节点总数； ，为具有无功补偿器的节点总数； c 。，( 只，) 为节点i 有功发电成本函数： c 。( a 。) 为节点i 无功发电成本函数； c 。( q 。) 为节点j 的无功补偿器运行成本函数。 此优化模型考虑了无功发电成本和无功补偿器的成本等，对于无功优化问 题的结果有一定修正作用，适应电力市场需求。 约束条件包括等式约束和不等式约束，等式约束即满足潮流方程；不等式 约束可考虑：p v 节点的电压，有载调压变压器的档位，无功补偿装置的组数等 控制变量上下限；p q 节点的电压幅值，p v 节点无功注入，支路电流幅值等状态 变量上下限。例如针对式( 卜1 ) 模型。可以考虑如下的约束条件： 河海大学硕士论文 等式约束： 尸一u ，u j ( g _ c o s s , j + b as i n 6 , j ) = 0 川 ( 卜5 ) q ，一u ，j ( g ”s i n s , - b ”c o s s , f l = o j = 1 不等式约束 u 。u ，u 、 q ( 。，。q 。q f 。，n ： q ，。q q 。 f 。s t f 。 i ，。，i ( 1 6 ) 式( 1 5 ) 和( 卜6 ) 中：尸、q ，分别表示节点i 注入的有功、无功功率； u 、u 分别为节点i 、j 的电压； n 表示节点总数； g ，表示支路卜j 的电导： 口。表示支路i - j 的电导； 一，表示节点i 、j 的相角差值： q 。、9 f 。分别表示第i 发电机无功出力上下限； q 、q ( 。分别表示第i 无功补偿器的无功补偿容量上下限： u 。、u 。分别表示节点i 电压幅值上下限； ，、，。分别表示第i 条支路的电流上下限； f 。m 、f 。表示第i 台有载调压变压器分接头档位的调节范围。 1 2 2 无功优化方法 6 0 年代以后，运筹学上的多种优化方法，几乎都在无功优化计算上作了研 究、尝试和应用。主要有以下几类： 1 2 2 1 线性规划法 在所有规划方法中，线性规划法是发展最为成熟的一种方法。线性优化方 法应用于电力系统无功优化，其原理是把目标函数和约束条件全部用泰勒公式 展开，略去高次项，使非线性规划问题在初值点处转化为线性规划问题，用逐 4 第一章绪论 次线性逼近的方法来进行解空间的寻优”一“。其中，灵敏度分析法在线性规划算 法中得到了广泛的应用。 灵敏度分析法的指导思路使：把非线性规划的原问题划分为控制变量和状 态变量，在某一初始运行状态附近，根据目标函数和状态变量对控制变量的灵 敏度关系来选择调整对象并计算调整量。 有学者提出了按照系统分层控制原理“，通过对费用函数的灵敏度以及状 态变量对控制变量的灵敏度筛选控制变量和状态变量，并根据运行方式的变化 确定控制变量的调整幅度和状态变量的变动范围。 针对控制变量的选取，有文献提出了区别于已有将补偿节点无功作为控制 变量，面选广义发电机节点( 补偿节点和发电机节点) 的电压幅值、可调变压 器的变比为控制变量，按照用逐次线性规划方法求解非线性规划问题的思路， 导出相应的灵敏度无功优化模型，并采用对偶线性规划方法来求解1 。控制变 量的这种选取，减小了问题的规模，简化了计算。 1 9 8 4 年，k a r m a r k a r 提出了求解线性规划的多项式时间算法一投影尺度法 后，内点法1 以其较少的计算时间和较强的求解大规模问题的能力立即引起了 人们的关注。和单纯形法沿着可行域的边界寻优不同，最初的内点法是建立在 线性规划问题的单纯形结构上的，它在每步迭代中通过空间变换将现行解置于 多胞体的中心，并在可行域的内部移动寻优。后来，有学者提出了仿射尺度类 内点算法，原一对偶仿射尺度内点算法。近年来，仿射尺度法何路径跟踪法在 求解电力系统优化问题中得到广泛的应用。1 ，如最优潮流、无功优化、安全约 束下的经济调度、实时电价计算等。 