（电力系统及其自动化专业论文）基于多智能系统的二级电压协调控制研究.pdf

a b s t r a c t 舢o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rg r i da n dt h ep r o b l e mo fv o l t a g es t a b i l i t y , m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oc o o r d i n a t e da u t o m a t i cv o l t a g e v a tc o n t r o l v 0 1 t a g eh i e r a r c h i c a lc o n t r o li sa l le f f i c i e n tw a y t oc o o r d i n a t et h ev o l t a g ec o n t r o l ，a n dt h e c o n 乜0 1s t r a t e g yf o rt h es e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o li st h e c r i t i c a lp a r to ft h ev o l t a g e h i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1 b e c a u s et h ec o n n - 0 1d e v i c e so ft h es e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o lh a v ed e v i c e so f c o n t i n u o u sr e g u l a t i o na n dd i s c r e t er e g u l a t i o n ，t h ei m p r o v e dd i s c r e t em o d e lf o rs e c o n d a r y v o i t a g ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nb u i l tf i r s t l yi nt h i sp a p e r d i s c r e t er e g u l a t i o nd e v i c e s ， s u c h 勰o n 1 0 a dt a pc h a n g e r s ，h a v eb e e na d d e dt ot h em o d e l t a k i n gi n t o a c c o u n tt h e e f f e c to ft h es e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o lr e g i o n sa n d t h ed e p a r t u r ev a l u eo fr e a c t i v ep o w e r c o i 蜘ld e v i c et e r m i n a lv o l t a g e ，t h em o d e li sm o r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a lp o w e rs y s t e m t h i sp a p e ru s e san e ws w a r mi n t e l l i g e n ta l g o r i t h m 一一b a c t e r i a l c o l o n y c h e m o 切x i s ( b c c ) a l g o r i t h mt o s o l v et h eo b j e c t i v ef u n c t i o no ft h ei m p r o v e dc o n t r o l s t r a t e g yf o rs e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a tc o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a ls e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ，t h i sm e t h o dc a na c h i e v eg r e a tc o n t r o l l i n ge f f e c tb y u s i n gd i s c r e t er e g u l a t i o nd e v i c e ss u c ha so i ll o a dt a pc h a n g et r a n s f o r m e r s i na d d i t i o n ， b c ca l g o r i t h mc a nh a n d l et h ei s s