（电气工程专业论文）县区电网电压无功优化控制分析.pdf

以新都电网作为算例，运用线性规划法( l p ) 进行无功优化计算，在正常 运行状态下，以有功网损最小为目标函数，给出几种运行方式下的最优无功控 制方案，分析了新都电网的无功配置情况，电网电压运行水平。通过n 一1 的故 障分析，讨论紧急状态下变压器分接头档位、无功补偿装置的控制策略，以控 制调整量最小为目标函数，给出最优的恢复正常运行的调整方案。并讨论了新 都地区负荷发展后，电网新增变电站、无功配置后的电压运行状况。 关键词：电网电压无功优化控制 i i v o l t a g e r e a c t i v ep o w e ro p t i m a lc o n t r o l a n d a n a l y s i s o f c o u n t yp o w e r n e t w o r k m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：x ux i a o t a os u p e r v i s o r s ：l i uj u n y o n g h o n gx i n g l t l a l o n gw i t hd e v e l o p i n gq u i c k l yo fn a t i o n a le c o n o m y , d u r i n gt h ep o w e ri n d u s t r y a l s oi si nc o n t i n u o u s l yt h ed e v e l o p m e n ta tah i g hs p e e d t h ep o w e rl o a di n c r e a s e d r a p i d l y , a n dt h ep o w e rn e t w o r k i se x p a n d e ds t e pb ys t e p ，a n dt h er e q u i r e m e n tt ot h e e l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yo fu s e ri sm o r ea n dm o r eh i g h e ri nr e c e n ty e a r s t h ep o w e r t r a d ei sa st h ef o u n d a t i o nt r a d eo fn a t i o n a le c o n o m y , a n db e i n gt h es e r v i c et r a d e s t h a tc o n c e mt h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d ，t h ea tt h es f l n l et i m e a l s oi st h i n k i n go v e rt h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c e ，s e e k ss e l ft h ef o l l o w o ne n t e r p r i s e i ti sm o r ea n dm o r eh i g h e ra l o n gw i t hg o i n gd e e pi n t os t e pb ys t e po fp o w e rs y s t e m s r e f o r mt or e q u i r e m e n to fs t e a d ya n ds e c u r i t yo p e r a t i o no fp o w e rn e t w o r k t h ev o l t a g ei st h ei m p o r t a n tq u o t ao fe l e c t r i ce n e r g yq u a l i t y ，a n dt h er e a c t i v e p o w e rb a l a n c ei st h er e q u i r e m e n tt op l e d g et h ep o w e rs y s t e mv o l t a g eq u a l i t y i ti s e n s u r i n gt h a tp o w e rs u p p l yq u a l i t ya n ds a t i s f i e du s e r sr e a c t i v ep o w e rr e q u i r e m e n t a n ds y s t e mv o l t a g ea r es t a b i l i z e dt h a tv o l t a g ea n dt h er e a c t i v ep o w e ro fp o w e r s y s t e mo p t i m i z ec o n t r o l ，a n dr e d u c e st h et h r e a dd e c r e a s i n ga n dr a i s e se f f e c t i v e m e a s u r eo fp o w e rn e