在无功优化的应该方面，对于内点的改进有很多，有文献提出了一种采用 改进的原一对偶仿射尺度内点法求解无功优化问题的算法“0 1 ，它对迭代初始值 的选择要求不严，不需要使寻优过程始终沿着原一对偶路径，但它晟终仍收敛 于最优解。 部分文献提出了一种基于稀疏技术的原对偶内点法电压无功优化控制数学 模型“1 ，可以有效的处理大量的不等式约束。并给出了提高原对偶内点法计 算速度的措施，从而大大提高了算法的计算速度。同时还通过模糊约束对不可 行问题进行探测和处理。 无功优化的不可行问题的处理一直是个难点，刘明波等提出用基于非线性 同伦内点法检测无功优化不可行问题的新算法”“。该算法能通过同伦变量的值 快速并准确地判别出原问题是否出现了不可行的情况，并证明了该算法对无功 优化的正确性。 河海大学硕士论文 线性规划法其优点是模型构成比较简单，每次迭代计算速度比较快。但线 性规划法在处理无功优化这样的强非线性问题时，在计算精度何收敛性上有一 定的困难。它无法反映有载调压变压器分接头档位的变化以及电容器、电抗器 组投切的离散特性。在处理时先把离散变量当作连续变量处理，优化结束后， 对它进行归整计算，因此会带来一定的误差。同时线性规划法在对目标函数进 行线性化时，也会带来一定的误差。另外在线性逼近最优解的过程中，步长的 选取对收敛性影响很大，若步长取的过大，有可能引发振荡，步长太小，又会 使收敛速度变慢。 1 2 2 2 非线性规划法 数学上讲，如不考虑有载调压分接头和无功补偿设备增量的离散特性，无功 优化是个典型的非线性问题，因此非线性规划法是最直接的计：萍方法，该方法 的数学模型建立比较直观，物理概念清晰，以下是现有的几种算法： w d o m m e l 和w f t i n n e y 在1 9 6 8 年提出了简化梯度法1 解决有功和无功 最优问题，这是国外最早出现的较有影响的无功优化算法，对后来的研究产生 了很大的影响。d a v i dis u n 和严正等提出了牛顿优化算法”【3 。其中拉格朗 日扩展目标函数的稀疏海森矩阵可以较简洁地用来求解最优无功潮流，非常好 地利用了电力系统导纳矩阵的稀疏结构，从而减少了计算量和内存容量。但对 不等式约束的处理仍然是不够成熟，尚不能有效地处理无功优化中大量的不等 式约束，有待进一步解决。 针对无功优化目标函数形式为两次函数的电力系统，出现了二次规划算法， 它将目标函数作为二阶泰勒展开，非线性约束转化为一系列的线性约束，从而 构成二次规划的优化模型，用一系列的二次规划来逼近最终的最优解1 ：“。它 的优点是精度较高，可以方便地处理各种等式和不等式约束，缺点是在求临界 可行问题时可能导致不收敛。 有专家使用s q p 序列二次规划法”计算电压无功优化潮流。该方法将问题转 化为反复求解的简单子问题，有约束的拟牛顿法由于加入了k u h n - - t u c k e r 方程 的二阶信息，能够保证超线性的收敛性，算例的结果表明该方法对迭代初始值 的选择要求不严，具有稳定的收敛性能。 1 2 2 3 混合整数规划法 混合整数规划法的原理是先确定整数变量，再与线性或非线性规划法协调 处理连续变量。它解决了前述方法中没有解决的离散变量的精确处理问题。但 6 第一章绪论 是在问题的求解过程中常常会发生振荡发散的问题，同时它也存在着线性或非 线性规划法具有的问题。 为了将整型变量和连续变量结合起来，有学者提出了一种：j 之解计及整型控 制变量的电压一无功功率混合整数优化方法。它建立了精确的数学模型，导出 了完整的非线性混合整数电压无功优化模型，并探讨了用于混合整数电压无功 优化的计算方法。混合整数规划法虽然能真实地反映变压器变比、电容器组的 离散特性，但计算量大，速度慢，难以达到在线应用。 结合了b e n d e f s 分解技术，有文献将混合规划法分解成整数规划和线性规 划两个子问题”，减小了求解问题的规模，在计算灵敏度系统矩阵时，采用分 块矩阵求逆法，节省了计算的时间。并且通过步长的折半迭代，减小了振荡。 1 2 2 4 人工智能法 人工智能方法的出现使无功优化算法有了一个很大的飞跃。