（电力电子与电力传动专业论文）配电网电能质量监测点优化选址的研究.pdf

r e s e a r c ho no p t i m a lc o n f i g u r i n go fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r si n d i s t r i b u t i o nn e t w o r k s h e nh u a ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gy a n - s o n g a b s t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yh a sg r e a t l yp r o m o t e dt h ec o n s t r u c t i o nc a u s e o fp o w e rs y s t e mi no u rc o u n t r y w i t ht h ei n c r e a s i n gg r a n d n e s so fp o w e rs y s t e ms c a l e ，i t s v e r ys i g n i f i c a n t t or e a l i z ec o m p r e h e n s i v e ，r e l i a b l e ，d y n a m i ca n dr e a l t i m em o n i t o r i n go f p o w e r 面dt oe n s u r et h es t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fp o w e rs y s t e m a tp r e s e n t ，t h es u b j e c t i v e m o n i t o r i n gm e a n s ，w i t hav i e wt os t e a d ya n dp a r t i a ls u p e r v i s i o n , a r eu n a b l et op e r f o r m s y n c h r o n o u sm e a s u r e m e n tw o r ko ft h ew h o l ep o w e r 鲥d ，s ot h e r ei s l a c ko fe f f e c t i v e m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tp l a t f o r mf o ro p e r a t i o nd i s p a t c h i n go fs y s t e m t h i sp a p e r e m p h a t i c a l l ys t u d i e so p t i m a lc o n f i g u r i n go fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r s ，w h i c hi m p l e m e n t s o p t i m u mn u m b e ra n dl o c a t i o no fm o n i t o r sb yc e r t a i no p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，i no r d e rt o e s t a b l i s hag o o df o u n d a t i o nf o rw i d ea r e ao n l i n em e a s u r e m e n ts y s t e m t h em a i nr e s e a r c hm e t h o d so fo p t i m a la l l o c a t i o no fm o n i t o r sa r es u m m a r i z e di nt h i s p a p e r o nt h eb a s i so ft h i s ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a lc o n d i t i o n so fo u re c o n o m i cl e v e la n d t e c h n i c a ld i f f i c u l t y , t w oh i e r a r c h yo fo p t i m a lc o n f i g u r a t i o ni sf i r s tp r o p o s e dt h r o u g hd e e p a n a l y s i s ，i n c l u d i n gn og i v e na n dg i v e nc o n f i g u r a t i o nq u a n t i t yo fp m u ，o f w h i c ho p t i m i z