t w o r ke c o n o m i cn a t u r eo fo p e r a t i n g t h ed e p e n d e n c eo f t r a d i t i o nr u n sp e r s o n n e l sh a n da n dm o v e st oc a r r yo nt h em e t h o do fv o l t a g e r e a c t i v ep o w e rc o n t r o l ，a n dc a l ln o ts u i tt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rn e t w o r k t h e d e v e l o p m e n to fm o d e r nc o m p u t e rt e c h n i q u ea n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a l l p r o v i d e dt h ec o n d i t i o nf o rd e v e l o p i n gr e a lt i m ea t l i n ev o l t a g e r e a c t i v ep o w e r s a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m f u l l yu s et h en o wa v a i l a b l ev o l t a g eo fp o w e rs y s t e mt o a d j u s tm a dr e a c t i v ep o w e r sc o m p e n s a t i n gd e v i c e ，t h ea n g l et h a to p t i m i z e sf r o mt h e o v e r a l ls i t u a t i o ni sc a r r i e do nv o l t a g e | r e a c t i v ep o w e rc o n t r o la sf o rs e c u r i t ya n d i i i e c o n o m i c a lo p e r a t i o no f t h ep o w e rn e t w o r kt op o s s e s st h ev e r yi m p o r t a n tm e a n i n g b a s e do i lt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm o d e mp o w e rs y s t e m ，a n dc o m b i n e d t h ec o n s i d e r a t i o no ft h es a m eq u e s t i o nt oi n v o l v e so fr e c e n ty e a r s ，t h i st e x te x p l a i n e d t h eo p t i m i z a t i o nc o o r d i n a t i o nc o n t r o lt ov o l t a g e r e a c t i v ep o w e r p u tf o r w a r dt h e o b j e c t i v er e q u i r e m e n to fv o l t a g e r e a c t i v ep o w e r 。sc o o r d i n a t i o nc o n t r o lb yw a y o f t h ed i s c u s s i o nt o v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e r l si n t e r f a c e ，i n t r o d u c e dn e w t o n l s m e t h o dl o a df l o w , a n dt h el i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o do fv o l t a g e r e a c t i v ep o w e r o p t i m a l ，a n dt h eo p t i m a lp o w e rf l o wf o rv o l t a g e r e a c t i v ep o w e r , a n de q u a l i t ya n d i n e q u a l i t yr e s t r i c t i o nc o n d i t i o n b u i l dw i t ht h el i n e a r i z a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l h a v i n g a c t i v ep o w e rl o s sm i n i m i z a t i o na st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n