它包括现代启 发式搜索算法、人工神经网络和专家系统等。尤其是现代启发式算法，在电力 系统无功优化问题方面的应用中取得了大量的研究成果。 专家系统( f s ) 是发展较早，也是比较成熟的一类人工智能技术。专家系统 主要是由知识库和推理机构成。它根据某个领域的专家提供的特殊领域知识进 行推理，模拟人类专家做出决策的过程，提供具有专家水平的解答，其缺点是 知识获取困难，尤其是对大规模的系统开发：知识表示方法不足，专家们想问 题的方法并不是都能用现有的知识表示所能表达的；专家经验的适应性不强， 对一些复杂的情况不能很好的处理。 专家系统较早应用于变电站电压无功控制。”中，将变电站电压无功控制和 专家系统的设计方法与相结合，针对变电站电压无功控制的特点，总结了变电 站操作人员懂得的运行经验，提出一些推理规则。在系统运行过程中推理机根 据这些推理规则生成合适的控制方案来及时、准确地实现对有载调压变压器和 电容器组的控制。 人工神经网络( a n n ) 是模拟人类传递和处理信息的基本特性由人工模拟的 多个神经元以一定的方式连接而成。单个人工神经元实现输入到输出的非线性 关系，它们之间的连接组合使得a n n 具有了复杂的非线性特性。a n n 的特点 是：信息分布存储，有较强的容错能力；学习能力强，可以实现知识的自我组 织，适应不同信息处理的要求；神经元之间的计算具有相对独：立性，便于并行 处理，执行速度较快。其缺点是初始训练样本的获取困难，训练时间长，易陷 入局部最小点等缺点。 河海大学硕士论文 作者提出利用两级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。为了加速样本训练收敛 速度，文中还提出了一种加速b p 算法对一个简化系统进行测试表明结果是令人 满意的。 现代启发式算法中的模拟退火法是一种随机搜索方法，它模拟了金属溶液 冷却或退火过程，即退火过程中能量逐渐减小，而退火结束后，金属的能量最 小。该算法的全局收敛性好，但所其需时间过长。 为了提高模拟退火方法的性能，有学者把将最优解的更新序列和算法的搜 索控制过程分离的改进模拟退火方法用于多目标无功优化：”取得了较好的效 果。因为计算比较费时，不能用于在线分析。 遗传算法也是现代启发式算法的一种，它是类借鉴生物界自然选择和自 然遗传机制的随机化搜索算法。与传统算法相比，遗传算法具有算法简单，对 目标函数不要求可导、可微，且能方便的处理离散控制变量和能获得全局最优 解等优点。因此它被广泛的应用于组合优化、机器学习，规划设计、函数优化 等许多领域。在当前电力系统中，基于遗传算法的无功优化研究。“”1 是一个十 分热门的课题。 马晋驶等学者在国内较早利用遗传算法。求解电力系统无功优化问题。在 优化编码中基于控制参数的子集理论，引入了一个分解编码结构，改善了大系 统的全局最优搜索。在变异概率的取值上提出了可控变异概率的原则，以避免 寻优陷于局部极小点，对i e e e 一3 0 节点系统的计算结果表明了算法的有效性， 推动了遗传算法在实际系统优化问题中的应用。 针对无功优化的实际，有文献提出了在不同优化阶段，对e j 标函数各项的 罚因子采用不同权重，并且构造出分阶段适应性函数，以保证不同阶段的重点 目标。以及提出了选择式杂交方式，保证优良个体的特征能遗传到子代而不被 丢失。对终止进化采取了最优个体最少保留代数和最大遗传代数相结合的判 据，改善了仅以晟大遗传代数作为收敛判据的方法。 以鄂州电网无功优化系统的实例0 5 出发，作者论述了基于g a 的无功优化方 法的程序流程，着重解决了在实际应用时遇到的几个问题，即针对无功优化中 离散变量的处理提出了一种映射编码方法；改进了目标函数的模型；讨论了相 关参数的选择，在实际应用中取得了较好的效果。 考虑到遗传算法本身的并行特性，并行遗传算法实现一直是研究的课题。 作者对由局域网连接的多台机器按照主从方式进行通信，并根据各机器负载平 衡的原则实时分配计算，实现了分布式计算的遗传算法。