u eo fd i s c r e t ev a r i a b l e s ，w i t hf a s tc o n v e r g e n c e ，h i g h p r e c i s i o na n d l o wr e s o u r c eo c c u p a n c y b c ca l g o r i t h mi se a s yt o f a l li n t oal o c a lo p t i m a ls o l u t i o nb e c a u s eo ft h e o v e r - r e l i a n c eo ng r o u pi n t e r a c t i o n t os o l v et h ep r o b l e m ，t h i sp a p e r s t r u c t u r e san e w a l g o r i t h m b a c t e d a lc o l o n yc h e m o t a x i sa l g o r i t h mb a s e do nm u l t i a g e n t ( m a b c c ) c o m b i n e dw i t ht h em a i nf e a t u r e so fm u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a s ) t h r o u g ht h ec o m p e t i t i o n a n dc o l l a b o r a t i o na m o n gt h eb a c t e r i aa g e n t ，t h i sa l g o r i t h mw e a k e n si t sd e p e n d e n c eo n t h eg r o u pi n f o r m a t i o n a sar e s u l t ，t h eb a c t e r i ac o n v e r g em o r ea c c u r a t e l yt ot h eg l o b a l o p t i m a ls o l u t i o n f i n a l l y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dac o o r d i n a t e ds t r a t e g yo fs e c o n d a r yv o l t a g e c o n t r o l b a s e do nm u l t i a g e n tu s e di ne m e r g e n c y t h es t r a t e g yc a ne l i m i n a t et h eo v e r - l i m i t v o l t a g er a p i d l yb yc o o r d i n a t i n gc o n t r o l l i n gw i t ht h ev o l t a g ec o n t r o ld e v i c eo f d i f f e r e n t r e s p o n s es p e e d t h ei m p r o v e ds e c o n d a r yv o l t a g e c o n t r o lb a s e do nb c ca l g o r i t h mi su s e d f o rc o r r e c t i v ec o n t r o li ne m e r g e n c y w h e nt h es y s t e mi sr e s t o r e df r o mas t a t eo f e m e r g e n c y ，c 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 o lb a s e do nm a b c c a l g o r i t h mi sb e e n i l 硕士论文基于多智能系统的二级电压协调控制研究 u s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yn o to n l ye l i m i n a t et h e o v e r - l i m i tv o l t a g er a p i d l y , b u ta l s om a k e st h ep i l o tn o d e sa n do v e r - l i m i tn o d e sr e c o v e r t h er e f e r e n c ev a l u eg i v e nb yt e r t i a r yv o l t a g ec o n t r o lv i ac o n v e n t i o n a ls e c o n d a r yv o l t a g e c o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ，c o n t r o ls t r a t e g y , d i s c r e t ed e v i c e ，b a c t e r i a l c o l o n yc h e m o t a x i sa l g o r i t h m ，m u l t i a g e n t ，e m e r g e n c yc o n t r o l i i i 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：垡銎 加( 7 年6 月丛日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：壁銎 2 0 p ? 