（电机与电器专业论文）考虑超短期负荷预测的地区电网二级电压控制研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电力工业的发展、电网规模的扩大和电力市场的完善，电网的运行对电压控制 提出了越来越高的要求。电压控制的目标是保证合格的电压水平、优良的电压动态品质 和电压稳定性。本文利用负荷求导法得到超短期负荷预测结果，此结果由二级电压控制 系统应用于无功优化的潮流计算中，依据无功优化的结果，二级电压控制系统就可以提 前设定各无功设备对系统发出的无功量值。可以减少未考虑超短期负荷预测时的系统网 损，同时进一步增加系统的稳定性。 关键词：二级电压控制，超短期负荷预测，无功优化 a b s t r a c t a l o n g 、析mm ee l e c t r i cp o w e ri i l d u s 白呵d e y e l o p m e n t ，m ep o w e rs y s t e ms c a l ee x p a i l s i o n a n dm ee l e c t r i cp o w e rm 址e tc o n s u m m a t i o n ，m ep o w e rs y s t e mm o v e m e n ts e tm em o r e 髓d 1 l i g h e rr e q u e s tt om ev o l t a g ec o i 炯1 n ev 0 1 t a g ec o n 仃0 1g 砌i st 1 1 eg u a r a n t e eq u a l i 丘e d v o l t a g ch o r i z o n t a l ，t h e 丘n ev o l t a g ed y n 锄i cq l l a l i t ) ra n dm ev 0 1 t a g es t a b i l i 啦! 1 1 i sp a p e rh a s a p p l i e du 1 仃a - s h o r tt e 眦1 0 a df b r e c a s t i n go b t 痂e db y 也em e m o do fd 舐v a t i o no fl o a dt 0 s e c o n d a 巧v 0 1 t a g ec o n 仃o ls y s t e m ，趾dc a n y 廿d u 曲l ec a l c u l a t i o no fp o w 盯n o ww i t l l r e a 砸v ep o w e ro p 血缸z a t i o n a c c o r d i n gt 0m ec d 砌a t i o nr e g u l t s ，t 1 1 es e c o n d a r ) rv 0 1 t a g e c o n 加1s y s t e mc a l lc a l c u l a t et l l eo u 钠j t so fs y s t e m sr e a 砸v ep o w e rd 嘶c e sa l l e a d s i i 玎u l a t i o n r e s u l t ss h o wm a tc o i n p a r e dt 0 1 es i t u a t i o no fn o tc o n s i d e r i n g l eu l 仃a s h o r tt e n n1 0 a d f o r e c a s t m g ，t h es c h e n l ep r o p o s e db ym ep a p e rc a nd e c r e a s em ep o w e rl o s s e sa 1 1 di n l p r 0 v e l e s t a b i l i t yo fs y s t e ma p p a r e n n y l ux i a o - j u n ( e l e c t r i cm a c h i n 鹤a n de 1 e c t r i ca p p a 功t l 塔) d i r e c t e db yp r o f z h a os h u q i a n g k e yw o r d s ：s e c o n d a r yv 0 1 t a g ec o n 乜0 1 ，u 1 臼a s h o r tt e n nl o a df o r e c a s t i l l g ，r e a c t i v ep o w e r o p t i i l l i z a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文考虑超短期负荷预测的地区电网二级 电压控制研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外；论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名： 照c 、母 日期：醴! ：型乏 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 澎小晖 导师签名： 日期：丝垃堕日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 电力是国家的基础产业与能源支柱，电力产业是当今一切工业的基石，为社会化大 生产与经济的产业化、自动化和信息化提供能源保障。