，从而较大的提高了 计算速度。 第一章绪论 部分文献。”i 对应用于无功优化的遗传算法，进行了多方面的改进。相对于 传统遗传算法的编码方式提出了整数实数混合编码和分组整数编码等方法。在 选择算子中采取两两竞争策略，并保存每代的最优个体，将其直接加入子代群 体还有锦标赛选择等方法。对于杂交和变异的过程，采用了基因片间的均匀杂 交算子，邻近变异和引入“灾变”操作，提高算法的全局寻优能力和局部寻优 能力。这些改进使算法的整体性能得到了一定的提高。 1 3 本文的主要工作 无功优化的在线控制一直是电力系统自动化研究的热点和难点，本文综合 国内外的研究和应用情况，并根据笔者在福建省电网自动电压控制( a v c ) 项目工 程实践，提出了应用于省级电网的考虑负荷变化和基于改进遗传算法的无功优 化的具体方案，并描述了基于此方案的应用实例。本文所做的主要工作： l 针对省级电网的实际情况和静态无功优化的缺点，提出了应用于省级电 网的考虑负荷变化的无功优化新方法。 2 针对无功优化在线应用的要求，综合相似日法和线性外推法各自的优 点，提出了一种基于相似目和线性外推法的短期负荷预测新方法。 3 结合实际应用的情况，在适应度函数、群体多样性的保持等方面对应用于 无功优化的遗传算法进行了改进，并详细介绍了该方案的实现过程。 4 详细介绍了该算法在福建省电网自动电压控制( a v c ) 系统中，实际应用 的情况。 各章节安排 第一章绪论 第二章无功功率和电压控制 第三章考虑负荷变化的无功优化 第四章基于改进遗传算法的无功优化 第五章考虑负荷变化和基于改进遗传算法的无功优化在福建电网中的应用 第六章结论 9 扣f 海太学鼹t 学位论文 2 1 引言 第二章无功功率与电压控制 电压是衡量电能质量的重要指标。保证用户处的电压接近额定值是电力系统运行调整 的基本任务之一h “j 。电力系统运行的电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电 源的无功功率输出应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压 就会偏离额定值。 由于无功功率流过电网，会增加网络的有功损耗和电压损耗，因此在电力系统运行 中，无功功率的原则一般是就地平衡，避免无功的长距离传输。 2 2 电压与无功的关系 j r j x 二 d 1 j 图21 电力线路的电压和功率 0 t l l n 2 - l ，若己知6 ：，： ：+ixk墨红rdut ( ej xr + j x )= + ) - l 半( + u 2 毕( r + j x ) u ! 图2 - 2相量图 ( 2 一1 ) ( 22 ) ， 第二章无强功率s 屯压控割 令：u 2 = u2 z o d 西，：p 2 r + q 2 x + ，p 2 x - q , r u 、 。 己，、 显然，相量图中的 u ，：p 2r + q , _ x u 1 6 u ，2 - p , _ x - q 2 r u 2 即譬“百 在高压输电系统中，可以近似的认为x r ，于是由式( 2 一1 ) ( 2 咱) 得 削zz 警训z + 警：o r f 2 等；6 1 = t g - + 箍 由式( 2 7 ) ，可以得出在高压配电系统e p ： ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 线路( 变压器) 两端电压幅值差，主要是由于输送的无功功率产生的( 或电压幅值差 是传送无功功率的条件，v 咱强耦合，卜p 弱耦合) ，无功从电压幅值高的节点流 向电压幅值低的节点； 线路( 变压器) 两端电压相角差，主要是由输送的有功功率产生的( 电压相角差是传 送有功功率的条件，j p 强耦合，石咱弱耦合) 有功从电压相角超前节点流向 电压相角滞后节点。 