年6 以日 硕士论文 基于多智能系统的二级电压协调控制研究 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着电力系统从垂直一体化体制演变到开放和竞争的电力市场环境，电力系统 规划和运行的不确定性和不安全因素增加，不少电网的运行状态己接近或者达到了 系统的运行极限，电压稳定问题日益突出。近三十年来，世界范围内，尤其是发达 国家，相继发生了由电压稳定问题导致的大电网瓦解崩溃事故，造成了巨大的经济 损失。电压( 负荷) 稳定与控制的研究己成为电力系统规划和运行分析中的重要课 题 1 - 3 1 。 二级电压控制的产生源于人们对电压崩溃的认识。其基本思想是认为由于电网 中某些地区无功不足，造成局部电压下降，引起连锁反应，导致全网电压水平下降， 而另外一些地区的无功源又没有被充分利用来阻止这一现象的发生，最终系统发生 电压崩溃。综合调动全系统的无功源，最大限度地产生无功，并对无功潮流进行最 佳的控制，是防止电压崩溃事故的有效途径【4 。5 】。 当前电力系统规模的不断扩大和复杂性的不断提高，对系统全局电压控制也提 出了新的要求。在这种情况下，二级电压控制系统必须顺应形势，发展成为更加灵 活、可靠、高效而且能够不断更新的开放式控制系统【l 】。 分布式人工智能和计算机技术近年来不断发展，多智能体技术( m u l t i a g e n t t e c h n o l o g y ) 得到迅速发展并成为多学科交叉领域中的一个热门研究课题，为科学 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 系统的设计和实现提供了新的途径和方法【6 。1 0 】。因此，开展基于多智能系统的二级 电压控制的应用性研究，具有重要的理论意义和现实意义。 1 2 分级电压控制 分级电压控制的产生源于7 0 年代人们对电压崩溃的认识 4 】。针对分散无功电 压控制缺陷以及无功功率不能长距离传输的特点，法国率先提出等级电压控制的思 想，受到了各国电力系统的热切关注【l l 】。这种电压分级控制方案已在巴西、意大利、 西班牙 1 2 - 1 3 等国家付诸实施，并且取得了满意的效果。此后，法国电力公司及一些 学者在2 0 世纪8 0 年代中期开始了协调二级电压控制( c s v c ) 的研究 1 4 。15 1 。 分级电压控制把整个电网分成各个控制区域( c o n t r o lz o n e s ) ，每个控制区域是 相互之间耦合程度大的节点集合，控制区域之间相互解耦或者近似解耦。选择各个 1 绪论 硕士论文 控制区域的主导节点( p i l o t n o d e ) 和控制无功电源，主导节点代表本区域的电压水 平，控制无功电源是能够对主导节点电压提供足够无功支持的无功设备。当区域内节 点电压受到扰动产生变化后，如果把主导节点电压恢复至扰动前的水平，则区域内 所有节点的电压将同样得到恢复。 分级电压控制分为三级，每一级控制系统都有自己的控制对象，控制目标，同 时在时间上相互解耦，低层控制按照上一层的控制信号作为自己的控制目标，向下 一层控制发出控制信号。分级电压控制的基本原理如图1 i 所示。 图1 1 分级电压控制的原理图 一级电压控制器设置在发电厂、用户和各供电点的无功电压控制设备上，包括 同步电机( 发电机、调相机、同步电动机) 、静止无功补偿器、快速投切电容器、 电抗器以及变压器有载分接开关自动切换等。响应时间一般为一秒到十几秒。控制 目标是抵消快速负荷波动造成的电压波动，维持系统电压的稳定。一级电压控制设 备分为三类，第一类是以本地局部信息进行无功功率控制的无功设备，第二类是除 了以本地局部信息进行无功功率控制，还接受二级电压控制器的控制信号，对二级 电压控制提供无功支持的无功设备，即控制无功电源，第三类是前两类控制的组合。 二级电压控制器设置在区域调度中心。响应时间是几十秒到几分钟，大于一级 硕士论文基于多智能系统的- 二级电压协调控制研究 电压控制的响应时间。控制目标是当系统中变化相对缓慢的负荷变化( 相对一级电 压控制) 或者区域网络结构变化导致区域的主导节点电压发生变化后，根据三级电 压控制器确定的主导节点参考值电压，按照预定的控制策略，以某种协调方式重新 设置区域内控制无功电源的电压参考值( r e f e r e n c e v a l u e ) ，以达到系统范围内良好 的运行性能。 