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基于电容器优化配置的a v c 在宿州电网的应用 摘要 在a v c 的无功优化模块中，对离散控制设备的动作次数( 包括电容器投切的 次数、变压器档位的调节次数) 有一定的限制，而动作次数的限制直接影响到 系统网损的可降性和电压的稳定性，因此如何在动作次数的限制下使网损下降 和电压水平达到一个令人满意的程度是电力工作者追求的目标。电容器的配置 长期以来按经验配置，往往出现配置地点不当、高低压电网电容器补偿容量倒 置的情况，使得a v c 无功优化环节控制设备频繁投切或调节，造成设备寿命大大 缩短并且限制了网损下降量和电压水平。本文从电容器优化配置着手，通过优 化配置算法得出最佳的电容器配置地点、容量和组数，从根源上解决设备投切 调节频繁问题，使得在电压水平较高的情况下网损达到一个最优的状态，并且 设备动作次数大大减少。 电力系统负荷具有多变的特性，在单一负荷下求取电容器优化配置显然是 个十分欠妥的方法。本文选取高、中、低三种典型负荷水平，分别在这三种典 型负荷水平下进行优化配置计算，得到三种情况下各自的配置结果，然后根据 这个结果对电容器组进行分组，使得整个优化配置的结果能满足不同的负荷水 平要求。 本文采用遗传算法作为电容器优化配置算法，并对其作了一定的改进以克 服简单遗传算法易早熟的缺点，提高其搜索性能。将基于电容器优化配置的a v c 应用于宿州电网，降低了a v c 执行过程中设备的动作次数，解决了宿州电网控制 设备投切调节频繁问题。 关键词：a v c ，电容器优化配置，动作次数，负荷水平，遗传算法 a p p l i c a t i o no fa v ci ns u z h o up o w e rg r i db a s e do n c a p a c i t o ro p t i m a lc o n n g u r a t i o n a b s t r a c t t h e r ea r em a n yr e s t r i c t i o n sf o rd i s c r e t ec o n t r o ld e v i c e so ft h e i rt i m e ( i n c l u d i n gt i m eo fc a p a c i t o rs w i t c h i n g ，t i m eo ft r a n s f o r m e rs w i t c h i n g ) ，w h i c h d i r e c t l yi n f l u e n c e st h ed e g r e eo fg r i dl o s sr e d u c i n ga n dt h es t a b i l i t yo fv o l t a g ea n d i ti sag o a lf o re l e c t r i cp o w e rr e s e a r c h e r st om a k eg r i dl o s sa n dv o l t a g e1 e v e lb ei na s a t i s f i e dd e g r e eu n d e rt h es w i t c h i n gr e s t r i c t i o n s c a p a c i t o r sa r ea l w a y sc o n f i g u r e d b ye x p e r i e n c es ot h ec o n f i g u r a t i o nl o c a t i o n sa r en o ta p p r o p r i a t ea n da ni n v e r s i o no f c a p a c i t o rc o n f i g u r a t i o nb e t w e e nh i g ha n dl o wv o l t a g eg r i di sc a u s e d w h i c hr e s u l t s i nf r e q u e n t l ys w i t c h i n go fc o n t r o ld e v i c e si na v cr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n m o d e la n dg r e a t l ys h o r t e n i n gt h ed e v i c el i f ea n dr e s t r i c t i n gt h eg r i dl o s sd e g r e ea n d p o w e rl e v e l t h i s d i s s e r t a t i o n g o t t h eb e s tc a p a c i t o r c o n f i g u r a t i o n l o c a t i o n c a p a c i t ya n dg r o u pn u m b e ra c c o r d i n gt oc a p a c i t o ro p t i m a lc o n f i g u r a t i o n ，w h i c h s o l v e dt h ec o n t r 0 1d e v i c e sf r e q u e n t l ys w i t c h i n gp r o b l e m m a d eg r i dl o s sb eab e s t s t a t eu n d e rt h es i t u a t i o no fh i g hl e v e lv o l t a g e ，a n dr e d u c e dt h ec o n t r o ld e v i c e s s w i t c h i n gt i m eg r e a t l y p o w e rs y s t e ml o a di sc h a n g e f u la n dg e t t i n gc a p a c i t o rc o n f i g u r a t i o nw i t hs i n g l e l o a dl e v e lo b v i o u s l yi sn o tag o o dm e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o nc h o s eh i g h m o d e r a t e a n dl o wl o a dl e v e lt o c o n f i g u r ec a p a c i t o ra n do b t a i n e dc o n f i g u r a t i o n r e s u l t r e s p e c t i v e l y , t h e no b t a i n e dc a p a c i t o rg r o u p i n ga c c o r d i n gt ot h er e s u l