因此，适度地进行无功补偿，可以有效地提高补偿点的电压质量。 2 2 2 系统无功一电压静态特性 j x l 图2 - 3 简单电源系统 图2 - 4 无功一电压静态特性曲线 ，l， 澜海大学设学位论文 如图2 - 3 为一电源系统 q ：u s i n 中：u 坚墅尘： x 。 u e c o s g - u= 瓦u ( e c 。s 占一( 2 - 8 ) 由式( 2 - 8 ) ，根据不同的e 值可以绘出不同的u - q 曲线，如图2 - 4 。从图中可以看出， 随着e 增加，曲线的顶点( e c o s 型) 也升高，u 不会低于顶点；负荷端电压u 值越高，由电 源通过线路( 变压器) 输送到负荷端的无功将减少。 2 t2 3 系统无功传输和有功传输的特点比较 以图z 一3 所不乐现为例，盯于糸现阴袋毙瑞，功率半，衡夭糸为： s = p + j q = u + 刈塑等笋型1 ( 2 _ 9 ) = e us i n g + j 竿】x 。 p = 等s n 万 ( 2 _ l o ) q r - 竿 ( 类似的。在送端有 p 、= 半s i n 占以s i n 占( 2 - 1 2 ) q ，= e 2 _ - e r u c o s 6 ( 2 - 13 ) 对于一般的功率传输，当功角小于3 0 度时，s i n gz 占使得式( 2 1 0 ) 和( 2 一1 2 ) 可以线性 化，而无功传输由于e u c o s 占和e2 或u 2 的存在使得它的非线性程度比；卣功传输强，这也 是潮流计算中相角比电压容易收敛的原因。此外，电压的范围规定必须运行在额定电压的 0 9 弘1 0 5 之间，也限制了无功的传输。 2 2 4 负荷无功一电压静态特性 负荷无功一电压静态特性曲线与系统无功一电压静态特性曲线相对应，如图2 一j 曲线组。 曲线l 负荷大于曲线1 。 1 2 第二章无功功率s 电睢筏翻 l 图2 - 5 负荷无功一电压静态特图2 - 6 负荷无功一电压平衡过程 2 2 5 负荷无功一电压平衡过程 如图2 6 ，假使初始运行点在u ，此时对应为负荷无功一电压特性曲线1 与系统无功一电 压静态特性曲线2 ；负荷无功突然增加，由于电源的无功不能突变，因此负荷点无法维持原来 电压，负荷点电压沿曲线2 下降到un 这是负荷点牺牲电压平衡无功缺额的过程，此时无功 负荷水平为曲线l - ；随着发电机励磁电流增大，系统增发无功，e 值不断变化，系统无功一电 压特性曲线也同时变化，负荷点电压逐步回复，负荷点电压沿曲线l 上升，直到与曲线2 相 交，到达无功一电压新的平衡点。 2 3 无功与有功网损的关系 有功网损包括线路有功损耗和变压器有功损耗两部分。有功损耗是衡量电网建设完善化 和管理水平高低的一项综合性指标。 线路有功损耗计算公式 a e , ：竺呈鲨( 2 - 1 4 ) u 其中鹋表示线路的有功损耗；p 表示线路传输的有功功率：q 表示线路传输的无功功 率；r 表示线路的电阻；u 表示线路的额定电压。 i 7 蓐y c 学碗士学位论文 变压器有功损耗计算公式： 只：r + 砟兰箬 1 2 q 5 ) u n 其中，只表示变压器的有功损耗；p 表示变压器传输的有功功率；q 表示变压器传输 的无功功率：s 。表示变压器的额定容量：r 表示变压器的铁耗；坟表示变压器的铜损。 从式( 2 1 4 ) 年b 式( 2 - 1 5 ) 可见，当有功功率和无功功率通过网络元件时，会造成有功功率 损耗。一方面，当输送功率( p 2 + q2 ) 一定时，功率损耗与网络电阻( r ) 或变压器铜损( & ) 成正比，即网络电阻或变压器铜损越大，功率损耗越大；另一方面，当输送的有功功率一定 时，输送的无功功率越多，总的有功损耗就越大，反之输送的无功功率越少时，总的有功损 耗就越小。 但通常情况下网络电阻或变压器铜损由固有的网络设备决定，改造费用比较大，因此总 的功率损耗的增加或减少决定于输送的无功功率的变化。 