随着科学技术的发展和电能需求 量的日益增加，电力系统规模越来越大，超高压远距离输电、大容量发电机组、各种新 型控制装置得到了广泛应用，这对合理利用能源，充分挖掘现有电网的输电潜力和保护 环境都有重要意义。另一方面，随着国民经济的高速增长，以城市为中心的区域性用电 增长越来越快，大电网中负荷中心的用电容量越来越大，长距离重负荷输电的情况日益 普遍。这给电力系统的安全运行带来了不少问题，其中之一便是电压稳定问题【l 】一即电 压不稳定或电压崩溃引起的电力系统局部负荷丧失，甚至全网瓦解而导致大面积停电。 电压是衡量电力系统运行安全性和经济性的重要指标，而影响电压水平最重要的因 素是无功功率。当一个地区无功过剩时，电压将升高；无功不足时，电压将降低【2 】。系 统的运行电压主要受本地区无功平衡情况的制约，具有很强的地域性【3 】。远距离传输无 功功率将会引起有功损耗的增加，同时会在输电线路首末端引起较大的电压差，从而引 起无功损耗的大幅增加。因此无功优化实际上就是通过对无功、电压资源的优化配置， 在保证系统一定安全、质量要求的前提下达到系统运行损耗尽可能少降5 1 。 电压失稳事故通常是由两类系统变化引起的【6 】：一类是系统运行参数的缓慢改变， 如负荷或发电机的有、无功功率随时间发生逐渐的变化；另一类则是系统改变，如线路 因故障退出运行，或者系统中的某个区域应为某种原因突然丧失大量无功支持源。在故 障发生之后，由于许多电压控制设备和保护系统的相互影响使得电压失稳多表现为比较 慢的电压下降。当线路两端电压相角差较大时，即使两端的电压幅值差值再大，也不可 能通过该线路传输无功功率。而且根据电力系统运行要求，各点电压幅值应维持在个规 定的范围内，这更增加了无功传输的难度。另一方面，通过输电线路远距离传输无功功 率会增加线路的有功损耗、降低线路的有功传输能力。所以无功不适合远距离传输。 为了协调电网中各种无功调节和电压控制的手段，从安全性和经济性着眼，通常采 用分级电压控制的方法【丌。等级电压控制分为三层，每一级控制系统都有自己的控制对象 和控制目标，在时间上相互解耦，低层控制接受上一层的控制信号作为自己的控制目标， 并向下一层控制发出控制信号【8 】。在分级电压控制中，整个电网被划分为几个相对解耦 的区域，在每个区域中选取一个到多个能够反映该区域电压水平的节点作为主导节点。 当区域受到扰动而节点电压产生变化后，如果把先导节点的电压恢复至扰动前的水平， 则区域内所有节点的电压能够同样得到恢复。控制无功电源是能够对先导节点电压提供 华北电力大学硕士学位论文 足够无功支持的无功设备。二级电压控制系统通过监视先导节点的电压，将其与预先设 定值进行比较，根据偏差修改区域内一级电压控制器的设定值，来改变机组的无功出力， 以达到将先导节点的电压维持在其设定值的目的。 1 2 二级电压控制研究现状 2 0 世纪7 0 年代，随着对电压崩溃本质认识的逐步深入，人们越来越意识到对电力 系统无功流动进行合理协调和分配的重要性，在此基础上，产生了对电力系统进行分级 电压控制的思想 9 1 。可以说，从分级电压控制诞生的那一刻起，协调就成了其研究和应 用的主题。法国电力公司( e d f ) 最早提出了以中枢母线、控制区域为基础的分级电压控 制方案【l o 】，其中二级电压控制( s v c ) 在法国、意大利、比利时都得到了较好的应用。如 今的电力调度自动化系统业已从初期的监视控制和数据收集( s c a d a ) 发展成为包括发 电控制、经济调度和安全分析等功能，应用网络通信技术、分布式计算等现代信息技术 的能量管理系统( e m s ) 【1 1 1 。电力系统电压控制也从局部控制向全局分层分布控制的方向 发展。在电力市场化的今天，电网电压控制所能实现的经济价值日益重要，电力系统全 局优化控制系统将集安全性和经济性子一体，应能实现闭环控制。二级电压控制其主要 任务是以某种协调方式设置区域内各自动电压调节器的设定值，以达到在系统范围内合 理配置无功的目的n 羽。二级电压控制的主要问题有：控制区域划分、先导节点选择、控 制策略研究。 控制区域划分 最简单最直观的电力网络分区可以根据地域或电网所属的电力公司来划分，但这样 的分区没有考虑系统的电气特性，而且可能导致控制区域中无功电源不足，同时区域之 间的耦合度高，不适于系统分析和运行控制。 目前电压控制区域划分的基本准则是电力系统各节点间的电气距离，主要满足以下 3 个条件【1 2 】： 1 ) 域之间要相互解耦； 2 ) 区域中要有足够的无功电源； 3 ) 区域内的先导节点要能反映区域的电压水平。 由此，研究人员提出了多种分区方法，文献 1 3 根据其定义的“电气距离 使用信 息论理论对系统进行电压控制区域划分。这种方法是利用潮流方程形成灵敏度矩阵，以 此得到任意两点之间的耦合度，通过耦合度定义节点之间的电气距离，电气距离反映了 两个节点之间的耦合程度。文献 1 4 提出了利用q 分解的嵌套算法进行电压控制区域划 分。