三级电压控制器设置在系统调度中心，是等级电压控制系统的最高级，其响应 时间是几十分钟。控制目标是以全网安全和经济运行准则来优化系统的运行状态， 确定各区域中主导节点电压的参考值，协调各二级电压控制系统，使全系统达到最 优运行状态【1 6 。丌。 1 3 二级电压控制问题的研究现状 1 3 1 主导节点的选择 在二级电压控制中，二级电压控制器需控制特定节点的电压值在整定值附近， 这些特定节点即为主导节点。主导节点的电压稳定决定了整个二级电压的控制水 平，从而影响全网电压的稳定。因而主导节点的选择是二级电压控制的核心问题。 主导节点的选择原则是：在某种扰动下，调节电力系统内的无功源，使系统中 某些节点的电压偏移为零，则全网各节点的电压偏移最小，这些节点即被选作主导 节点。主导节点应具有一定的鲁棒性，即能在各种负荷扰动下均应具有代表电网电 压水平的性质【1 8 】。 主导节点的选择是离线计算完成的，其选择结果直接应用于二级电压控制方案 中，所以在选择过程中充分考虑系统的各种不同运行方式对二级电压控制系统的控 制效果有至关重要的作用。文献 1 9 ，2 0 n 用贪婪算法求解主导节点。该算法搜索系 统所有的节点，每次搜索选择一个节点，如果该节点使得负荷节点电压偏差的二次 指标最小，则该节点就是主导节点，并且一旦被选为主导节点，那么这个节点始终 是主导节点，继续搜索，获得下一个主导节点。贪婪算法的优点是不需要一个初始 解，能非常容易地求出一组解，缺点是容易陷入局部最优，但是它所获得的解相对 是接近最优解的。文献 2 0 ，2 1 利用全局搜索算法选择主导节点。该算法先设定一组 初始的主导节点作为候选主导节点集合，搜索所有可能存在的主导节点集合，判断 哪一组集合使得负荷节点电压偏差的二次指标最小，则这个集合就是主导节点集 合。 1 3 2 控制区域的划分 电力系统是一个庞大而复杂的系统，对系统进行合理的区域划分有利于系统的 3 1 绪论硕士论文 控制，也是等级电压控制的基础。电压分区的目标是使同一个区内节点间的电气距 离较小，而不同区域的节点间的电气距离较大。分区还应满足一些约束条件，例如 区域内应有足够数量的无功电源，好的分区可以充分发挥无功电源的控制作用，降 低成本，提高经济效益：另外，还可能对区域内的最小和最大节点数有要求，以防 止分出的区域过小或过大【2 2 1 。 1 ) 电气距离方法 控制区域是电气距离近的节点集合，电气距离近表明对应的节点之间耦合程度 大。文献 2 3 采用节点阻抗矩阵来定义电气距离，依据是系统节点阻抗矩阵中非对 角元素反映了任意两个节点之间等值阻抗的大小，也表明了任意两个节点之间的电 气距离大小，等值阻抗越小，两节点之间的电气距离就越近。这种区域划分的方法 是以网络的参数和拓扑结构为基础，物理概念清楚，但是由于决定电力系统节点电 压关系的因素除了网络参数，还与系统的功率有关，因此这种划分方法不能反映系 统节点功率变化对于节点电压变化的影响。 文献【4 根据在一定的负荷变化基础上得到的电压之间的关系定义了电压影响 系数，即当系统只有节点，的注入无功功率变化时，节点f 的电压变化和节点，的电 压变化的关系，并以此定义电气距离来划分控制区域。这种定义方法的缺点是只反 映了单一节点注入无功功率发生变化时节点电压变化之间的关系，不能反映各个节 点注入无功功率同时变化或者一部分节点注入无功功率同时变化对某节点电压变 化之间的关系。 2 ) 灵敏度方法 灵敏度方法是以潮流方程为基础，利用系统中某些量的变化关系来分析静态电 压稳定问题。这类方法往往从简单系统出发，然后直接推广到复杂系统，原理及实 现都比较简单。 文献 2 4 1 以某一节点处的电压幅值变化对另一节点处的无功功率注入变化的灵 敏度来衡量两节点间的电气距离，并定义了一个和灵敏度矩阵同维数的电气距离矩 阵，其元素是灵敏度矩阵中最大值减去其在灵敏度矩阵中对应位置的元素。这种方 法的优点是比较简单，但是由于灵敏度矩阵反映的是电压和无功两个不同单位变量 之间的关系，所以不如直接用节点电压之间的关系更能反映节点之间的耦合程度。 文献 2 5 使用a 嵌套分解法对电压控制区域进行划分。这种分区方法无需进行 特征值分析，计算速度很快。特别是对于大系统，如采用嵌套分解技术，可更进一 步加快计算速度。由这种方法所确定的系统各分区之间是弱耦合的，从而保证对一 个电压控制区的控制不会导致另一个电压控制区的电压失稳，这一特性可被充分利 用以简化二次电压控制的分析和设计。 4 硕士论文基于多智能系统的二级电压协调控制研究 1 3 3 控制策略 迄今为止二级电压控制的控制策略主要经过了两个发展阶段【2 6 】。第一个阶段首 先提出了分散二级电压控制( d e c e n t r a l i z e ds e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ，d s v c ) 的框 架结构，用于可以比较明显地划分为几个独立电压控制区域的电力系统。第二个发 展阶段是更多的考虑到各种控制手段相互配合的协调二级电压控制( c o o r d i n a t e d s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r o l ，c s v c ) ，应用于网架结构相对密集的情况。