a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r af p d c m a g aa l g o r i t h mu s e dt os o l v e m a t h e m a t i c a lm o d e l si sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e sf p d cs t r a t e g ya n dm o d i f i e da d a p t e d g e n e t i ca l g o r i t h m a n dc o n c e p to f 酉o b a lc r i t i c a lc o n f i g u r a t i o n ，l e s sc o n f i g u r a t i o na n do v e r c o n f i g u r a t i o ni sf i r s tp r o p o s e di nt h i sp a p e r o p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo fe a c hh i e r a r c h i c a lc o n f i g u r a t i o ni sa n a l y z e dm a i n l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n f o rt h ef i r s t - h i e r a r c h yo p t i m a lc o n f i g u r a t i o n ，t h er e l a t e dm a t h e m a t i c a lt h e o r i e s a n dc o n f i g u r a t i o np r i n c i p l e sa r ed e s c r i b e d b a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e la n df p d c - m a g a a l g o r i t h m ，t h eo p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o na l g o r i t h ma n dc o r r e s p o n d i n gf l o wc h a r tw i t h o u t g i v e ni n s t a l l a t i o nq u a n t i t yo fp m u a r es h o w ni nt h i sp a p e r f o rt h es e c o n d - h i e r a r c h yo p t i m a l c o n f i g u r a t i o n , t h ej u d g i n gb a s i so fo p t i m u mc o n f i g u r a t i o ni sa n a l y z e d ，a n dr e f e r r i n g t og l o b a l c r i t i c a lc o n f i g u r a t i o n , t h i sp a p e rs t u d i e st h eo p t i m i z a t i o nc o n f i g u r a t i o nw i t hg i v e ni n s t a l l a t i o n q u a n t i t yo fp m u f r o mt w oa s p e c t ss u c ha sl e s s c o n f i g u r a t i o na n do v e r - c o n f i g u r a t i o n t a k et h ei e e e37 一n o d es y s t e ma st h ee x a m p l e ，i nt h el i g h to fo p t i m a lc o n f i g u r a t i o n a l g o r i t h mf l o wo fp o w e rq u a l i t ym o n i t o r sa sp r o p o s e d ，t h i sa r t i c l eh a sr e s p e c f i y e l yc o n f i r m e d t h e e f f e c t i v e n e s so ft w oh i e r a r c h i c a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m st h r o u g hc o m p i l ep r o g r a m ， a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h er e s u l t so b t a i