d e l a i l e d l y i n t r o d u c e dt h a tt h r e eg r a d e so fv o l t a g ec o n t r o ls y s t e mw i mh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e c o m b i n i n gt h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fc o u n t ya r e ap o w e rn e t w o r k ，p u t t i n g f o r w a r dt h eo d ek i n do fc o u n t ya r e at h a tg r a d e so nb r a n e kl a y e rv o l t a g e r e a c t i v e p o w e ro p t i m a ls y s t e m t h et h o u g h to ft h es y s t e m sd e s i g n ，c o m p a r i s o no fs c h e m e s e l e c t i o ne x p l a i n s ，f u n c t i o nr e q u i r e m e n tw h i c hn e e db er e a l i z e d ，n u c l e u sp r o c e d u r e a l g o r i t h ms e l e c t i o na n db a s i cw o r kp r o c e d u r e w i t ht h ep o w e rn e t w o r ko fx i n d ui su s e da st h ee x a m p l e ，t h ea p p l i c a t i o nl i n e a r p r o g r a m m i n gm e t h o di sc a r r i e do nt h ec a l c u l a t i o nt h a tr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z e s u n d e rt h en o r m a lo p e r a t i o ns t a t e ，g i v e ss e v e r a lk i n d so ft h em o s te x c e l l e n tr e a c t i v e p o w e r sc o n t r o ls c h e m e s ，w i t ha c t i v ep o w e rl o s sm i n i m i z a t i o na st h eo b j e c t i v e f u n c t i o n r e a c t i v ep o w e r sd i s p o s i t i o nc i r c u m s t a n c e so fx i n d up o w e rn e t w o r k ， p o w e rn e t w o r kv o l t a g eo p e r a t i n gs t a n d a r d w e r e a n a l y z e d b yw a yo f t h e c o n t i n g e n c ea n a l y s i so fn l ，d i s c u s st h ec o n t r o lt a c t i c so ft r a n s f o r m e rd i v i d i n gt h a t c o n n e c ts h e l v e sp l a c e sa n dr e a c t i v ep o w e r 。sc o m p e n s a t i n gd e v i c eu n d e rt h es t a t eo f e m e r g e n c y g i v e st h es y n e r g i ca d j u s t m e n ts c h e m et or e c o v e rt h en o r m a lo p e r a t i o n w i t hm o v e m e n tm i n i m i z a t i o na st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n a tl a s t ，d i s c u s s i n gx i n d u d i s t r i c tt o a dd e v e l o p m e n t ，t h ep o w e rn e t w o r kn e w l yi n c r e a s e st h ev o l t a g eo p e r a t i n g c o n d i t i o na f t e rs u b s t a t i o na n dr e a c t i v ep o w e rd i s p o s e s k e yw o r d s ：p o w e rn e t w o r k ，v o l t a g e ，r e a c t i v ep o w e r ，o p t i m a lc o n t r o l i v 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 第一章绪论 1 1 目的和意义 随着我国电力工业的迅猛壮大，电网逐步扩张，电力负荷增长很快，电压 等级越来越高，电网、发电厂以及单机容量也越来越大，电网覆盖的地理面积 在不断扩大。