实现分散二 级电压控制的关键在于二级电压控制器的设计，而协调二级电压控制的要点在于协 调所要满足的规则和约束条件。 协调二级电压控制( c s v c ) 在传统二级电压控制的基础上，综合考虑一组主 导节点、区域内重要节点电压和无功设备出力等其它运行信息，能够更好地维持区 域电压水平和无功储备，减少了区域之间控制作用的相互影响。c s v c 在一定程度 上弥补了d s v c 的不足，提高了系统的稳定性和精度，无功补偿容量较少，提高了 无功裕度，使系统能更安全的运行在极限状态。 文献【1 4 】对二级电压控制目标函数进行了改进：在目标函数中增加了表征使无 功电源的相对无功出力最小的项，以尽量增加无功储备；增加了表征使电压调节设 备端电压变化最小的项，来保证系统的安全。文献用已在法国西部实际系统已投入 运行的c s v c 对自己的结论做了验证，但文献中有没考虑区域间潮流对电压控制效 果的影响。 文献【2 7 】采用在线优化算法实现二级电压控制。在线寻优是由主导节点的电压 偏差作为区域无功控制信号，采用合适的算法，在系统运行过程中，在区域调度中 心利用小型或大型机计算出对一次电压控制器的参考设定值的调整量；把计算后的 控制信号送到各个无功控制器，改变无功电源的出力。 文献 2 8 】以基于多a g e n t 技术的二级电压控制系统为基础，探讨电力系统紧急 情况下无功电压设备的优化控制方法。该方法采用基于遗传算法、t a b u 搜索、模拟 退火相结合的混合搜索算法寻找最优的控制序列，通过控制a g e n t 之间的交互和协 作以最优化的方式协调各控制器的控制作用，提高了系统的控制效率。并通过对经 典的新英格兰系统进行数字仿真，表明了该方法的有效性。 纵观现有的二级电压控制策略的研究，主要存在如下问题： 1 ) 所选择的二级电压控制设备大多为连续调节的无功电源，如发电机，静止 无功补偿器等，对应的二级电压控制优化模型符合二次规划模型，一般采用二次规 划法求解【z 引。对于快速投切电容电抗器组等离散型无功源，其处理方法是先把这些 无功电源当作可连续调节设备，再把计算结果和实际的调节档位相比较，按接近的 档位调节。这样做就有可能得到调节的次优解，而并非最优解。 2 ) 没有选择有载调压变压器( o l t c ) 作为二级电压控制设备。虽然有载调压 1 绪论 硕士论文 变压器不是无功源，但可以改变系统无功的分布，是系统电压调节的有效手段。尽 管有载调压变压器的响应速度比较慢，大概在2 0 s 1 0 0 s 之间，但足以满足二级电压 控制的要求，故选择有载调压变压器作为等级电压控制中的电压控制设备是必要 的。 1 4 多a g e n t 技术及其在二级电压控制中的应用 a g e n t 和多a g e n t 技术( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 是当今计算机科学技术领 域、信息工程领域和网络与通信领域十分活跃的前沿研究方向之一，其应用范围也 越来越广泛。在计算机领域，a g e n t 可认为是被授权的“个人软件助理( p e r s o n a l s o f t w a r e a s s i s t a n t s ) 是一种在分布式系统或协作系统中能持续自主地发挥作用的计 算实体，它具有自主性、交互性、反应性和自动性的特征【6 】。现代电力系统是一个 复杂开放的分布式系统，多a g e n t 这一分布式人工智能的新技术，可以使逻辑上和 物理上分散的系统并列、协调地运行得以解决。因此，其在电力系统中的应用前景 广阔【3 0 弓2 1 。 地域分布广泛的电力系统包含大量特性各异的设备和控制系统，加之电能生产与 消费的同时性和负荷变化的随机性，电力系统表现为一个不可观察且不确定的、连续 动态变化的开放式环境。电力系统中的数据、控制甚至运行维护人员的行为都呈分布 状态，对其进行完全集中式的求解可能遇到信息不全、通信瓶颈或计算速度等问题。 此外，不同厂商在不同时期生产的基于不同技术的软硬件在电力系统中同时发挥作 用，使得新技术的运用必须充分考虑原有系统的问题【3 3 1 。而多a g e n t 系统( m a s ) 具 有以下4 个特征：1 ) 各a g e n t 完全有能力解决自身应解决的问题，但都只能解决整个 系统中的部分问题；2 ) 各a g e n t 有各自的数据输入、输出接口，这样整个系统中的数 据被分散了；3 ) 对整个系统没有一个统一的控制，但各a g e n t 之间能够通过协作的机 制来解决各a g e n t 之间存在决策分歧时的问题；4 ) 各a g e n t 的计算过程是异步的【9 j 。 由此可以看出，其适用条件与电力系统的特征几乎完全吻合，因此，m a s 及其在电 力系统中的应用得到越来越多的关注，并已进行广泛的研究。 目前，很多学者开展了智能技术在二级电压控制应用上的研究【3 4 1 。其中，以多 a g e n t 技术的应用最为广泛【3 5 。3 引。 文献 3 9 提出了基于多a g e n t 的二级电压控制系统的结构、功能、特点和实现技 术方案。