n e db yp r o g r a mo p e r a t i o n ，i no r d e rt of u r t h e ra s s e s s t h ef e a s i b i l i t yo f o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sm e a s u r e m e n t ；p m u ；o p t i m a lc o n f i g u r i n go fm o n i t o r s ；t w o h i e r a r c h i e s ；g l o b a lc r i t i c a lc o n f i g u r a t i o n ；l e s s c o n f i g u r a t i o n ；o v e r - c o n f i g u r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：日期：刎厶年月多日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f - i ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：趵厉年月乡日 日期：劲厉年月多日日期：劲知年多月罗日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着经济战略步伐的逐步加快以及对电力需求量的快速增长，我国电力系统的规模 随之扩展壮大，使得区域联网、跨区供电的力度不断加大【卜2 1 。原油、煤炭、钢铁等矿 产物资开发程度的逐步加深，使得我国电网的规模日益扩大，所带负载类型以及相应的 负荷与日俱增。电力系统拓扑结构和用户负荷结构趋于多元化的运行形势，由此造成了 越来越多的电能质量问题，同时，电力市场化运作促使电网提供更高标准的供电质量， 这就要求电力系统可靠、稳定、优质地运行【3 训。 油田、工业等产业领域大量引进并投入如变频器、工业用电弧、化工厂用硅整流、 各类节能柜等非线性装置，以提高生产作业效率，稳定其生产量和市场效益。然而大量 的非线性设备接入电网，使得系统的电流和电压偏离理想状态而发生畸变。同时，电网 中的变压器和电机容量逐渐增大，致使系统中的谐波污染问题日益明显，已成为当前电 网中普遍存在的问题【5 1 。谐波会对电网、系统设备以及用户设备产生严重危害，例如谐 波会导致系统发生谐振，出现过电压和过电流现象，严重威胁着电力线路、设备等的绝 缘水平及其使用寿命；谐波会造成系统的网损加大，效率降低；谐波还会对电力系统继 电保护、自动装置等产生干扰，致使其发生误动作等等。 自上个世纪六十年代以来，包括美国、加拿大、东南亚、欧洲等在内的全世界范围 内，已发生多起大规模停电事故【6 8 】，我国于2 0 0 6 年也曾出现华中电网由于二次设备故 障造成的大范围事故，给国家和社会日常的生产生活带来了巨大的经济损失和不便，谐 波等电能质量问题对电网安全运行构成一定程度上的潜在危害，已经引起人们的广泛关 注，同时，促进了电力系统自动化调度等方面的蓬勃发展【9 。1 们。世界各国电力工作者对 此高度重视，深刻意识到保证电力系统供电质量的重要性和紧迫性，激发了他们对电网 防御安全等相关问题的研究。而目前我国虽然部分变电站已经安装有s c a d a e m s 为 代表的数据采集与调度监测系统，并实现了微机综合自动化保护，但对于电网运行调度 来说，仍缺乏行之有效的运行监测管理手段【l l 】，因此，有关电力系统监测技术及监测系 统的研究成为电力行业近年来重要的发展方向【1 2 】。鉴于此，为更进一步加强对电网的动 态监测和分析能力，有必要构建现代化的电力系统动态监测系统，以便能快速、准确而 全面地掌握电网运行状态，并进行系统运行趋势的分析预测，为安全调度、稳定控制等 第1 章绪论 提供有力的数据支撑【1 3 】。 近年来，全球定位系统( g p s ) 的民用化为电力系统的运行、控制和系统分析等领 域提供了新的研究途径，其具备精准的时间传递功能和极低的计时偏差等优势，因而得 到了电力系统相关研究人员的青睐。为了完善电力系统的电能质量监测管理体系，人们 将g p s 技术引入到相量测量技术、电力系统监测等领域中来，研究并开发了基于g p s 的同步相量量测( p m u ) 技术【1 4 】，并提出了一种由p m u 组成的广域电网量测系统【1 5 舶】。 计算机技术、通信网络和数字信号处理等领域的急速发展，为p m u 技术以及相应的 同步相量量测系统的应用和普及奠定了基础，同步相量测量单元能够借助g p s 手段实现 对电网多个不同节点运行参数的同步测量【1 7 】，不但弥补了长期沿用的故障暂态录波系统 以及e m s 稳态系统的不足，也为电力系统在线监测、动态安全和控制提供数据来源【1 8 】。 有利于提高电力系统的动态安全监控水平，保证电网的供电安全性。 由于我国互联电网铺设地域广及构架复杂等现状，要建立基于p m u 的电网动态量测 系统，有必要研究关于p m u 的量测优化配置问题，以实现广域范围内的量测点优化，对 量测系统的构建，有着重要的理论价值和指导作用。 