但是，由于地理环境、燃料运输、水资源及经济发展规模等诸多 因素的影响，致使电源( 发电厂) 分布不均衡，要保证系统的稳定和优良的电 能质量，就必须解决远距离输电、电压调节及无功补偿等问题。 电压是电能质量的重要指标之一，电压质量对电网稳定及电力设备安全运 行、线路损失、工农业安全生产、产品质量、用电单耗和人民生活用电都有直 接影响。无功电力是影响电压质量的一个重要因素，电压质量与无功是密不可 分的，可以说，电压问题本质上就是无功问题。解决好无功补偿问题，具有十 分重要的意义。各级调度作为电网电力生产的运行指挥部门，负责电网运行中 的无功平衡和电压质量。值班调度员在进行有功电力调度和频率调整的同时， 也要进行无功电力调度和电压调整。确定电网年、季、月、日运行方式时，应 充分运用无功电力平衡、电压调整等手段保证电压质量。 电力系统电压和无功电力技术导则第1 2 条规定，电力系统的无功补 偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件。有效的电压控制和合理的无功补 偿，不仅能保证电压质量，而且能提高电力系统运行的稳定性和安全性，充分 发挥经济效益。 目前，我国电力系统自动化技术发展迅速，s c a d a 、e m s 系统的运用为 进一步进行高级应用软件分析提供了基础。电力系统自动化技术由元件一局部 一子系统( 孤岛) 一管理系统发展至今，已进入一个全面化、综合化的崭新阶 段。它表明人们对电力系统自动化由表及里、由孤立到相关、由静止到发展变 化的认识上的一次飞跃。当今，社会正处于信息化高速发展的阶段，电力系统 应充分利用信息化社会带来的种种先进技术进行改革，实现进一步飞跃。变电 站侧装设电压无功自动控制装置( 简称v q c ) 进行无功补偿只是局部控制，无 法达到整个电网的全局最优。从整个电网角度进行综合电压无功控制，才能达 到全网最优地改善各节点电压水平和减少网损的目的。从电力系统改善电压质 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 量、减少网损的方面来说，应充分利用分散安装在各变电站中的v q c 装置和 电力系统高级应用软件的作用，实现众多装置的联合调整，信息共享，以更好 地发挥v q c 装置的功能，改善电压质量、大幅降低网络损耗。当前，我国地 区电网的无功电压控制仅仅停留在开环控制的水平上，若实现对电力系统的无 功优化闭环控制，不但可以在保证电压合格的前提下降低电网损耗，而且能大 大降低调度员的工作负担，使其能更加集中精力地处理事故，从而大幅度提高 电网的安全、优质和经济运行水平，这是地区电网无功调度发展的最高阶段。 新都电网作为成都电网的一部分，主要承担了新都地区的供电任务，作为 完全的受端网络，本地无电源点，全部依靠成都电网的2 2 0 k v 主干网架提供有 功、无功电源，高峰时需要从主网吸收大量容性无功，因此作好本地电网的运 行调度，充分发挥现有无功补偿设备的补偿能力，实现就地的无功平衡，有十 分重要的意义。通过系统的理论分析和实例计算，制定出适合新都电网运行方 式要求、切实可行的无功优化方案，对电网的安全、经济运行以及今后电网的 发展规划布置都有十分现实的指导意义。 1 2 综述 1 2 1 电压无功的关系 电压和频率是衡量电能质量的两个基本指标，作为电力系统的运行参数， 同时也是电气设备设计制造的基本技术参数。频率主要决定于系统中的有功功 率平衡，电压则主要决定于系统中的无功功率平衡。要保证良好的电能质量， 关键在于满足额定频率和额定电压下的功率平衡，电源配置适当，并采取适当 的调整手段。 电压的运行水平与无功功率的平衡密切相关。为了确保系统的运行电压具 有正常水平，系统必须拥有足够的无功电源来满足系统负荷和网络对无功功率 的需求以及补偿无功功率的损耗。根据电压无功平衡曲线可知，若系统的无功 功率电源比较充足，系统就能具有较高的运行电压水平：反之，系统的无功功 率电源不足，则反映为系统运行电压水平偏低。因此，应该力求实现在额定电 压下的系统无功功率平衡，根据这个要求来装设必要的无功功率补偿装置。 电力系统的无功电源包括：发电机实际可调的无功出力，线路的充电功率， 无功补偿设备的容性无功容量。其中无功补偿设备包括并联电容器、串联电容 2 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 器、并联电抗器、同期调相机和静止型动态无功补偿装置。在我国的电力系统 中，最常用的无功补偿装置是：发电机、各变电站内的补偿电容器。 一、无功补偿原则 由于电力系统的供电地区幅员广阔，无功功率传输要引起有功功率损耗和 电压的损耗，因此负荷需要的无功功率应尽量作到就地供应，不仅实现憝个系 统的无功功率平衡，还要实现各区域的无功功率平衡。