该控制方案弥补了传统二级电压控制存在的不足之处，在正常情况下与c s v c 一样有着较好的控制效果，并具有更高的可靠性和准确性。 文献【4 0 】基于多a g e n t 的分布式控制系统，提出了系统故障情况下综合考虑多类型 f a c t s 电压控制器( a v r ，s v c ，s t a t c o m ) 的扩展二级电压协调控制。以装设2 6 硕士论文基于多智能系统的二级电压协调控制研究 台s v c ，2 台s t a t c o m 和1 0 台发电机a v r 的新英格兰系统为例进行的数字仿真验证 了多种系统紧急情况下该方案都能有效、快速地消除系统中的电压偏移。 电力系统紧急控制是电力系统运行稳定以及二级电压控制技术中的一大关键 4 1 1 。 文献 4 2 4 3 提出一种基于m u l t i a g e n t 系统的分布式协调控制策略。紧急控制系统由一 个中心服务器a g e n t 和多个发电机a g e n t 构成。中心服务器a g e n t 笋l j 断系统的运行状态， 并在系统失稳时发送请求控制信息，启动发电机a g e n t 。发电机a g e n t 是与系统中发电 机相对应的，它基于发电机的各种信息。发电机a g e n t 收到启动信号后，利用自身发 电机的转子角速度和惯性中心角速度来判断自身是否失稳，并根据可能失稳的程度决 定自身是否需要进行紧急控制，同时给出相应的控制量，并通过算例验证m a s 对电 力系统紧急控制的有效性。 文献 4 4 4 5 研究了紧急情况下的二次电压协调控制，拓展了代理的覆盖范围， 使其不仅包括代理所在节点，而且包括与代理相邻的节点，改善了紧急情况下系统 的电压管理能力。 但是，已有的研究主要是提出概念框架和进行初步的理论探讨【4 6 】，都没有提及 控制系统的具体实现方法和在实际电力系统中应用的相关问题。同时，如何获得最 优的智能决策和控制算法以及复杂电力系统a g e n t 实现方式和协调方案有待进一步 研究。 1 5 论文的主要工作 论文针对电力系统二级电压控制策略的研究现状以及存在的问题，主要做了以 下几个方面的工作： 1 ) 建立改进型离散二级电压控制系统的数学模型。在研究了二级电压控制的 基本原理、控制设备特点，以及现有控制策略的不足的基础上，建立了改进型c s v c 优化模型。模型中增加了有载调压变压器等离散设备，同时考虑了二级电压控制区 域间的影响以及无功控制设备端电压的偏离值，使得该模型更加符合实际的电力系 统。 2 ) 创新性地将一种新型的群体智能优化算法细菌群体趋药性( b a c t e r i a l c o l o n yc h e m o t a x i s ，b c c ) 算法应用到改进二级电压控制策略目标函数的优化求解上 来。用m a t l a b 语言编写了实现该算法的程序，利用此程序对新英格兰3 9 节点系统进行 仿真分析。结果表明与传统的二级电压控制相比，在增加了有载调压变压器等离散控 制设备后的二级电压控制的效果明显提高。此外，b c c 算法可以很好地处理离散变量 问题，具有收敛速度快、精度高、占用资源低的特点。 3 ) 针对细菌群体趋药性( b c c ) 算法由于过度依赖群体交互而容易陷入局部最 7 1 绪论硕士论文 优解的缺陷，结合多a g e n t 系统( m a s ) 的主要特征构造一种全新算法一基于多a g e n t 的细菌群体趋药性( m a b c c ) 算法。该算法通过每个细菌a g e n t 相互之间的竞争与协 作，弱化其对群体信息的依赖，使其能够更精确地收敛到全局最优解。通过具体算例 表明该算法匕t , b c c 算法有更好的全局寻优性能。 4 ) 提出了紧急情况下基于多a g e n t 的协调二级电压控制策略。该策略可以通过对 不同响应速度的电压控制设备的协调控制，迅速地消除电压越限。将基于b c c 算法的 改进二级电压控制应用于紧急情况下的校正控制；当系统从紧急状态恢复后，再利用 m a b c c 算法进行常规二级电压控制。通过仿真分析，表明该控制策略不但能快速消 除电压越限，还能使主导节点以及越限节点的电压经过常规二级电压控制后恢复到三 级电压给定的参考值。 硕士论文 基于多智能系统的二级电压协调控制研究 2 二级电压控制原理 二级电压控制是分级电压控制中的重要一环，其主要任务是协调控制区域的无 功电源和电压控制设备，使其作用达到最优化。有些较大的扰动仅靠一级电压控制 不能奏效，需要二级电压控制来处理。二级电压控制的响应时间一般较长，可达 3 5 m i n 。二级电压控制对于提高电压水平和防止电压崩溃具有非常重要的作用。 2 1 二级电压控制基础 2 1 1 二级电压控制的基本概念 二级电压控制连接着其上的三级电压控制和其下的一级电压控制，按照一定的 协调控制规律，闭环设定控制区域内各一级电压控制器的整定值，用于平衡系统的 无功变化和电压偏差。图2 1 为二级电压控制器框图1 1 。 图2 1 二级电压控制器框图 二级电压控制首先将整个电力系统分成若干控制区域( r e g i o n s ) ，这些区域最 理想的状态是彼此电气距离较远，相互近似解耦。