例如，当c o s 伊= 0 7 时，q = p ，则有只，= 弓，印由输送无功功率q 造成的有功损耗 与输送有功功率p 所造成的有功损耗相等。 2 4 输电网中常用无功控制设备 2 。4 。1 同步发电机 发电机是目前唯一的有功电源，又是基本的无功电源。发无功的能力与同时发出的有功 有关系，由发电机的p q 极限曲线决定，见图2 - 7 。 1 4 荤= 章无境功率s 电推控制 p _ i l 一、 、 ， c ： b t ， ，一j ，、弋、 ， ， 。7 i j | 。 jj ，彳 ，| | s ，| 4 i ，7 j。 、 u e 、 图2 7 发电机运行极限图 发电机的运行极限就体现为图2 7 中曲线段o a 、a b 、 3 c 、和虚线t 所包围的面积，发电 机发出有功、无功功率所对应的运行点位于这一面积内时，发电机可保证安全运行。 对于同步发电机，只要调节其励磁电流，就能改变其发出的无功功率的大小和性质。同 步发电机的无功功率生产约束主要由发电机的励磁电流决定，因为发电机的励磁绕组都有温 升限制，其主要取决于励磁电流的大小，也就是发电机的空载电势。这一约束条件体现为发 电机的空载点电势不得大于其额定值在图2 7 中表现为其运行点不得越出以0 为圆心、 ( ) 1b 为半径所作的圆弧f 。 在省级电网的无功调度中，与地区电网不同，发电机是提供无功电源的主要设备。发电 厂保证合理的无功出力，对于维持周围母线的电压水平，起着至关重要的作用。在电压过高 的时候，发电机还可以进相运行，吸收多余的无功。 2 4 2 并联电容器 在省级电网无功补偿中，并联电容器主要是用在负荷比较高的时候，为电网提供无功电 源支持，减少5 0 0 k v 和2 2 0 k v 间的无功流动，保证电压合格。 图2 8 并联电容器补偿 坶海_ 大学硕士学位论文 如图2 - 8 ，假定补偿前后，u 。不变。 补偿前： 卟啪! 铲 补偿后： ( 2 一1 6 ) 卟u 2 t a e 坐学巡 ( n - 1 7 ) 半一半) 由( 2 - 1 8 ) 得 ”譬( ” 引入变压器变比k 后，则 盼竽( u 2 c k - u 沪警( ”警足2 ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) 其优点：可分散、集中、分相补偿；投资少、功损耗少( 额定容量整j 0 ，：p 、，o 翻，无旋转 部件，维护量小，可根据负荷情况分组投切； 缺点：电压下降时急剧下降不利于电压稳定，投入时会产生尖峰电压脉冲。 rr2 q = 告= u 2 村 ( 2 - 2 1 ) 如式( 2 2 1 ) ，电容器发出的无功与电压的平方成正比，在低电压时输出无功功率减少， 而这时显然需要更多的无功。 特点：只发感性无功，可全部或部分切除，不能平滑调节，因此，：当无功优化模型和控 制模型加入电容器后使得数学方程不可微，使得算法变得复杂。 6 第二章无功功率s 电压控翻 2 4 3 并联电抗器 并联电抗器的性质与并联电容器的性质相反，从补偿感性无功的角度来说是负补偿， 因而常用于补偿线路电容的作用，主要是限制负荷轻载所引起的电压升高。特别是在超高压 ( e ) 输电架空线路长于2 0 0 时线路充电电容不可忽视，通常需要安装并联电抗器。 足够大的并联电抗器( 主要是5 0 0 k v 电压等级) 必须永久与线路相连，以限制在小于l s 的时间内基波暂态过电压达到l _ 5 p u ，这种与线路连接的电抗器也用于限制充电过电压，如 开关投切暂态。 在轻负荷时，在2 2 0 k v 及以上的线路中，线路充电功率过大，有可能会引起电压过高， 危及高压电网的运行，此时为了保证正常电压，需要在变电站安装可投切的并联电抗器，来 吸收过剩的无功，降低电压。 2 4 4 变压器 变压器不能作为无功电源， 相反消耗电网中的无功功率， 属于无功负荷之一。变压器分 接头( 抽头) 的调整不但改变了 变压器各侧的电压状况同时 也对变压器各侧的无功功率的 分布产生影响。