1 2 问题的提出及研究意义 对于电力系统分析与控制来说，快速准确地对电力系统故障进行判断，同时分析评 估其发展动态，并据此采取有效的控制策略来维护电网正常运行，显得尤为重要。而基 于同步相量量测技术，探讨量测点优化配置以及以p m u 为基础的电网量测系统等有关方 面，成为电力系统中具有活力与前景的研究方向1 9 之o 】。 目前使用的主要监测手段着眼于系统的电磁暂态和静态过程，且大多停留在相对集 中监测的阶段，所提取的数据信息带有局部性；针对不同节点的测量，缺乏统一的基准 时间标记，难以用于对全网动态行为的监控与分析，显然不利于电网的长期运行监测和 日常维护管理等工作【2 1 1 。针对以上缺陷，经过大量的理论探索发现，借助p m u 的同步测 量特性，通过量测装置安装数量及其位置的优化可完成电力系统的实时同步监测功能， 有助于更好地全面把握和掌控电网的运行状态。 如果在系统中所有的节点都安装p m u 量测装置，则各母线的相量状态均可通过直 接测量得到，这种情况下，不需要任何多余的算法求解，便可达到整个网络的完全测量 能力。但受到经济和技术等诸多因素的限制，目前乃至相当长一段时间内，不可能也不 必为系统的所有节点都装设量测装置，而且还会大大增加一次性的投资费用。有关研究 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 结果表明，只要采用一定的优化算法合理地选取系统中部分节点进行p m u 配置，在此 基础上，通过直接量测和间接计算即可获得系统所有节点的相量状态，即使存在一定量 的数据精度误差，依然能够满足量测要求，从而保证量测系统对整个电网的全局可观测 水平【2 2 1 。 由此可知，p m u 量测优化配置是关键技术，在电力系统分析与控制领域中拥有不 可替代的地位。同步相量量测技术及以此为基础的的电力系统广域量测系统w a m s 称 为电力系统三大前沿课题之一【2 3 1 ，w a m s 能够实时同步地量测广域电网的运行状态， 为电网的稳定性监控提供坚实的后盾 2 4 1 。因此，p m u 有着广泛的市场需求空间，针对 p m u 量测优化配置问题展开研究，对于电力系统的可持续良性发展来说，具有重要的 经济价值和研究意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1同步相量量测技术 同步相量量测技术涉及到g p s 同步时钟、同步相量量测、网络通信、数据分析以及 技术应用等多个方面，利用g p s 系统的精确授时信号，实施高精度、低偏差的同步数据 采集，对广域分布的电力系统各节点运行参数进行全面的实时动态测量【2 5 五6 】，借助电力 通信网络将分散的节点量测数据集中传输到同一数据平台，为后续系统的监测分析和稳 定控制提供重要依据。 对于电能质量监测来说，重点任务侧重于实时测量发电机功角和系统各母线的电压 相量状态，其中，关于相量幅值的量测相对来说较容易，而对相角的量测是基于相对角 度进行的，所以包括发电机功角和各节点相角在内的测量存在一定的难度，可见，要想 较为准确地测量出系统中各节点的相量角度，需要赋予各量测点以高精度的同步时钟信 号。以工频5 0 h z 相量量测为例，如果电网中不同的两个量测点对应的量测数据时间标签 相差0 1 m s ，即存在不同步量测，那么它们的相角测量结果之间存在( o 1 x 3 6 0 。) 2 0 = 1 8 。 的误差，由于量测系统本身存在着数据计算舍入偏差、间接计算等误差叠加效应，使得 电网其余节点的量测结果之间出现更大的相位偏差。 传统的电力系统监测管理体系所采用的时钟同步方法主要有主站广播对时、补偿、 以参考相量为基础的同步、时钟校正、数据校正等等【2 7 1 ，明显存在着同步精度较低的缺 陷，直到时钟精度低于1 u s 的g p s 卫星授时技术的出现，同步相量量测技术才得到了真 3 第1 章绪论 正的用武之地。为了规范同步相量量测技术有关的研究、开发及应用等工作，i e e e 提出 并制定相应的标准2 8 】：于2 0 0 3 年，国家电力调度通信中心也相继出台了“电力系统实时 动态监测系统技术规范 。二十多年来，基于g p s 的电力系统同步相量测量技术取得了 长足的进步和发展。 于上个世纪八十年代，关于同步相量测量技术的研究首先起步于美引2 9 1 ，从1 9 8 2 年开始的5 年时间里，同步相量测量技术一直处在概念理论阶段，然后在经过了七年的 p m u 装置试验和试运行之后，直至u 1 9 9 2 年有关的工业化产品才得以面。9 0 年代之后，西 方国家逐步将同步相量量测技术运用到电力系统动态监测方面【3 0 1 ，p h a d k e a g 、k e m a r t i n 等人相继研究了有关的同步量测、网络通信接口等标准工作【3 1 1 。1 9 9 3 年以来，美 国e p r i 研究院联合w s c c 委员会在北美西部地区安装试验同步相量测量装置，并调试数 据测量、实时传输和分析处理等环节，到目前为止已基本完成了基于p m u 装置的广域测 量体系，实践证明，量测系统性能表现出色，尤其在美国1 9 9 6 年发生的两次大范围停电 事故中记录了全面准确的暂态数据；1 9 9 7 年，法国电力公司组建以p m u 为基础的安全防 御协调控制体系【3 2 】；西班牙在美国公司的协助之下，把同步量测数据传输至i j s c a d a d ? ， 以对电力系统状态估计结果进行修正；加拿大某水电局将同步相量量测技术引入到串补 网络中，拓展了p m u 的应用范畴。