电力系统电压质量和无 功电力管理规定第4 1 条明确了无功补偿装置的配置原则： 无功补偿配置应采取就地平衡的原则，做到分层( 按电压等级层次) 和分区 ( 按地区、县或站网络) 平衡。 所谓分层，是指各电压层次间的无功平衡，尽可能使层间的无功串动较小， 减少通过主变传输无功时的大量损耗；所谓分区，就是指无功分地区就地平衡， 这是因为电压是区域性的，各点的无功出力和无功负荷的变化对电压的影响主 要是就地的。为避免无功电力长途输送与越级传输，具体实施时遵循以下原则 进行： 1 总体平衡与局部平衡相结合； 2 电力补偿与用户补偿相结合； 3 分散补偿与集中补偿相结合； 4 降损与调压相结合，以降损为主。 合理地选择和配置补偿设备，在网络中适当地点装设一定数量的无功功率 补偿设备，以实现电网的电压控制。 1 每一负荷区域应有各自的足够的无功补偿及调节能力，以适应地区负 荷的需要，而不得要求高压电网经过大的传输阻抗送来无功。 2 需要有足够的沿整个送电系统分布的补偿容量及调节能力，以适应系 统在各种运行情况下的调节要求，保证系统各点电压合适。 3 需要有足够的沿整个送电系统分布的无功备用容量，使事故后的各点 系统电压都能符合规定要求。 二、电压调整的手段 充足的无功功率电源是保证电网有较好的电压运行水平的必要条件，但要 使每个用户处的电压质量符合要求，还要采用调压的手段。在电力系统电压 和无功电力技术导则第9 2 条中规定：为保证用户受电端的电压质量和降低 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 线损，2 2 0 k v 及以下电网电压的调整，宜实行逆调压方式。实际工作上不可能 监测所有用户处的电压，因此选取一些主要供电的中枢点进行调压，采用逆调 压的方式，可以有效地改善负荷点的电压质量。常用的调压手段如下： 1 、调节发电机的端电压 发电机是电网中的重要无功电源，也是电网中调整运行电压的重要设备。 如果发电机有充足的无功备用，通过调节励磁电流增大发电机电势，可以从整 体上提高电网的电压水平，提高电压的稳定性。 但是对于供电范围较大、多级变压的大型电力系统，由发电机到负荷点的 电压损耗大，且不同运行方式下的损耗变化也大，单靠发电机调压不能解决问 题，调节某发电机的电压，还会引起系统中无功功率的重新分配，可能不满 足经济分配的要求，所以在大型电力系统中发电机调压一般作为辅助性措施。 2 、利用变压器分接头挡位调压 调整变压器分接头挡位可改善局部地区电压。有载调压变压器可以在带负 荷的条件下切换分接头，而且调节范围也比较大。这样可以根据不同的负荷大 小来选择各自合适的分接头，能缩小级次电压的变化幅度，也可能改变电压变 化的趋势。在实际系统的运行中，由于负荷的峰谷差较大，可能要频繁调整分 接头，这会引起电压的波动。 如果系统的无功不足，则不宜采用调整变压器档位的办法来提高电压，因 为当某一地区的电压由于变压器分接头的改变而升高后，该地区所需的无功功 率也增大了，这就可能扩大系统的无功缺额，从而导致整个系统的电压水平更 加下降，严重的还会产生电压崩溃。 当系统无功电源比较充足时，采用有载调压变压器进行电压调节效果较 好。 3 、利用无功补偿设备调整电压 无功功率的产生基本上不消耗能源，但是无功功率沿电力网传送却要引起 有功功率损耗和电压损耗。合理地配置无功功率补偿容量，以改变电力网的无 功潮流分布，可以减少网络中的有功功率损耗和电压损耗，从而改善用户处的 电压质量。 并联电容器、电抗器园其经济性，是目前主要采用的无功补偿设备。在电 压低于容许限度时，利用无功补偿设备补偿调压，往往能取得良好的效果。有 州川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 时系统总体看似无功足够，但个别地区无功不能就地平衡，远距离输送无功导 致电压偏低，这时，经过技术分析确定对该地区进行无功补偿，不仅解决调压 问题，还减少了输送无功产生的能量损耗。 并联电容器供给的无功功率q c 与所在节点电压v 的平方成正比，即： q c = v 2 x c ，当节点电压下降时，电容器提供的补偿无功功率也将减少，因此当 系统故障时，电压下降，电容器无功输出的减少还将导致电压的继续下降。也 就是说电容器的无功功率调节性能比较差。 4 、改善线路参数 在线路上串联电容器，利用串联电容器的容抗补偿线路的部分感抗，从而 降低传送功率时的无功损耗，并使电压损耗中的q x v 分量减小，提高线路末 端电压。由于串联电容器提供的无功功率不受节点电压的影响，因此它对于电 压稳定性的提高有良好的作用。 低压网中，由于用户分散、容量不大，装设调压设备不经济，一般改变线 路导线的电阻降低电压损耗，按照允许电压损耗来选择导线截面以提高电压质 量。 高电压等级线路的充电功率随线路的电压变化而变化，与线路的电压成正 比。控制和利用线路的充电功率，可使其在调整电网电压中发挥作用，也是提 高电网电压质量的一项经济有效的措施。 5 、切去部分负荷 当已不能采取上述措施，或者上述措施调节电压的速度不够快时，或者系 统发生了紧急事故电压急剧下降时，应该考虑适当地切去部分负荷，以确保整 个系统的安全运行。 三、电压无功控制的协调问题 在地区级的受端网络中，常用的电压无功控制手段主要是变电站无功补偿 装置的投切和有载调压变压器分接头的调整，发电机的电压调整作用在此不作 深入讨论。