其主要是以图论为基础，这种算法把系统的变量，用图的节点表示，各个变量间的 相互关系用连接相应节点的边表示，各个变量之间的耦合强度用赋予每一条边的权重系 2 华北电力大学硕士学位论文 数表示，从而可以将一给定系统用图的形式表示出来。然后确定一个门槛值q ，消去图 中那些权重小于q 的边，并对完成消去操作后图的节点重新安排，将其中不相连的各个 子系统分出来，则这些子图实际上就是相互间耦合强度小于或等于q 的子系统。这种方 法也叫q 分解方法。由于两节点的耦合程度多少算“强 多少算“弱，这是一个人为 的概念；对于嵌套的q 分解算法，不同的q 值对应了不同数目的区域个数，这是就需要 人为确定合适的区域个数。因此文献 1 5 在提出的基于电气距离概念的向上分级归类的 自动分区算法基础上，又基于电力系统专家知识对算法自动分区结果进行调整和优化， 从而进一步保证了系统分区的合理性。 先导节点选择 由于电力系统中无功电源节点少于系统中负荷节点的数目，因此电力系统是一个不 完全可控系统，即：通过无功电源的调节，不能保证系统中所有的负荷节点的电压偏移 量都为零。因此在二级电压控制中需要选择一些可以反映本区域电压水平的节点作为监 控节点，由此产生了选择先导节点的问题。 二级电压控制考虑的是系统的中期电压稳定，系统变量的变化是缓慢的，所以可以 把系统方程线性化。线性化系统后可以得到如下方程： 陶= 匮乏雌 m 。 l q g j 【- 如g j l j 、q g 其中分别是发电机节点的电压和无功变化，屹、骁是负荷节点的电 压和无功变化。、眈g 、尾g 为灵敏度矩阵，即潮流方程雅可比矩阵中和电压 无功相关的部分。 在电压控制区内的先导节点数确定后，就需考虑哪些负荷节点可被选为先导节点。 实际上，所选出的先导节点应具有以下性质：当先导节点的电压保持不变时，系统中出 现的任何无功负荷变动造成的所有负荷节点静态电压偏移最小。参照方程( 1 1 ) ，先 导节点的上述性质可用如下的最小化问题表示： z 血( 嘭q 圪) ( 1 2 ) 式中q 为权矩阵，是对称阵，用以体现对系统中节点对电压变化的适应能力，即维持系 统中某些节点的电压为定值比其他节点更重要。为了提高先导节点的鲁棒性，研究人员 针对不同的负荷扰动模型提出了各自的目标函数：文献 1 6 在建立选择先导节点的目标 函数时假设系统受到g a u s s 随机负荷扰动，其期望值为零，标准差正比于扰动前节点无 功负荷；文献 1 7 在建立选择先导节点的目标函数时进一步考虑到无功负荷的变动包括 多种形式，可以是单一节点的无功负荷变动，也可以是多个节点无功负荷变动的组合。 式( 1 2 ) 是个典型的组合优化问题，其目标函数值与先导节点的选择( 数学上通常 3 华北电力大学硕士学位论文 表示为矩阵形式) 相关。对该问题的精确求解应对所有可能的先导节点组合进行评估， 所以当系统规模过大时会耗费大量时间。对于这样一个问题，研究人员提出了多种解决 办法，其中有贪婪算法和模拟退火算法等算法，这些算法在一定程度上解决了计算速度 的问题。 控制策略研究 这部分主要研究在负荷扰动的情况下，如何协调无功源以使先导节点电压变化最 小，从而达到抑制电压波动或提高全系统的电压稳定性的目的。其控制系统设计应满足 以下基本要求【1 8 】： ( 1 ) 正常情况下通过调节各电压控制器的整定值控制受控区域的无功电压至优化 状态； ( 2 ) 调节过程中应确保控制设备在安全稳定的范围内运行； ( 3 ) 在负荷急剧变化或系统发生故障造成电压异常的紧急情况下，能迅速调节就 近的无功电压控制设备，使节点电压尽快恢复至正常范围。 对于二级电压的控制策略，最早的应用是在欧洲法国采用的三级电压控制模式，这 种分层组织机构由三级控制组成，分别为：一级电压控制( p d i 【l a 巧v 0 1 t a g ec o n 们1 ) ，二级 电压控制( s e c o n d a 巧v o l t a g ec o 曲1 ) 和三级电压控制( t e n i a r yv o l t a g ec o n 缸0 1 ) 。 ( 1 ) 一级电压控制由广泛分布在整个电力系统中的各种现有的自动控制装置组成， 为本地控制( 1 0 c a lc 0 心0 1 ) ，只用到本地的信息。控制器由本区域内控制发电机的自动电 压调节器( a t ) 、有载调压分接头( o l t c ) 及可投切的电容器组成，控制时间常数为几 秒。控制设备通过保持输出变量尽可能地接近设定值来补偿电压的快速和随机的变化。 ( 2 ) 二级电压控制由多个相互独立的区域电压控制器( s v c ) 组成，通过修改一级 控制器整定值来协调区域内一级控制器的行为。控制时间常数为几十秒到分钟级，控制 的主要目的是保证主导节点( p i l o tn o d e ) 电压等于设定值。它是一种区域控制( r e 百o n c o n t f 0 1 ) 。 ( 3 ) 三级电压控制是其最高层，以e m s 为决策支持系统，以全系统经济运行为优 化目标，考虑安全性指标，最后给出中枢母线电压幅值的设定参考值供二级电压控制使 用。在三级电压控制中要充分考虑到协调的因素，利用了整个系统的全局信息来进行优 化计算，一般说来，它的时间常数在十几分钟到小时级，一般采用最优潮流技术( o p f ) 。 