因此当电压过 低时，应该闭锁变压器分接头 防止电压崩溃。 图2 - 9 为内部有调压绕组的 有载调压变压器原理接线图。 可在带负荷的情况下改变分接 头位置的特殊切换装置有两个 图2 - 9 有载调压变压器原理图 可动触头k i 和k 2 ，为了防止可动触头在切换过程中产生电弧使变压器绝缘油劣化，在可动 触头k 1 、k 2 前面接入接触器j a 、j b ，并放在单独的油箱里，在调节分接头时，先断开接触 器j a ，将可动触头切换到相邻的分接头上，然后重新合上接触器j a ，另一可动触头k 2 也 采取相同的步骤，移到这个相邻的分接头上，这样一步步地移动，直到k 和都接到所选 定的分接头位置为止。当切换过程中k l 、磁分别接在相邻的两个分接头位置时，电抗器d k 嘲晦大学硕_ _ = 学位论交 限制了回路中流过的短路电流。1 1 0 k v 及以上电压级变压器的调压绕组放在变压器中性点一 侧，中性点侧电压较低，调节装置的绝缘比较容易解决。 2 5 本章小结 本章叙述了电压和无功的关系，简要说明了电网中常用无功控制设备的特性。根据省 级电网的特点和现有设备配置，本文描述的无功电压控制系统将发电机、电容器、电抗器、 变压器有载调压分接头作为闭环控制对象。 1 8 第三章考患负荷壹讫的无琦优纯 3 1 引言 第三章考虑负荷变化的无功优化 在无功优化在线控制中，控制设备有发电机、电容器、电抗器和有载调压变压器，以及 s v c 等f a c t s 元件。其中发电机、s v c 等是连续设备可以连续调节，电容器、电抗器和有载 调压变压器是离散设备只能离散调节，并且对电压和无功的作用是跳跃的。同时由于考虑到 离散设备的使用寿命，不允许设备频繁动作，需要限制离散设备的动作次数。同时在实际系 统中，负荷的变化是频繁的，优化方案也在频繁地变化。常规系统的静冬无功优化每次只是 根据当前时刻的负荷情况，给出这个时刻的动作方案，这样就会引起离散设备的动作频繁， 使得优化方案不可操作，缺乏实用性。 为解决这一问题，有学者提出了在配电网无功优化中，采用动态规划方法或简化动态规 划法“，以解决电容、电抗器一天中的投切次数和变压器分接头的调：常次数合理分配的问 题。但是动态规划法本身类似于穷举法，对于这种多变量、多约束的仿h 獬，寻优时间长， 不利于实际应用。因此任晓娟等从动态无功优化的模型出发，通过i 夔用启发式规则选取 控制变量和预确定动作的时间量，从而可以用任何适用于无功优化的算法从整体上来求解动 态无功优化，该算法适用于高中压配电网。赵登福等提出了以全网一天- ：p 网损最小为目标， 考虑开关动作次数约束的无功电压实时控制数学模型 ，针对计算模型，改进了遗传算法， 将动作次数约束的满足用遗传算法实现，算例表明该方法比传统遗传算法及动态擞0 法的计 算速度有较大提高。还有学者通过将负荷曲线划分相应的时段。”，然后j 生某时段内选取典型 的负荷点，进行优化，计算出该段的最优运行方式。该模型易于满足电容器投切和变压器调 节次数的限制。算例结果表明该算法不但能有效地阿氐电能损耗，而且控制简单。 省级电网与配电网的不同在于，控制变量中有连续变量发电机参与调节，并起主要作 用。同时，在实际运行中电力系统的运行方式是会发生变化的，而且事：赶j e 法确定。因此从 动态无功优化出发建立全天网损最小的数学模型思路是不适用的。如何用快速的方法预测未 来日的负荷情况用于无功优化，如何合理分配离散设备的动作次数，避免离散变量不合理动 作，如何协调离散变量和连续变量的关系，都是在线无功优化控制实际应用中需要解决的问 题。 9 锕海走学硬士学位论文 3 2 短期负荷预测 3 2 1 短期负荷预测概述 电力系统负荷预测的水平己成为衡量电力系统运行管理水平的标志之一。影响负荷预测 的因素很多，既受负荷本身的历史表现决定，还受气候，节假日，政治事件等非负荷因素的 影响。这些因素和负荷预测值之间形成了复杂的