由于电力系统实际分散布局的物理特性，要维持整个电网电压水平 在合理的范围，实现整个电网的无功功率平衡，是一个综合协调的问题。 每种电压控制措施都各有其优缺点，并联电容器因其投资低、安装维护方 便，在变电站中大量使用。但其具有性能缺陷，其输出无功随安装点母线电压 降低而成平方地降低，不能实现连续调节，并且并联电容器只有在其投入点具 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 有最大的补偿效果。在无功容量较充足，安装电容补偿装置的节点较多时，从 整体的角度出发，应有比较地选择投入并联电容器的节点，既可以防止因两个 相邻变电站同时投入无功补偿时可能引起的电压振荡，还能起到最好的调压效 果。 在无功电源充裕的系统中，采用有载调压变压器自动调节电压灵活方便， 特别是电网负荷的峰谷差较大，有载调压变压器可有效满足负荷对电压质量的 要求。但当无功功率不足时，受端系统电压下降，若还是采用调整分接头位置， 提高变压器输出电压的方法，将导致负荷电压的恢复和负荷吸收无功功率的增 加，进步加大无功功率的缺额，破坏无功功率平衡，加重高压电网电压的降 落，最终造成系统稳定破坏和受端系统的电压崩溃。对有载调压变压器的这种 不良作用，必须有充分的认识。因此在无功不足时，首要问题是增加无功功率 补偿设各的投入，而不能只靠调整变压器电压的方法。在紧急状况下应闭锁有 载调压变压器的自动调节功能，以免加大系统电压崩溃的趋势。 电压质量的问题，反映了整个系统的电压水平。电压调整是个比较复杂的 问题，因为整个系统每个节点的电压都不相同，运行条件也有差别。因此， 电压调整要根据系统具体情况。选用合适的方法，才能达到目的。系统的调压 措施比较多，如何合理安排各种调压手段，逐次进行，才能达到良好的效果， 这需要对各个当地控制进行有效的协调。 1 - 2 2 电压无功优化算法 随着电力系统的不断发展，特别是联网的加强，使得电力系统电压无功功 率优化控制的重要性越来越突出。各地电网根据各自不同的控制目标，制定出 各种电压无功控制系统方案。电压无功优化控制在数学上表现为一带有非线性 约束的大规模优化问题，多年来，国内外学者对此开展了大量的研究工作，提 出了一系列的优化算法。 最早的最优潮流模型是由法国的c a r p e n f i e r 予6 0 年代初期提出的【1 ，他 用潮流计算的每一母线功率平衡条件( 有功和无功) 代替经济调度计算中总的 系统功率平衡条件( 有功) ，从而将潮流方程引入到经济调度模型中，由此可以 考虑线路功率约束和母线电压约束，他的主要贡献是建立了最优潮流概念和基 本数学模型。从此最优潮流进入了漫长的发展道路，对最优潮流问题进行了大 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 量研究，构成了应用于各种不同范围的最优潮流模型，其关键技术是处理函数 不等式约束、解决非线性收敛问题和考虑离散变量问题。 在电力系统分析 2 中介绍了两种采用非线性规划的最优潮流算法，一 是：1 9 6 8 年由d o m m e l 和t i n n e y 提出的简化梯度法 3 ，他们针对电力系统的 特点将变量划分为独立变量和依赖变量两部分：以独立变量为控制变量，取其 负梯度为寻优方向；以依赖变量为状态变量，借助常规潮流计算它随控制变量 的变化，降低了优化问题的维数，简化梯度法对罚函数的梯度步长的选取要求 严格，收敛慢，且不能有效处理函数不等式约束。二是：最优牛顿算法f 4 】，针 对最优潮流问题的非线性特点具有二次收敛性质的牛顿法显然是最有效的方 法，但要用到二阶梯度海森矩阵的逆矩阵，因而存储量和计算量非常大，且不 能有效地处理电压无功优化控制中的大量不等式约束。 m a r i a 等人提出了能处理不等式约束的线性规划法 5 、6 ，这种方法的优 点是计算速度快。有功最优潮流因为接近线性，解决得比较好。由于通常的电 压无功优化控制中，潮流平衡方程是关于电压和无功的非线性方程，非线性规 划不善于处理不等式约束条件，而电压无功优化控制中存在大量的不等式约束 条件，线性规划法与非线性规划相比，计算速度快、收敛性好，容易处理各种 安全性约束，因此被普遍采用。电压无功优化控制的非线性数学模型，通过线 性化处理，形成线性的增量模型，实际运用于最优潮流程序中。 线性规划求解中，将电压无功的控制手段如发电机调整电压、无功补偿装 置投切、变压器分接头调整都作为连续变量来处理，而实际上它们大多数是离 散的变量，线性规划求解时不得不作近似处理，误差较大；同时无功优化是一 个多约束问题，当约束条件需要同时考虑时，可能形成一个多峰值的函数，线 性规划是基于一点的搜索方法，容易因初始点选择不当而只达到局部最优解。 近年来遗传算法在无功优化的应用增多，遗传算法 7 、8 在解决多变量、非线 性、不连续、多约束的问题时有其独特的优势。2 0 世纪7 0 年代由美国j h o l l a n d 教授提出的遗传算法( g a ) 是一种模拟生物进化过程的随机化搜索方法。它采 用多路径搜索，对变量进行编码处理，用对码串的遗传操作代替对变量的直接 操作，从而可以更好地处理离散变量。g a 用目标函数本身建立寻优方向，无 需求导求逆等复导数数学运算，且可以方便的引入各种约束条件，更有利于得 到最优解，适合于处理混合非线性规划和多目标优化。