目前国内外关于二级电压控制得研究主要有分散二级电压控制、协调二级电压控制 以及基于多智能体系统的二级电压控制： 、分散二级电压控制( d s v c ) 【1 9 】的基本原理是将系统分割成相对独立的区域后，每 一分区都有相应的二级电压控制器，进行解耦分散控制。控制器采集本区域的相关信息， 4 华北电力大学硕士学位论文 包括区域主导节点的电压偏差以及无功潮流等其它附加信息，以协调方式设置区域内各 一级电压控制器的参考值，以保证主导节点的电压幅值在设定值附近，从而维持本区域 的电压水平。 协调二级电压控制( c s v c ) 【2 0 】的原理是把联系紧密的控制区域合并，通过控制合 并区域内一组主导节点的电压在设定值附近来维持整个控制区域的电压水平。c s v c 的 控制目标是维持区域内一组主导节点的电压为设定值，并使预先确定的一组关键节点的 电压偏差最小，同时保证控制区内的控制设备应尽可能保持较多的无功储备。 基于多智能体系统( m a s ) 【2 1 】的二级电压控制是把控制器当作具有自治性和协作性 等主动行为能力的智能体( a g e i l t ) ，通过相关a g e n t 的通信和任务分享协调工作，以 实现特定的控制目标。在控制方案中，一级电压控制器作为执行级的a g e n t ，二级电压 控制器作为协调级a g e n t ，形成有序的a g 即t 群体。各a g e n t 一方面根据自身的环境信 息自主地完成特定的调压任务，另一方面可接受其他a g e n t 的调压任务指派和反馈任务 执行信息，整个多a g e n t 系统共同的目标是维持区域内的电压水平。 1 3 无功优化算法概述 控制策略研究中最重要的一项就是控制受控区域的无功电压至优化状态。而无功优 化问题是一个复杂的非线性规划问题，因其目标函数与约束条件的非线性、控制变量的 离散性与连续性相混合等特点，到目前为止，尚无一种切实可行、快速完善的无功优化 方法。由于对无功优化模型的处理不同以及优化目标函数选择的不同，所以使用的优化 方法也有差异。到目前为止，现有的无功优化方法，大致可以分为运筹学方法和人工智 能方法两类【2 2 】。 ( 一) 运筹学方法 电力系统无功优化运筹学方法是从某个初始点出发，按照一定的轨迹不断改进当前 解，最终收敛于最优解。这类优化方法主要有线性规划法、非线性规划法、二次规划方 法、混合整数规划法及动态规划法等。 线性规划法的数学模型简单，计算速度快，但由于它把系统实际优化模型作了线性 近似处理，使计算结果往往与电力系统实际情况有差异。非线性规划法的数学模型比较 精确地反映了电力系统的实际，计算精度较高，但对不等式约束处理上也有困难。二次 规划方法的目标函数可以较好地适应无功优化目标函数的非线性特征，收敛性及计算速 度比较理想，但是在求临界可行问题时可能导致不收敛。混合整数规划法数学模型也比 较准确地体现了无功优化实际，但求解过程中常常发生振荡发散，求解时间呈维数增加。 动态规划法按时间或空间顺序将问题分解为若干互相联系的阶段，依次对其每一阶段做 出决策，最后获得整个过程的最优解，但随状态变量个数增加出现的“维数灾问题和 5 华北电力大学硕士学位论文 难以构成一个实际问题的动态数学规划模型。 ( 二) 人工智能方法 人工智能包括人工神经网络法、专家系统、模糊优化法和现代启发式搜索算法等。 现代启发式搜索算法中的t a b u 搜索、模拟退火算法、遗传算法等在电力系统无功优化 中的应用己取得了人量的研究成果。 这些方法都有各自的优缺点，人工神经网络法执行速度较快，但在训练过程中很易 陷入局部极小点。模糊优化法计算速度较快，容易在线实现，但对于精确的概念会使问 题复杂化。模拟退火法全局收敛性好，但所需时间过长，且随系统规模扩大及复杂性提 高而增加。遗传算法能以较大概率找到全局最优，但局部搜索能力不强，对大型电力系 统进行优化时需较长时间。禁忌搜索算法收敛较快，局部搜索能力强，但其收敛性和初 值有很大关系。 人们对无功优化做了很多研究，根据不同的环境和要求，提出了各种各样的优化模 型和优化算法，但在实际应用中存在以下问题： ( 1 ) 在实际运行中发现，由于每天安排发电计划时，没有考虑无功的平衡，有时 会导致某一地区的无功电源点缺乏，使得运行电压不能得到保证。 ( 2 ) 现在的电力系统对实时无功优化控制提出的要求较为苛刻，它涉及到实时的 响应速度、起动点的鲁棒性、不可行性的探测和处理、控制变量的平滑有效调节、数据 质量的要求以及外部网络的等值等诸多方面的因素，现有的算法都很难实现在线闭环控 制的要求。 ( 3 ) 无功优化控制还仅局限于地区和省的小范围控制，局限于终端的变电站自动 控制、网调等高层机构，不能很好地利用s c a d a e m s 数据对电压无功进行全局在线协 调控制。 ( 4 ) 动态无功优化中将涉及在高电压环境下进行操作、切换控制设备，如这些情 况出现得很频繁，就会破坏设备的绝缘强度、缩短设备的使用寿命，并形成事故隐患。 ( 5 ) 动态无功优化中引入了负荷变化的影响，由于负荷模型的研究本身是一个难 点，实际上负荷与电压的关系相当密切，而无功优化的结果往往导致部分状态变量逼近 约束边界，负荷与电压的相互作用过程将会产生新的越限。 ( 6 ) 现有的混合算法一般都是对两种算法各自独立求解，其中一方只利用对方的 计算结果，并不直接进入对方的搜索过程，最常见的做法是：一旦遗传算法搜索到优异 的可行解后，马上换用其他的算法求解。这种混合方式对遗传算法本身的性能无任何改 善。 6 华北电力大学硕士学位论文 1 4 负荷预测研究现状： 长期以来，国内外学者对负荷预测的理论和方法做了大量的研究，提出了各种各样 的预测方法，这些方法大致可分为两大类【2 3 1 ：一类是以时间序列法为代表的传统方法， 另一类是以人工神经网络为代表的新型人工智能方法。 传统方法中主要有时间序列法、多元线性回归法及傅立叶展开法等。人工智能方法 中主要有专家系统法、模糊逻辑法、人工神经网络法及小波分析法等。由于电力负荷的 变化有其不确定性，如气候变化、意外事故的发生等对电力负荷造成随机干扰，因此， 每种方法均有一定的适应场合，并需要不断的完善。 其他一些预测方法除了以上几种方法外，常用的负荷预测方法还有：灰色预测法、 数据挖掘技术、卡尔曼滤波法、模糊预侧法、遗传算法、组合预测方法等。但是这些方 法都各有自己的局限性，如模糊预测法的学习能力较弱，当其映射区域划分不够细时， 映射输出比较粗糙等。线性外推法和时间序列法多为线性模型，不足以准确描述电力系 统负荷变化的非线性特性。人工神经网络( 触州) 具有较强的鲁棒性、记忆能力、非线性 映射能力以及自学习能力，能够迅速地拟合出负荷变化。然而人工神经网络存在着收敛 速度慢和容易陷入局部收敛等缺点，且建模复杂，不容易实现【2 4 1 。 影响电力系统负荷预测的因素众多、预测指标各异、变化趋势随机性强，因此难以 确定统一的数学模型。迄今为止，还没有一种适用于不同条件的通用方法。近年来人们 尝试综合各种预测技术以改善预测精度，研究的关键在于如何根据预测地区的负荷特性 及负荷构成来选择综合哪几种预测方法。 1 5 本文的主要工作 在二级电压控制中引入超短期负荷预测，如图卜1 所示在二级电压控制系统接收区 域内各种无功电压控制设备的状态信息和经过一系列处理的超短期负荷预测值，通过分 析并优化区域内的无功，向一级电压控制设备提供整定值，区域内的无功控制设备依据 此整定值进行动作，使得节点电压维持在设定值并使无功至优化状态。由于在二级电压 控制中引入了超短期负荷预测，可以根据负荷变化提前进行无功潮流的调整，消除负荷 变化对电力系统安全运行的负面影响，能够使控制后的无功变量与负荷的变化基本同步 进行。依据对基本原理的阐述，本文的主要工作为： ( 1 ) 本文主要对二级电压控制策略进行研究，无功优化时选用牛顿法，使其受控 区域的无功电压至优化状态； ( 2 ) 对负荷求导法进行深入的研究，并将其应用在超短期负荷预测中； ( 3 ) 对超短期负荷预测在潮流计算中的应用进行改进，使负荷变化的实际状况能 够体现在潮流计算中的各个节点上； 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 用m a t l a b 软件作为平台对i e e e l 4 、3 0 、5 7 节点测试系统和保定电网进行 仿真、验证。 图卜1 基本原理框图 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1 二级电压控制 第二章二级电压控制策略的研究 电压崩溃的基本原因是由于电网中某些地区无功功率不足，造成局部电压下降，进 而导致全网电压水平下降，最终使系统发生电压崩溃。地区无功功率不足产生的原因来 自两方面：一是整个系统无功储备不足；二是系统其他地区尚有较多的无功储备，但是 没有利用上。第一种情况需要通过增加系统的无功储备来解决，而第二种情况则需要对 系统的无功流动进行合理的协调与分配。在此认识的基础上，产生了对电力系统采取分 级电压控制的思想【2 5 1 。 电压分级控制方案包括三个层次。三级电压控制是其中的最高层，它以全系统的经 济运行为优化目标，并考虑稳定性指标，其控制时间常数一般为十几分钟到几小时。二 级电压控制接受三级电压控制的控制信号，保证先导节点的电压幅值在设定值附近。如 果先导节点的电压幅值发生偏差，二级电压控制器则按照预定的控制规律改变一级电压 控制器的设定参考值，其控制的时间常数约为几十秒到几分钟。一级电压控制器根据二 级电压控制器的控制信号调节系统所需的无功支持，从而维持系统电压的稳定性。显然， 在电压分级控制系统中，每一层都有其各自的控制目标，低层控制接受上层的控制信号 作为自己的控制目标，并向下一层发出控制信号。 二级电压控制是连接其他两个层次的关键环节，它能够从区域电压稳定的角度出 发，合理、协调地分配区域内各电压无功支持源的无功功率，突破了只根据本机附近 信息进行电压控制所固有的分散性和局部性，充分利用区域的无功储备，在一定程度上 能够改善区域的电压水平和提高系统的电压稳定性【2 6 1 。二级电压控制已经进行了较多的 研究和实践，是一种可行的、比较成熟的电压稳定综合控制技术。 2 1 1 二级电压控制原理 二级电压控制的主要目标是以某种协调方式重新设置区域内各自无功电压调节器 ( 一级电压控制) 的参考值或设定值，以达到系统范围内的良好运行性能。