在每个控制区域中选出其最关键 的负荷节点称为“主导节点 ( p i l o tn o d e s ，通常是该区域内短路电流最大的节点) ， 该节点的电压变化能够反映整个区域内所有负荷节点的电压变化情况，而且在一般 情况下，当区域内的负荷电压水平因受干扰发生变化之后，如果将主导节点的电压 恢复至干扰前的水平，则能够使得区域内的负荷电压同样得到恢复。 9 2 二级电压控制原理硕士论文 2 1 2 电压控制设备的主要特点l 1 ) 发电机 发电机是应首先考虑的电压调节控制器，不仅调节速度快，而且不需要另外增 加投资。但是，当无功功率输出达到极限后，发电机不再具有电压调节作用。 2 ) 并联电容电抗器 可投切并联电容器和并联电抗器在电力系统中是除发电机外应用最广泛的控 制电压和无功功率的重要设备。在常用的无功功率补偿设备中，并联电容器的单位 容量费用最低，有功功率损耗最小，运行维护最简便。但并联电容器不能连续调节， 在系统电压出现紧急情况时，并联电容器的明显缺点是其无功输出量随着电压平方 下降。 3 ) 静止无功补偿器( s v c ) 静止无功补偿器( s t a t i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，s v c ) 是一种快速响应 无功功率补偿和电压调节设备，对于支持系统电压和防止电压崩溃，是一种强有力 的措施。但是，s v c 的过载容量有限，在其增压极限处，s v c 变成普通的电容器 组。 4 ) 静止无功发生器( s n 盯c o m ) s 丑盯c o m 也称为静止无功发生器( a d v a n c e ds t a t i cv a tg e n e r a t o r ) ，s 丑町c o m 弥补了静止无功补偿器的一个较大缺陷：当电网连接无功补偿器处的电压下降时， 它的最大无功输出会随之大大下降，因为其最大无功与电压平方成正比；而静止无 功发生器的输出电压犹如发电机的电动势一样不会下降。此外利用其过载能力，在 系统电压下降时，仍可以增大其最大无功输出。因此静止无功发生器控制电压的能 力要比静止无功补偿器强。 5 ) 切负荷 电压失稳往往是在重负荷状态下发生的。如果能够在系统临界运行状况下利用 直接负荷控制快速减小负荷，那么系统的电压稳定性就可以得以维持。切负荷控制 目标是为保证系统电压稳定性在允许的范围内，在恰当的地点切除一定量的负荷， 使得系统的损失最小。切负荷是当其它措施用完之后，为避免电网大范围电压崩溃 而采取的最后有效措施和最根本的方法。 6 ) 有载调压变压器 有载调压变压器( o n l o a dt a pc h a n g e r ，o l t c ) 能够在电力网电压变化和负荷 变化时，不停电地改变分接头位置满足调压要求，改变一档分接头约需2 0 s 一1 0 0 s 。 变压器不能作为无功电源，相反消耗电网的无功功率，属于无功负荷之一。有载调 压变压器分接头的调整不但改变了变压器两侧的电压状况，同时也对变压器两侧的 无功功率的分布产生影响。 1 0 硕士论文 基于多智能系统的二级电压协调控制研究 上述各种电压控制设备的性能比较如表2 1 所示。 表2 1 各种电压控制设备性能比较 2 1 3 二级电压控制的基本原理 二级电压控制是一种区域控制( r e g i o nc o n t r 0 1 ) ，是实现电力系统电压分级控制 的重要一环，图2 2 为二级电压控制原理图。 图2 2 二级电压控制基本原理图 二级电压控制的主要目标是以某种协调的方式重新设置区域内各一级电压控 制器的参考值，使得各个节点电压满足运行要求。它以主导节点和控制区域的划分 为基础的。 由于二级电压控制器的采样周期大于一级电压控制器的响应时间常数，研究二 级电压控制器的性能时，可以忽略一级电压控制器的动态行为。对于选定的二级电 压控制区域，区域内各节点的无功平衡方程为 4 7 - 4 8 1 ： q = 岛巧( 巧一k ) + q 毛， ( 2 1 ) 2 二级电压控制原理 硕士论文 式中：q 为节点f 的无功值；杉为节点f 电压值；j 为控制区域内与节点f 相邻的节点； 岛为节点f 和节点_ ，之间的互导纳；鲵，为相邻区域联络线注入节点f 的无功潮流， 若节点i 为非边界节点，则缆，等于零。 将式( 2 1 ) 在k = 0 = 1 o 处线性化，得到： q f = 岛( 巧一k ) + q 矗f ( 2 2 ) 令： q = 会笼 ，y = 会笼 ，q 五= 。a q q 咒矗_ 一l g 式中鲛和q g 分别为负荷节点和无功设备节点的无功变化向量；圪和圪 分别为负荷节点和无功设备节点的电压变化向量；鲵一上和鲵一g 分别为负荷节点 和无功设备节点与相邻区域之间联络线上的无功潮流变化向量。 式( 2 2 ) 可以写成矩阵形式为： q f = s a v + 锄 ( 2 3 ) 热s = 瞪甜为灵敏度髓 式( 2 3 ) 为二级电压控制模型，它反映了每个采样控制周期节点无功变化和节 点电压变化之间的关系。当二级电压控制不考虑区域间的相互影响时，联络线潮流 的变化鲵= 0 ，令系数矩阵g = 一鞋& g ，c d = 一蹬，式( 2 3 ) 又可以简化为： a 圪= g + 巳q ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 为采用二级电压控制后负荷电压偏差的表达式。