遗传算法用于无功优化 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 就是用电力系统的一组初始解，受各种约束条件的限制，通过适应值评估函数 评价其优劣，适应值低的被抛弃，只有适应值高的才有机会将其特性迭代到下 一轮解，最后趋向于最优解。简单遗传算法一般可以极快的速度达到最优解的 9 0 左右，但要获得真正的最优解则要花费很长时间，遗传算法自身的开放性 决定了它与其它算法相结合应用并会在计算速度上有大的突破，因此将遗传算 法与其它算法相结合的混合算法已成为遗传算法发展的趋势。 解决大规模电网电压无功优化问题的内点法近年也受到关注 9 、1 0 】。内点 算法由k a r m a r k a r 于1 9 8 4 年提出，它具有多项式时间可解性，主要优点是计算 时间对问题的规模不敏感，不会随着问题规模的增大而显著增大，有很好的强 壮性和收敛特性，特别适合大型优化问题，被用于求解电力系统的状态估计、 经济调度、优化潮流等问题。对原对偶内点法进行扩展，使之能处理函数不等 式约束，构造新的壁垒参数、步长控制策略和有效的预测一校正方法，提高了 求解电压无功优化控制问题的速度和收敛性。 1 2 3 电压无功优化控制系统 目前投入实用化的比较成熟的电压无功控制系统主要是法国的三级电压 控制模式 1 1 - 1 5 】。在法国等些欧洲国家，采用了三级电压控制模式，将电力 系统的电压控制功能按时间和空间分开，具有分级递阶的控制结构。三级电压 控制处于最高层，是对全系统的控制，由系统控制中心执行，其响应时间为几 十分钟。主要控制作用为电压稳定的监视与控制。这类控制主要是协调各二级 控制系统，指导调度人员的干预。除安全监视外，经济问题是该控制层主要考 虑的问题，经济调度是这一控制层的日常工作。三级电压控制的任务是：利用 系统范围的信息，确定能够满足电网安全约束的、使系统经济运行的各主导节 点的电压幅值。 二级电压控制处于中间层，是对某个区域的控制，由各地区的控制中心执 行，时间常数约为几十秒钟到几分钟。控制的主要目的是保证主导节点( p i l o t n o d e ) 电压等于设定值，如果主导节点的电压幅值产生偏差，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。 一级电压控制处于最底层，设置在发电厂、用户和各供电点，通常是快速 反应的闭环控制以控制本地电压，响应时间一般在1 秒至几秒内。控制设备通 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 过保持输出变量尽可能的接近设定值来补偿电压快速地和随机地变化。 采用三级电压控制模式的主要优点在于“时空解耦”。从“空间”上对无 功电压进行控制区域的划分，并通过对各区域中主导节点的控制来实现对该区 域的控制，这样充分利用了区域内的无功资源，避免了无功的大范围流动。无 功电压的控制效果通过各控制层在时间上的解耦得到了保证。 这种采用电网分区和控制主导节点的模式也存在一些缺点。就分区而言， 各控制区之间的耦合不能过强，过强的耦合将使一个控制区内的二级电压控制 对相邻控制区产生影响，二级电压控制就不可能取得好的控制效果。严重时， 有可能会造成相邻控制区的电压失稳。而主导节点的选择，贝q 要求该节点和区 域内的其它节点的电气距离必须短，而与临近控制区的电气距离必须足够远以 避免区域之间不必要的相互影响。因此，分区和主导节点的选择对电网结构较 为敏感。当电网结构发生较大变化时，则需要对原有的分区和主导节点重新进 行计算和调整。另外，由于该方案中每个控制区的二级电压控制由单独设置在 该区域的控制中心完成，该方式对发展中的电网不太合适。 国内目前也开发一些实用的电压无功控制系统，如电压无功控制的专家系 统【1 6 、1 7 】，它依然是具有两层结构的分级递阶式系统，主要优点是以常规的 数值算法与专家和运行人员的经验判断知识相结合。解决优化问题的功能大大 加强。目前开发的大多是基于专家经验和数值计算程序的混合式专家系统。专 家控制系统是人工智能的一个重要分支，将专家的知识经验以知识库的形式存 入计算机，模仿专家的推理和思维过程，应用于对输入的原始事件作出判断和 决策。通常由知识库、数据库、推理机、用户接口组成，它帮助调度人员检测 母线电压收到的异常干扰，从知识库中选择适当的知识，依次选择最有效的控 制手段，并按照某些选用的对策和系统限制的条件来作出合理的控制措施。 还有基于m u l t ia g e n t 技术的电压无功控制系统 1 8 ，由于电力系统本身 是一个十分复杂的系统，又由于电力系统天然的分布式的特性，运行过程中存 在很多并列运行和协同工作的机制，所以整个电力系统建立一个通用模型是不 现实的，需要将整个任务划分为多个子任务，根据相应的特点采用相应类型的 a g e n t 来构建，基于多a g e n t 的智能无功优化控制系统，把传统的、简单的、 单个点的无功控制系统变为具有很高的冗余度和抗干扰性的多a g e n t 系统。它 有别于目前世界上“由上至下”理念设计的三层系统控制结构，更适合无功控 四川大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 制装置分散布置的特点，有利于更深入的研究各种无功源的特性、控制域和控 制效果，也有利于实时系统的简化。 1 3 本文所做的工作 本文针对电网运行的电压质量问题，讨论了电压和无功的相互关系，提出 电压无功协调控制的目标要求。