它首先将整个 电力系统分成若干控制区域，在每个控制区域中选出其最关键的对区域内其它节点有重 要影响的电压母线为“先导节点”，并根据先导节点的电压偏差，按照某种预定的控制 方式协调、有效地调整区域内各控制发电机的a v r 的参考电压设定值或其它无功源的 设定值，从而使先导节点的电压基本保持不变，进而维持整个区域的电压水平，并使无 功分布在一个良好的状态。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 二级电压控制策略 目前关于二级电压控制规律的实现方法，主要可分为两大类：一是在线寻优计算； 二是动态控制器实现。 ( 1 ) 在线寻优计算确定二级电压控制规律。这种方法是根据既定的优化目标，在系 统运行过程中，通过在线寻优计算，确定出对一级电压控制器的参考设定值的调整量。 本文采用的就是在线寻优计算即通过无功优化计算调节各无功电压控制器的整定值控 制受控区域的无功电压至优化状态。 ( 2 ) 二级电压控制器。根据二级电压控制器的运行原理，可以设计如图2 1 所示的二 图2 1 二级电压控制器图 对一个区域的无功电压控制来说，需要协调的最关键变量就是可控发电机的无功出 力调节j 所以二级电压控制器的设计也就主要考虑可控发电机的无功出力，并未考虑变 电站内的电容器等其他无功补偿设备。无功功率的大小应根据各控制发电机的无功裕量 大小( 即参与因子) 进行分配。参与因子为： 驴鹅 协。 鳃是控制发电机上限或下限值，q g 为实际发出无功值。q ；按照无功裕量的比例在各 控制发电机之间分配，若某控制发电机发出的无功已达到上、下限，计算其它控制发电 机的参与因子时应排除无功越限的控制发电机；同时这个控制发电机的参与因子变为： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 纵= l 赡一磁l ( 2 2 ) 这样处理以后，无功功率已越限的控制发电机接收到限制无功出力的信号，可将其 无功拉回至极限值附近。而且区域无功信号在无功没有越限的控制发电机之间重新分 配，为系统提供所需的无功支持。 考虑到在地区电网中主要由变电站等直接控制无功，由此本文将采用第一种二级电 压控制策略一在线寻优计算。 2 2 地区电网无功优化 二级电压控制策略的研究中其中重要的一点就是在正常情况下通过调节各无功电 压控制器的整定值，使控制受控区域的无功电压至优化状态。即对区域内的无功设备进 行优化运行。早期国内的无功补偿一般是通过s c a d a 系统或综合自动化系统在调度中 心利用遥控、遥调方式对远端装置进行控制。依据是历史专家经验，或传统九区图。这 种控制在准确性上难以满足要求，无法防止控制振荡，而且在没有无功补偿装置或补偿 容量不足的地方就无法实现或达到无功优化控制的目标。 随着变电站综合自动化的发展，变电站电压无功综合控制q c ) 已成了它的重要组 成部分，它的目标是实现变电站的无功就地平衡和保证电压质量。这种无功补偿方式虽 然可以满足本地的无功需要，也可以防止投切震荡，但是控制范围小，各自为政，无法 使系统运行在全局最优。电力系统的无功优化问题属于最优潮流的一个组成部分，是一 个动态、多目标、多约束、不确定性的非线性混合规划问题，涉及到无功补偿容量的确 定、变压器分接头的调节和发电机机端电压的配合等方面。由于控制变量和状态变量多 为离散变量，比较抽象，因而是电力系统分析中的一个难点。在以往的研究中，无功优 化主要集中在对非线性函数的处理、算法的收敛性和如何解决优化过程中的离散变量三 方面。随着电力系统的发展，无功优化问题逐渐涉及到系统运行的各个领域，对无功优 化方案及控制手段的要求也越来越高，迫切需要对已有的无功优化算法进行优化、改进 和拓展。概括起来，电力系统无功优化的目的主要有以下几点【2 7 】： 1 、改善电力系统的运行状况，提高系统的稳定性和安全性； 2 、合理分配无功，改善电力系统电压水平，保证电能质量； 3 、减少电能损耗，特别是有功损耗，以节约系统运行费用。 无功优化的基本思路是：在电力系统有功潮流调度已经给定的情况下，以发电机的 无功出力和电压幅值、无功补偿装置的无功补偿容量、有载调压变压器变比作为控制变 量，以发电机无功出力、负荷节点电压作为状态变量，应用优化技术，在满足电力系统 无功负荷的要求下，寻求合理的无功补偿点和最佳无功补偿容量，保证电网能够安全、 优质、经济运行。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 无功补偿设备 电力系统常用的无功功率补偿设备，有：同步调相机、电力电容器、并联电抗器、 静止无功补偿器、静止调相机等【2 8 】。 同步调相机 同步调相机相当于空载运行的同步电动机：在过励磁运行时，向系统供给感性无功 功率，起到了无功电源的作用；在欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，起到了无 功负荷的作用对于装有自动励磁调节装置的同步调相机，在端电压波动时可以平滑的自 动调节无功功率的输出( 或吸收) ，从而维持电压，提高系统运行的稳定性。但是同步调 相机投资大，功率损耗大，由于时旋转机械，运行维护比较复杂。 电力电容器 电力电容器又称移项电容器，因常并联于6 3 、1 0 5 、2 2 或3 5 k v 母线上，也称并联 电容器。