北欧电力系统、英国部分电网、澳大利亚、日本等地 区均实现了同步量测系统的投入运行。 1 9 9 4 年起【3 3 1 ，我国电科院、清华大学、华电、华科大、西交、科汇、四方、南瑞等 相关机构和个人陆续开始了这方面的研究，郝玉山等人首次于1 9 9 5 年研究开发了基于 g p s 技术的p m u 装置，于1 9 9 6 年顺利通过了专家审核，他们还针对同步相量量测、数据 通讯等相关的理论进行了系列的探究，并获得了相应的国家专利，同时，通过与河北 省电力公司共同努力，推动了同步相量量测技术的成熟；同年，清华大学借助动模实验 室对p m u 装置进行了试验，证明理想状态下相角测量误差小于0 1 0 ，并与黑龙江电力公 司合作配置了同步量测系统【3 4 】，解决了省东部电力系统的窝电问题；电科院向南网5 0 0 k v 系统引进了台湾欧华公司生产的a d x 3 0 0 0 型号稳定监录装置，目前已推广应用到西 北、华中、华东、冀、川、闽等电网中；2 0 0 2 年，四方北京有限公司和清华大学根据i e e e 1 3 4 4 ，共同研发了我国第一套拥有自主产权的w a m s ，且o c s s 一2 0 0 系列监测系统；2 0 0 3 年，河南省网调度中心与河海大学合作开发基于g p s 的p m u 项目，构建了覆盖河南省全 网的w a m s 3 5 】。我国已在华北地区、东北地区、江苏省、南方、三峡地区以及全国联网 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 工程等区域电网部分或全部实现了p m u 的配置阶段，正逐渐走向全面的同步量测体系规 模【3 6 1 。 1 3 2p m u 最优配置 p m u 以其实时同步量测的优势电力系统诸多方面占有广阔的发展空间，然而在当 前经济技术资源有限的前提下，无法做到在系统全部的母线上均配置p m u ，因此，近 期甚至较长一段时期内，关于p m u 的优化配置是必须要考虑的一个问题。量测点优化 配置就是根据电网拓扑结构，通过优化算法来确定安装p m u 的节点，以达到在保证量 测系统全局可观测的同时，使得配置的p m u 数量最少，即投资费用最低。可看出，p m u 优化配置是属于高维非线性组合优化数学问题的范畴，采用常规优化方法难以对其进行 求解，故国内外大多数研究者们针对量测点配置最优化求解问题，着重于选择智能优化 方法、启发式搜索算法等，并取得了大量相应的研究成果。 p m u 优化配置方法的研究大多围绕着电力系统稳态分析及相关计算等方面，如保证 量测系统全局可观测能力、完善电力系统状态估计结果的精度、保证电网的同调特征、 求解电力系统的潮流方程等。文献 3 7 1 建立了考虑p m u 安装数量最少和测量系统可观测 冗余度最高的多目标数学优化模型，利用遗传算法g a 寻找p a r e t o 最优解；文献 3 8 针对p m u 优化问题提出了m a g a 算法，引进了衰减因子，提高了算法全局寻优能力；文 献 3 9 将非支配排序遗传算法n s g a 应用于量测配置问题，按支配与非支配方式对系统 所有节点进行分类排序，赋给同级的节点相同的虚拟适应值，以保证他们被复制的机率 均等； 文献 4 0 币f j 用模拟退化算法s a 优化配置p m u ，提出了依次递减p m u 安装数目的优化 算法，不过没有考虑到系统的可观测冗余问题；文献 4 1 根据电网拓扑可观测性以及p m u 趋向于安装在其灵敏度最高的节点，给出了相应的优化模型，采用s a 算法搜索满足经济 函数最小的配置结果；文献 4 2 4 3 分别基于s a 和改进模拟退火m s a 研究了p m u 优化配 置方法。 文献 4 3 介绍了禁忌搜索算法t s 在p m u 优化配置问题中的应用，以此为基础，文献 4 4 对t s 进行了适当的改进，通过简易变化解分量来实施局部搜索，优化过程中p m u 逐 渐配置在具有最大或较大出线度的节点上。还有很多文献阐述了混合优化算法及其在量 测点配置问题中的应用，其中，文献 4 5 提出了将g a 与t s 结合起来的混合算法，用于求 解p m u 量测配置优化问题；文献 4 6 对于以配置p m u 数目最少和量测系统的拓扑可观测 5 第1 章绪论 度最大为目标的量测点优化配置，给出了s a g a 混合优化算法，通过把s a 算子融合到 g a 中实现了二者寻优性能的优势互补。 作为e m s 系统的重要功能，电力系统状态估计技术根据s c a d a 上传的测量数据来 估计系统状态，而s a c d a 本身存在量测精度低、数据不同步等不足，难以支撑状态估 计达到较好的估计效果，因此，在s a c d a 现有的技术资源基础之上，以提高状态估计 精度为宗旨的p m u 最优配置问题，成为重要的研究方向【4 丌。