介绍了电力系统潮流计算的基本方法一牛顿法， 阐述了电压无功最优潮流的目标函数，等式、不等式约束条件，详细介绍了电 压无功优化的线性规划法，建立以常用的有功网损最小为目标函数的线性化无 功优化数学模型，推导了公式。 详细介绍了具有分级递阶结构的三级电压无功控制系统，结合目前电力系 统无功装置配置情况，简单说明了电压无功综合控制装置( v q c ) 的基本控制 原理，提出了一种分层分级的县区电压无功优化控制系统，说明系统设计的思 想，方案选择的比较，需实现的功能要求，核心程序算法选择和基本工作流程。 通过对新都电网的实例计算，运用基本潮流计算、无功优化计算、故障分 析计算等一系列方法，分析了新都电网目前存在的问题，给出几种运行方式下 的最优无功控制方案，比较现行运行方式的经济性、安全性。 通过n - 1 的故障分析，研究网络事故情况下的电压越限情况，以动作调节 量最小为控制目标，讨论紧急状态下变压器分接头档位、无功补偿装置的控制 策略，给出最优的恢复正常运行的调整方案。 根据新都地区负荷发展的趋势，讨论了电网规划布局的情况，研究目前电 网的瓶颈限制，提出下一步的无功补偿装置配置方案。分析新增变电站、负荷、 无功配置后，电网的电压运行情况， 四i 大学工程硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 第二章电压无功优化的原理 2 1 概述 电压无功优化是保证电力系统安全、经济运行的有效手段，是提高电力系 统电压质量的重要措施之一。所谓电压无功优化，就是当系统的结构参数及负 荷情况给定时，通过对某些控制变量的优化，找到满足所有指定的约束条件， 使系统的某一个或多个性能指标达到最优的无功调节手段。无功优化属于最优 潮流的范畴，它是以潮流计算为基础，加入了必须满足的与运行限制有关的不 等式约束条件，根据特定的目标函数，自动优选控制变量，以指导电力系统的 优化调整。 进行无功优化的过程中需进行潮流计算，潮流计算是根据给定的电网结构、 参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行的状态 参数的计算。潮流计算是电力系统分析最为基本的计算，其他电力系统计算如 优化分析、故障分析，都要以潮流计算的结果为基础。众所周知，常用的潮流 计算方法主要有牛顿一拉夫逊法和p q 分解法，其中前者的收敛性较好，后者 的计算速度较快。本章主要介绍了具有平方收敛特性的牛顿法。 无功优化在数学上表现为一带有非线性约束的大规模优化问题，数学求解 的方法有线性规划法、非线性规划法、二次规划法、整数规划法、动态规划法、 遗传算法、内点算法等等，本章选用了能有效处理不等式约束的线性规划法 ( l p ) ，详细阐述了电力系统电压无功最优潮流的概念，不同运行条件下，目 标函数的选择，并推导了电压无功优化的数学模型。 电压无功优化控制除了经济性的目标，还有安全性的要求，本章简单介绍 了故障分析中故障筛选扫描的方法，衡量故障严重程度的几种行为指标。确定 在故障分析中电压无功优化以控制调整量最小为目标函数。 2 2 潮流计算 随着电力系统现代化调度控制中心的建立，对电力系统进行实时安全监控， 根据实时数据库提供的信息，随时判断系统当前的运行状态并对预想事故进行 安全分析，这些都要用到潮流计算。电压作为电力系统的运行参数，是随着电 堕型查兰三矍堡主堂垡笙塞! ! ! 塑! 一 力系统电源、负荷情况不断变化的，分析电力系统的电压情况，就必须全面分 析系统运行的实际状态，各个节点的负荷情况，各母线上的电压( 包括幅值及 相角) ，网络的功率分布、传输线的功率损耗，进行基本的潮流计算。潮流计算 给定的数据有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相 位角，待求的运行状态参数包括各母线节点的电压幅值和相角，各支路的功率 分布、网络的功率损耗等。对规划中的电力系统，潮流计算可以检验系统规划 方案是否能满足各种运行方式的要求；对运行中的电力系统，潮流计算可以预 知各种负荷变化和网络结构改变是否会危及系统安全，所有母线电压是否在允 许范围内，各元件是否过负荷越限。 潮流计算是电力系统应用最为广泛的电气计算，在数学上表现为多元非线 性代数方程组的求解问题，应采用迭代的计算方法。牛顿一拉夫逊( 简称牛顿法) 是数学上求解非线性代数方程组的有效方法，其核心就是把非线性方程式的求 解过程变成反复地对相应的线性方程式进行求解的过程，实质是一个逐次线性 化的过程，也称为切线法。牛顿法采用的潮流方程数学模型如下： 电力系统的每个节点，要确定它的运行状态，都需要四个变量：有功注入 p 、无功注入g 、电压幅值取电压相角o ，在工程实际计算中总有两个变量已 知，另两个变量为待求量，根据已知变量的不同，节点可分为p q 节点、p v 节 点及v o 节点或平衡节点三种类型。潮流方程一般采用节点功率方程，它的极 坐标形式为： 鼻2 u u j ( g f ，c o s + 岛s i n ) ( 2 1 ) ，副 ( i = 1 ，2 ，n ) q = u ，( g os i n 岛也c o s 巳) ( 2 2 ) ，e ( i = 1 ，2 ，n ) 一、牛顿法的原理 对于非线性代数方程组 ，( z ) = 0( 2 - 3 ) 即： f 、，x 2 ，x 。) = 0( i =