它的单位容量费用低，有功功率损耗最小，运行维护简便，可以分散安装各地， 实现无功的就地补偿，但是它的电压调节效应差，不能连续调节无功，也不能吸收滞后 的无功功率。并联电容器供给的无功功率q c 。其值与所在节点电压u 的平方成正比， 即q c = u 2 鼍。由此可见当节点电压下降时，电容器供给系统的无功功率将随之减少， 当系统发生故障或由于其他原因导致电压下降，迫切需要电容器输出的无功增加以维持 节点电压时，电容器输出的无功反而减少，这将使电网电压下降的更为迅速，所以电容 器对系统无功调节性能较差。 静止补偿器 静止补偿器全称为静止无功功率补偿器( s v c ) ，由可控电抗器和电容器组并联组 成，目前常用的有晶闸管控制电抗器型( t c r 型) 、晶闸管开关电容器型( t s c 型) 和饱和 电抗器型( s r 型) 三种。 t c r 型补偿器由t c r 和若干组不可控的电容器组成。与电容c 串联的电感三，则与其 构成串联谐振回路，兼作高次谐波的滤波器，仅有t c r 时，补偿器的基波电流值取决于 晶闸管的触发角，而后者又取决于设定的控制规律和系统的运行状况等。仅有电容器时， 补偿器的电流随端电压增大而增大。t s c 型补偿器的工作原理最简单，其实就是以晶闸 管开关取代常规电容器所配置的机械式开关。其电流正比于其端电压和投入电容器的组 数n ，s r 型补偿器中的滤波回路与t c r 型补偿器的相似。与饱和电抗器串联的电容c 二。用 以校正饱和电抗器伏安特性的斜率。 不论何种类型的s v c ，之所以能作为无功源提供无功，都依靠补偿器中的电容器， 而电容器所产生的感性无功功率与其端电压的平方成正比，因此s v c 具有同并联电容器 一样作为无源元件所无法克服的缺陷：当系统电压过低，急需补偿量增大时，补偿器却 1 2 华北电力大学硕士学位论文 无法满足要求。 静止调相机( s t a t i o n ) 静止调相机其实相当于半个综合潮流控制器，以电容器为电压源，通过可关断晶闸 管g t o 和二极管d 组成的换流器控制其交流侧电压眈使之与系统电压u 。同相位，则当 虬 肛时，调相机将向系统输出感性无功功率；反之q 叽肛时，将由系统输入无 功。比较重要的是，由于换流器交流侧电压眈完全可控，不存在静止补偿器因端电压 取决于系统电压而带来的缺陷。 无功功率发生器( s t 撕cv a rg e i l e r a t o r - s v g ) 又称静止无功补偿器，主要由一个可关断晶闸管组成的三项逆变器装置构成，其输 入来自一组储能电容器上的直流电压，其输出的三相交流电压与电力系统电压同步，改 变逆变器的输出电压就可以改变静止无功发生器输出无功的大小与极性。 从理论上讲，通过电网调度中心实施全网电压、无功综合控制是最合理的方法，但 限于我国目前电力系统的自动化水平，实现全系统的电压、无功控制困难较大，目前主 要是以变电站为单位自动调节电压和无功功率就地平衡。 2 2 2 二级电压控制下的无功优化数学模型 无功优化问题是指在网络结构和参数及负荷给定的条件下，在满足各种约束条件的 情况下，确定系统的控制变量的取值，使描述系统运行效益的某一目标函数取得极值。 最优潮流是最优化原理在动力系统中的运用，具有统筹兼顾、全面规划的特点，不但考 虑有功负荷，而且考虑无功负荷的最优分配，不但考虑电源有功上下限，还考虑无功上 下限，各节点电压上下限等，可以将可靠性运行和最优经济运行统一用数学模型表述， 从而把经济调度和安全监控结合起来。在满足运行条件约束下，根据优化侧重点的不同， 优化的目标函数也不尽相同。无功优化问题的目标可以从安全性和经济性的角度加以考 虑。通常有以下几种目标函数【2 9 1 ： 1 、以各节点电压幅值与各节点额定电压幅值之差的平方和最小为目标函数，目的 是让各节点电压尽量运行于额定值附近，使系统运行更加稳定； 2 、在满足各种运行约束的条件下，以系统有功损耗最小为目标函数； 3 、以无功补偿设备投资最小为目标函数； 4 、以变压器分接头和电容器投切次数最少为目标函数； 5 、综合考虑以上几种目标的多目标无功优化等。 约束条件包括等约束条件和不等约束条件，等约束条件是指潮流方程，不等约束条 件通常包括： 1 、控制变量约束，如发电机输出有功、机端电压上下限约束，变压器变比上下限 华北电力大学硕士学位论文 约束等； 2 、状态变量约束，如负荷节点电压幅值上下限约束等； 3 、各种函数形式的不等约束，如线路传输功率约束，发电机无功输出上下限约束 在蟹 号手。 最优潮流问题是一个具有复杂约束的非线性优化问题。无功优化是最优潮流计算中 的一项重要内容，实现无功优化与控制，可以改善电压分布、减少网损。本文无功优化 采用的目标是系统总的有功损耗最小，无功优化模型的变量分为控制变量和状态变量， 其中控制变量包括p y 节点发电机机端电压，状态变量包括明节点电压l 和发电机的 无功出力鲸等。同时应满足潮流方程的等式约束，控制变量的上、下限约束，母线电 压的上、下限约束等。其数学模型的表达式如下【3 0 】： 、目标函数： m i n 兄= g ，( 2 + 吁一2 形岛) ( 2 3 ) ! _ j e 、等式约束 节点有功功率约束： 衅= 尼，一岛一厂巧( 岛c o s 岛+ 岛s i l l 岛) = o f = 1 ，2 ，一1 ( 2 4 ) ，d 节点无功功率约束： q ，= q g ；一q 。