文献 4 8 4 9 】针对电网中重要 的用户负载及其相关联的变电站等区域集中进行p m u 配置，对于系统的其他部分则依赖 s c a d a 系统的量测能力，两者互相配合保障系统的动态安全防御；文献 5 0 】将p m u 安装 在具有较高不平衡度的支路或要求三相平衡度较高的节点，使得p m u 和s c a d a 共同为 状态估计提供量测数据，以处理不平衡引起的估计误差；文献 5 1 1 建立了考虑p m u 量测 数据的状态估计数学模型，为降低估计误差对应的方差，研究能够明显改进估计准确度 的量测点优化配置方案； 文献 5 2 根据e e a c 准则判断可能发生的全部暂态功角失稳模式，在此基础上，采用 同调群的概念界定电网中的发电机节点，然后选取各群中代表性的节点作为量测点配置 p m u ；文献 5 3 1 在文献 5 2 的基础上，通过引入发生故障的几率因素来获取更优的p m u 配置；文献 5 4 利用数据挖掘技术对电力系统进行同调分群，研究相应的优化配置算法； 文献 5 5 】介绍了一种基于电网拓扑构架特性的量测点优化方法，使得不需要任何迭 代计算就可以直接求解得到电力系统潮流方程的结果；文献 5 6 先初始化一套满足潮流 方程可直接求解的优化配置，然后结合节点导纳矩阵建立关于量测点配置优化的评价函 数，再应用g a 进一步优化配置结果；文献 5 7 考虑p m u 量测电流数据，给出了用于直接 求解电力系统潮流的p m u 配置方法，同时借助p s o 算法寻求更优的配置策略。还有一些 文献提到了分阶段配置的优化思剁5 5 9 1 ，在对系统进行初始基本配置的基础上，研究后 续以提高量测系统观测冗余度为目标的动态优化配置。 我国电力系统对继电保护、二次控制等的要求越来越高，实时同步量测系统具有可 观的应用前景，将对电力系统稳控、监测和维护管理等方面起到重要的促进作用唧】。而 我国对于同步相量量测、p m u 等相关理论及一系列应用的研究起步较晚，尚需深入的理 论探讨和方法研究，尤其在p m u 配置优化模型、可观测水平、量测数据冗余以及优化算 法等方面需要较长时间的磨合和完善工作。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 课题的主要工作 本课题通过查阅相关文献资料，综述和分析了当前有关量测点优化配置的研究理论 和方法，并在此基础上，针对电能质量量测点配置优化问题展开深入研究，提出了优化 配置的两大层次算法，即分别对应于不给定p m u 配置数量和给定p m u 配置数量情况 下的优化配置思想，主要工作有： ( 1 ) 概述了g p s 定位系统及其重要的时钟同步功能，介绍了基于g p s 精确授时技 术的同步相量量测终端p m u 及其在电力系统的广泛应用前景，描述了建立在g p s 、p m u 和计算机技术等基础之上的同步量测系统，简要介绍了量测数据的同步性对搭建全方 位、可靠有效的监控管理和防御安全体系的重要性； ( 2 ) 通过查阅文献和充分研究，详细分析了关于量测优化配置问题的数学模型， 包括目标函数和约束条件等。研究了p m u 及其相关的量测量，并以此为基础，阐述了 量测系统的可观测性分析。同时，综述了优化问题的求解方法，包括传统方法和启发式 方法； ( 3 ) 针对本文提出的优化配置第一层次进行研究，即在不考虑p m u 安装数量的情 况下，分析了其量测点优化配置算法，阐述了量测点的配置原则以及有关的数学理论基 础，基于此，建立了相应的配置优化数学模型，通过将f p d c 策略和改进白适应遗传 m a g a 算法结合，提出了数学模型的求解算法，并进一步给出了第一层次的量测点优 化配置算法流程，以i e e e 3 7 节点系统为例，验证了算法的有效性； ( 4 ) 围绕着本文提出的优化配置第二层次展开研究工作，即研究了给定p m u 安装 数量情况下的量测点优化问题，分析了此时量测配置最优化的判定依据，以全局临界配 置为参考，分别提出了欠配置和过配置两种情况下的数学模型，研究了二者各自对应的 优化配置算法，并分别给出了相应的算法流程，以i e e e 3 7 节点系统为例，分别对欠配 置和过配置两种情况下的量测点配置优化算法有效性进行验证。 7 第2 章p m u 及量测点优化配置 第2 章p m u 及量测点优化配置基础 2 1p m u 及量测系统 2 1 1 全球定位系统g p s 自二十世纪7 0 年代，美国国防部为适应军事技术高速发展的要求，授予海、陆、 空三军特权和巨额资金，用以研发新一代的军用导航卫星系统即全球定位系统，至1 9 8 9 年，顺利发射了第一颗导航工作卫星，耗费2 0 0 亿美金的专项资金，历时整整二十年时 间，直到1 9 9 3 年才完成了g p s 系统全部的部署工作【6 1 1 ，投入运行并一跃成为美国军方 具有全球战略性的导航、定位及授时系统，实现了全天候、全方位、连续实时地三维定 位和高精度卫星授时等功能。 g p s 的研制初衷是服务于美国军事范畴，然而其表现出的优异性能和巨大潜力远远 超过预期的设计标准，因自身卓越的优势而拥有在勘探、交通、通信、测量、电力系统 等民用领域的广泛应用空间，且其应用领域随着软、硬件系统的逐步改善而不断地得到 拓宽。