式中第一项为各无功 电压控制设备的电压控制变化量，g 圪代表控制对负荷节点电压的影响，第二项 g q 代表无功扰动引起的负荷节点电压变化。二级电压控制的最理想情况是通过 调节无功电压控制设备使所有负荷节点电压为设定值，但在实际系统中，负荷节点 数一般远大于控制发电机节点数，这表明由式( 2 4 ) 表示的系统是不完全可控系统， 即二级电压控制器无法给出完全的控制量使系统中所有负荷节点的电压偏差量为 零。若假设负荷节点电压在系统负荷条件变化前处于优化状态，二级电压控制的任 硕士论文基于多智能系统的二级电压协调控制研究 务就是在系统发生扰动时使负荷节点的电压偏差尽可能小，以维持区域电压接近优 化水平。 2 2 分散二级电压控制( d s v c ) 策略 分散二级电压控制( d s v c ) 的原理是将整个电力系统划分为几个相互独立的 区，称作“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“主导节点”，并根据主导节点的电压偏差，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，从而使主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。这种调整将会使得机组的无功出力发生变 化，调整的幅度是由主导节点的电压与其设定值的偏差所决定的。 d s v c 一般通过硬件控制器实现，然而随着系统的老化，在2 0 世纪9 0 年代初 也出现了一些不足，如u j ： 1 ) 在实行d s v c 以后随着系统网架结构的不断发展，在电网的某些部分原本 相互解耦的控制区域间的联系越来越紧密，相互影响会越来越明显，也就是说原来 的解耦关系遭到了一定程度的破坏。为了避免在控制过程中导致系统的不稳定，要 么就增加分区的数目要么就降低控制的动态响应速度，但无论使用哪一种方法都会 影响控制的效果。 2 ) 对发电机组无功功率分配限制过死。 3 ) 发电机无功功率内部闭环调节信号快于区域电压水平信号，可能使其在故 障后的短时间内向不利方向作用。 4 ) 装置只部分考虑厂电压控制功能，而未监视电压极限值，发电机运行范围 的界限( 功角、定子电压、辅机电压和转子电流) 也未精确考虑。 5 ) 控制系统的参数是固定的从而不能对一些运行条件进行优化。 因此针对d s v c 控制策略的这些不足和电力系统的发展状况必须探求新的控 制方法。 2 3 协调二级电压控制( c s v c ) 策略 如何克服分散电压控制的缺陷，这就是设计协调电压控制策略的出发点，其目 标是从全局的观点来实现无功的调度和电压的控制。在原先分散电压控制中几个独 立的控制分区由于电网联系的日益紧密其解耦性越来越弱，从而由这些控制分区形 成了一个大的区域，通过协调二级控制能够实现整个大区的电压控制设备的相互配 1 3 2 二级电压控制原理 硕士论文 合。在c s v c 中，可控发电机的数目即控制变量的数目要大于主导节点即输出变量 的数目，因此除了维持主导节点电压以外，还有一定的可控自由度用于实现其它的 控制目标。 2 3 1c s v c 控制原理 c s v c 的基本原理仍是使主导节点上的电压维持在整定值，但控制信号的计算 是针对包含几个主导节点的地区，并考虑各发电机对所有主导节点的作用。这样可 以防止这些联系紧密地区各自独立进行电压控制可能造成的相互间不稳定。控制中 心搜集所有主导节点和电压敏感节点的电压遥测值，以及参与二级电压控制的控制 机组的母线电压和有功无功出力。将这些信息输入多变量二级电压协调控制器。控 制信号直接加于每台发电机的电压调节器，这样可避免出现传统二级电压控制系统 在无功功率控制中可能造成的不良作用。由于可控发电机的数目即控制变量的数目 要大于主导节点数目，因此c s v c 还能充分利用这些控制变量来满足其它额外的运 行约束，对提高系统的电压稳定性起到很好的作用。 2 3 2c s v c 的目标函数 c s v c 的主要控制目标是维持区域内主导节点电压在其基准值附近，因此 c s v c 二级电压控制的控制策略可以确定为：为防止电压崩溃事故的发生，应该使 该电压控制区内主导节点的电压偏移最小。这样一来基本的c s v c 二级电压控制策 略可以表示为如下的优化问题，目标函数是一个多变量二次函数1 1 4 1 。 约束条件： m i n z = 巧( ，珂- v , ) - q v p 圪】2 + r 荟魄( 譬可一，一) 一丕锈圪 2 ( 2 5 ) + j l z 7 7 照，阿- v l ) - a v 2 q + c 薹q 圪】+ 形勺，ie ( z g = 1 ，2 ，n 七e o 缸 l f 形，m 。，f 其中，分别表示主导节点、无功电压控制设备节点和关键节点的 集合；4 ，r l i 为控制器的调节增益，用来确定闭环时间常数；珂，k 分别表示节 1 4 硕士论文基于多智能系统的二级电压协调控制研究 点f 的电压参考值和实际电压值；厂和h 为权重系数了；c ：| ：p ，c 磐，c 罢分别表示主 导节点电压、关键节点电压和节点无功注入对无功电压控制设备端