，一e 巧( g i c o s 吒一曰 s i n 够) = o ( 2 5 ) j e i f = 1 ，2 ，一1 一，矿 、不等式约束 艘节点电压安全约束： 矿f 。i n矿iyfm 。；f 一p y 一y 口) 发电机节点无功出力约束： qg f 。i n qg f qg f 。a xf p y ，y 占) 可投切无功补偿装置投切容量约束： qc f mi 。 qc f qc f 。a 。i c 有载可调变压器变比约束： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 l 。i 。 t 正。xf 坼 p v 节点发电机机端电压约吏： f 曲 f f m 。 f p ， 其中：昱一电网有功损耗； 一系统节点集； 坼一有载可调变压器集； p ，一p y 节点集； c 可投切无功补偿装置节点集； m 口一平衡节点； 圪、如一节点f 上所带发电机发出的有功功率和无功功率； 、鳊；一节点f 上所带负荷吸收的有功功率和无功功率； 岛一节点f 电压和节点歹电压的相位角之差； q 、b ，节点导纳矩阵中元素的实部和虚部； k 、巧一、形血一尸q 节点f 的电压幅值、电压幅值上限和下限； 鲰、玩一、鲰二一发电机节点f 发电机无功出力、无功出力上限和下限； 如、q c f 一、如血无功补偿装置节点琏殳切容量、投切容量上限和下限； 正、l 一、互m i n 一有载可调变压器f 变比、变比上限和下限； 、圪一、曲一尸矿节点发电机机端电压幅值、电压幅值上限和下限。 2 2 3 牛顿法 1 9 8 4 年d i s u n 及b u r c h e t t 成功地将牛顿法用于优化潮流计算。为保持牛顿法中 海森矩阵的稀疏性，牛顿法一般不区分控制变量和状态变量，在全空间进行优化。估计 起作用的不等约束集是牛顿法的关键，在迭代的过程中要不断调整起作用的不等约束 集，发生越界的不等约束要强制在界上，不等约束越界解除时，要将被强制在界上的不 等约束释放，因此计算量很大。为缓解这一频繁调整，可以进行试迭代，用线性化的方 1 5 华北电力大学硕士学位论文 法估计可能发生的越界，确定起作用的不等约束集，减少主迭代次数，提高算法收敛性。 用牛顿法求解最优潮流的思想，就是基于非线性规划法的拉格朗日乘数法，利用目标函 数二阶导数组成的海森矩阵与网络潮流方程一阶导数组成的雅可比矩阵来求解。对控制 变量和状态变量不作划分，把各种变量与拉格朗日乘子穿插排序，统一修正。 其数学模型为【3 l 】： ( 2 6 ) 其中，其中“为控制变量列向量，x 状态变量列向量，g 为系统的潮流方程列向量，j j l 为 不等式约束列向量。 将不等式约束通过惩罚函数引入目标函数中，构成如下扩展目标函数： m 厂他功= 地力+ 酗 m 啦o ，趣“瑚) 2 = ( 2 7 ) = 他力+ 脚，力 j 为不等式约束数，咀是罚因子，罚因子总为正数。惩罚函数法实际上是外点法，也就 是当约束条件被破坏时实施的一种惩罚，通过这种惩罚，最终使约束条件得到满足，罚 因子哆越大，惩罚作用越明显。m 驭 o ，噍( “，x ) 取值为： m a x c 。，五； 、z ，= 乃；。：，x ， ( 2 8 ) 不越界时为o ，越界时为j z f ( “，功再将等式约束通过拉格朗日乘子，( 4 ) 式继续扩展为： 可得最优条件如下： 工( “，x ，允) = 厂( “，功+ 旯r g ( “，曲 ( 2 9 ) 丝；望+ f 塑1 1 五+ 盟：o ( 2 - 1 0 ) a 工 a x a x a 工 丝= 笪+ f ，塑、2 名+ 堡：o a “a “ ka “， a “ 筹- g ( ) _ o 1 6 ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) 、)i， o 0 砖= 一 功力 y _ ，l b ，m m 马上 蟊盯 华北电力大学硕士学位论文 令x = g ，工，允) 则上述各式( 2 8 ) 一( 2 一1 0 ) 变为： 丝：o( 2 1 3 ) 似 他) = 罢= o ( 2 _ 1 4 ) 设x 。为该方程式的初值，真正解石在它的近旁x = x 仃一赵。 式中战为初值五的修正量。如果求得城，就可得到真正解x 。因此将下式 按泰勒级数展开： 厂( x 。一x 。) = o ( 2 1 5 ) 肥侧刊- ( 五脚他) 咩 ( 2 - 1 6 ) + ( _ 矿尸( 五) 咩。 当峨很小时，式中的二次和更高阶次项都可以略去不计。因此，式( 2 1 6 ) 可以简化 为： 厂( 五) 一厂( 五) 缄= o 用它可以得到xo 。用石。对x 。修正得x l ： x 1 = x o 一x o 判断厂( x 。) 一oo 如果成立则为正解，否则继续跌代： 厂( x 。一x ，) = o 直到厂( x ，) 。o 此时五就为方程的解。 1 7 ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 牛顿法的优化潮流计算框图 1 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3 超短期负荷预测 随着我国