因此，美国推出了f r p 联邦计划，在非国家紧急情况下，将g p s 免费向全球各 国的民用领域提供最少十年的开放使用时间，虽然此时的精度低于军方领域，但依然能 符合i e e es t d1 3 4 4 1 9 5 5 标准，使得9 9 9 的时间区段里g p s 的精度维持在1 1 p s 以内 【6 2 】 o g p s 主要由三大部分构成组建，即空间卫星系统、地面监测控制系统以及用户信号 接收系统，其中，作为整个g p s 的核心技术，地面部分负责的海量数据分析处理任务 确保了g p s 的精确运作。 ( 1 ) 空间卫星系统 星座系统共有2 1 颗工作卫星和3 颗备用在轨卫星组网，这2 4 颗卫星均匀分布在6 条距地面1 万英里且轨道倾斜角为5 5 。的准同步轨道上，各轨道面之间角距6 0 。为达到 g p s 覆盖全球的技术要求，每条轨道面上的4 颗卫星相互间的升交角距依次错开9 0 。， 相邻轨道上的各卫星依次超前或滞后3 0 。，同时，各颗卫星均满足每间隔1 2 个小时围绕 地球旋转一周的条件，使得地球上的任意地点在任意时刻内都能同时观测到至少4 颗卫 星。这样，地面上通过接受到的4 颗以上的卫星信号测算出三维导航坐标，进而实现了 中国石油火学( 华东) 硕士学位论文 全时段导航定位；借助铯原子控制的同步时钟，向全球提供标准的基本精度为0 2 9 s 的 u t c 同步时间6 3 1 。 ( 2 ) 地面监测控制系统 系统包括1 座主控站、5 座监控站以及3 座注入站等控制部分【6 4 1 ，其中，主控站座落 在s c h r i e v e r 空军基地，负责根据所有监控站上传的数据进行时间偏差及轨道参数的分析 计算，并将数据分析结果传输给注入站；监控站分别座落于夏威夷、大西洋( 并置有注 入站) 、北太平洋( 并置有注入站) 和印度洋( 并置有注入站) ，与主控站共同完成追踪 监控卫星的任务；注入站负责每天向卫星注入钟差和星历信息。 ( 3 ) 用户信号接收系统 g p s 接收机能够捕获到卫星信号，并对接收的信号数据进行处理分析，以获取必要 的导航电文信息资料，通过数据计算得到三维导航位置和同步时间【删。 当前，卫星定位系统大致有g p s ( 美国) 、g l o n a s s ( 俄罗斯) 等两种代表性的 实例，另外，还有欧洲的伽利略g a l i l e o 系统和我国的北斗导航系统正逐步走向完善， 即将作为新的代表产品，跻身于全球卫星定位系统的行列之中。 2 1 2 同步相量量测单元p m u 基于g p s 和同步相量量测技术，同步相量量测单元借助g p s 同步时钟信号完成对 电力系统运行相量参数的同步量测工作，从而在统一时间基准下，做到了对电网状态的 实时监控和观测记录，在此基础上，通过分析附有时间标记的量测数据，提供给用户及 时直观的状态信息。 p m u 装置主要由g p s 信号接收器、同步数据采集模块、信号变送系统、微处理单 元和数据通信系统等几部分组成，其结构原理图如图2 - 1 所示【6 5 】。 图2 1 同步相量量钡g p m u 结构原理图 f i 9 2 - 1s t r u c t u r ep r i n c i p l ec h a r to fp m u p m u 能够适应不同时间长度、不同状态的动态要求，实时可靠地监测电力系统动态 9 第2 章p m u 及量测点优化配置 运行行为，丰富了掌控电网的运行状况及安全水平的手段，为制定电力系统的运行控制 提供参考依据。p m u 应用在电力系统中的领域甚广，涉及状态估计、系统故障定位、潮 流分析、动态安全监测控制、发电机励磁控制等。 2 1 3 同步量测系统 对电力系统进行量测点优化配置，即通过一定的优化算法来确定系统中的部分母线 安装p m u ，此时配置的p m u 彼此相互独立，各自的量测数据不具备连贯性，因此，量 测系统将分散在电网中的量测装置关联成一个有机整体，同时为网络中的二次继电保 护、测控等设备提供同步信息和数据资源共享，量测系统大致包括g p s 技术、p m u 量 测、前置c p u 系统、通讯网络、数据中心处理系统等几大组成部分6 6 1 ，其结构图如图 2 2 所示。 g p s 接收机 嗡 g p s 卫星组网 卜圄 ”吒u 鳊终一。 i g p s 接收机 ! 置螺篓稍前嗽廿黝 晕b l o 淞淞 国州3 | l f 嚣 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2p m u 优化配置基础理论 2 2 1优化配置通用数学模型 关于同步量测装置p m u 的配置优化问题，一般是针对电力系统的拓扑给出最优的 配置方案，包括p m u 的布置地点及数量，即以最少数量的p m u 配置实现覆盖全网范 围的实时观测。对于给定p m u 配置数量的条件下，如果寻找到某p m u 配置结果，其 在满足系统全局可观的同时，具备一定的数据冗余量测，则此时的量测优化配置应要求 相应的数据冗余度最大。其优化模型6 7 1 描述如下： j = m i ，n n 啪i m a ) 【r n 啪，l ( n u m ) ( 2 - 1 ) 【s t u r l = 0 式( 2 1 ) 中，n u l 】卜一安装的p m u 数量； l ( n u m 卜坷置p m u 的节点号集合； r n u m ，l ( n u m ) 1 对应某种量测配置的数据冗余度； 瑚无法量测的节点数量。 2 2 2 量测量 量测系统的重要价值在于其提供给管理者和用户的同步量测数据，以帮助人们对电 力系统做出进一步的分析和安全评估。凭借g p s 和同步量测技术，配置在电网中的p m u 不仅能实现量测点对应的母线电压相量状态的量测，还能测量得到与量测点直接关联的 各条线路电流相量状态，除此之外，基于p m u 的量测结果，通过一定的间接计算能够 获得部分非量测点的电压和非量测线路的电流，称之为虚拟量测6 7 趣】，虚拟量测大致分 以下几种情况： ( 1 ) 若已知线路的电流相量及其一侧的母线电压相量，则按支路电压电流方程间 接测得线路另一侧的母线电压状态； ( 2 ) 若已经拥有线路两侧的母线电压状态信息，则通过虚拟的量测可获得该线路 的电流相量信息； ( 3 ) 对于未安装同步量测装置的零注入母线，假设有n 条线路与其直接关联，如果 已获知其中的( n 一1 ) 条线路的电流相量，则据k c l 定律可知剩余的一条线路的电流； ( 4 ) 对于电网中的联络节点，若已直接测得或虚拟量测得到与其直接关联的各母 线电压，那么通过求解相关的支路方程可获得该母线的电压相量。 第2 章p m u 及量测点优化配置 正是因为虚拟量测扩展了量测系统的可观测范围，量测点优化问题才体现出了研究 价值，在当前技术水平下，完全不必要将量测装置p m u 安装在系统的所有母线上，而 且虚拟量测缩小量测点的配置区域，利于配置结构的优化。 2 2 3 量测系统的可观测性分析 结合2 2 2 节提到的关于相量状态的直接量测和虚拟量测，为便于分析和判定系统 的可观测水平，提出以下几种判断母线可量测性的准则6 9 】： ( 1 ) 对于安装同步量测装置的母线及其关联的所有母线来说，其相量状态均可观 测； ( 2 ) 如果某联络母线的状态可观测，且其关联的所有母线中仅存在一条无法确定 可观测水平的母线，而其余的母线均拥有可观测的相量状态，则这种情况下，该零注入 母线及其直接相邻的所有母线均可观测； ( 3 ) 若某联络母线状态不可观测，且其相邻的所有母线状态都是可观测的，则该 联络母线也是可观测的。 针对较小规模的电力系统，一般通过对其雅可比j a c o b i a n 矩阵进行求秩来分析系统 的可观测能力，如发现j a c o b i a n 矩阵满秩，则说明系统具有全局的可观测水准；而要分 析大规模电网的可观测能力，通常需要借助深度优化搜索手段对建立的量测生成树进行 分析，若证明量测树覆盖了电网的所有母线，那么电网全局可观测。当分析相对简单的 电网时，也可利用重复搜索算法来不断评估各母线的可观测性，直至确定系统的可观测 水平。 2 - 3 优化求解方法 同步量测装置p m u 优化配置属于难解的n p 整数规划问题，目前，人们已经研究 并提出了很多关于整数规划问题的求解方法，但在求解效率、解的精确性等方面仍需要 深层次的算法探讨。传统的整数规划求解方法主要有隐枚举、割平面、分枝界定等 7 0 - 7 ， 虽然理论上能够求得问题的精确解，然而相对来说，这仅适用于小规模问题的求解，一 旦遇到参与运算的变量相应维数较多的情况，传统求解方法便暴露出运算工作量大且耗 时的问题，几乎得不到问题的最优解。因此，很多学者研究启发式算法在求解n p 问题 的应用，如g a 算法、模拟退火、粒子群算法等【7 2 1 ，以开发出有效实用的整数规划求解 算法。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 实践工程应用中，在允许存在一定数据误差的前提下，无需求得整数规划的最优准 确解，所以研究的重点转向具有较好收敛性的优化寻优策略，给出最大限度地靠近精确 解的近似优化解，来满足资源配置、生产调度、金融股票等实际问题的业务需求。 遗传算法源于生物世界的进化机理，于2 0 世纪6 0 年代首次由美国的h o l l a n d 提出，并 逐步发展成熟起来，至7 0 年代成为系统的优化理论体系，同时模式定理的提出极大地推 进了算法的研究。算法结合特殊的编码机制对所要解决的问题进行数学描述，利用选择、 交叉、变异等算子随机化处理分析初始群体，用以模拟自然界的遗传进化。其适用领域 宽泛，具有较强的容错和收敛性，是一种鲁棒、快速的全局搜索算法【7 3 1 。 二十世纪中叶，m e t r o p o l i s 等人最先就模拟退火s a 给出了原始雏形，此后的3 0 年， k i r k p a t r i c k 等研究人员顺利地将s a 算法和组合优化的数学思想有机结合，提出了相应优 化问题的求解方法【7 4 1 。算法以模拟金属退火的方式，基于m e t r o p o l i s 准则缓慢有序地执 行退火过程，以达到金属的能量最低状态即优化解，其具有简便、寻优可靠等优点。 二十世纪末，k e n n e d y 与e b e r h a r t 等两人通过对鸟群觅食的模拟研究，提出了一种高 性能的粒子群p s o 全局优化算法【7 5 】，构建了种群的位移一速度数学模型框架，