tt om a k es u r e t h a tt h ew h o l eo p t i m a lc o n f i g u r a t i o nr e s u l tw o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to fd i f f e r e n t l o a dl e v e l s t h i sd i s s e r t a t i o na d o p t e dg e n e t i ca l g o r i t h ma sc a p a c i t o ro 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 ma n ds o m ei m p r o v e m e n t sw e r em a d et oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo f p r e m a t u r eo fs i m p l eg e n e t i ca lg o r i t h ma n de n h a n c ei t ss e a r c h i n ga b i l i t y a p p l i e d 斟cs y s t e mb a s e do nc a p a c i t o ro p t i m a lc o n f i g u r a t i o nt os u z h o up o w e rg r i d t h e c o n t r o ld e v i c e ss w i t c h i n gt i m ed u r i n ga v ce x e c u t i n gp r o c e s si sr e d u c e da n dt h e f r e q u e n t l ys w i t c h i n gp r o b l e mw a ss o l v e d k e yw o r d s ：a v c ，c a p a c i t o ro p t i m a lc o n f i g u r a t i o n ，s w i t c h i n gt i m e ，l o a dl e v e l ， g e n e t i ca l g o r i t h m 插图清单 图1 1 全局电压控制的3 级组织结构2 图1 2 湖南电网a v c 系统框架示意图3 图1 3 基于全局模式的无功电压控制方案示意图4 图1 4 地区电网无功电压集中优化自动控制系统软件流程图4 图2 1 电厂端自动电压控制系统结构图1 6 图2 2 决策流程图1 9 图3 1 遗传算法基本流程图2 3 图5 12 0 0 7 年宿州电网地理位置接线图3 1 表格清单 表2 1 两种电压无功控制模式1 7 表5 1 三种负荷水平下的补偿结果3 3 表5 2 各补偿点组数及每组补偿容量3 4 表5 3 宿州电网某日2 4 个时刻总负荷3 4 表5 4 有载调压变压器动作次数比较表3 5 表5 5 电容器优化配置前后网损比较3 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得金壁王些太 堂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谢意。 学位论文作者签名： 签字日期渺夕年似月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨王些太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权金理王些太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 学易臀 签字日期：知9 年7 猬玎日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 王警；电 j 签字日期：q 7 年朔2 s e ! 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先要向我的导师王华强副教授表示诚挚的感谢! 在近 三年的研究生学习生活中，王老师以严谨求实的治学态度给予了我精心的指导 和孜孜不倦的教诲，使我的论文得以顺利完成，培养了我独立思考和解决问题 的能力。王老师学识渊博，治学严谨，和蔼可亲，集中体现了科研工作者所具 有的严谨科学的科研态度和人格作风，王老师一丝不苟的治学作风和为人谦和 的品格深深影响着我，使我受益匪浅。 作者：李少峰 2 0 0 6 年1 1 月2 2 日 1 1 引言 第一章绪论 电力互联网络的发展、大型联合电网的出现以及电压稳定性问题的日益突 出。电力系统电压稳定是电力系统运行的一个重要问题，而且也是电网安全、 经济运行必须解决的问题。近年来，电力系统向着大机组、大电网、高电压和 远距离输电发展，这在合理利用资源，提高经济效益的同时，也给电力系统的 安全稳定运行带来了一些新的问题，其中之一就是电压稳定问题。例如上个世 纪7 0 年代法国电网的事故( 停电2 9 0 0 0 m w ) 、8 0 年代瑞典、法国和日本东京电 网的事故( 分别甩去负荷1 1 4 0 0 m w 、1 5 0 0 m w 和8 1 6 8 m w ) 等 1 】 2 】 3 1 。这些事故都 是因为电压失稳而导致大面积长时间停电，造成了巨大的经济损失和社会生活 的紊乱。为此，电压稳定问题的研究引起了世界各国电力工作者的广泛关注， 并使得以全系统或整个区域的安全经济运行为指标、以保证系统电压稳定性为 目的的协调电压控制系统成为必要。而近年来计算机技术、通信技术的迅速发 展，为这种控制系统的实现提供了可能。在此前提下，自动电压控制( a v c ) 应 运而生。 在a v c 的无功优化模块中，对离散设备的动作次数( 包括电容器投切的次 数、变压器档位的调节次数) 有一定的限制，而动作次数的限制直接影响到系 统的网损的可降性和电压的稳定性，因此如何在动作次数的限制下使网损下降 和电压水平达到一个令人满意的程度是电力工作者追求的目标。 1 2a v c 的研究现状 1 2 1 国外研究现状 19 6 8 年，日本k y u s h u 电力公司首先在a g c 系统上增加了系统电压自动控制 功能，这可以看作是从全局观点出发进行电压无功控制第一步。在l9 7 2 年国 际大电网会议上，b e r t i g n y 等人提出了在系统范围内实现协调性电压控制的必 要性，详细介绍了法国e d f ( 法国国家电力局) 以“先导节点 、 “控制区域 为基础的电压分级控制方案的结构。现在这种电压分级控制方案已在法国、意 大利等国家付诸实施，并且取得了满意的效果。另一方面，法国e d f 对原有电压 分级控制方案进行了一定的改进，以适应法国电网联系日趋紧密的情况。 国外尤其是如法国、意大利等欧洲国家7 0 年代末开始开发及应用分层分区 的a v c 控制系统。法国输电网于l9 7 9 年开始广泛使用区域性二级电压控制系 统，其控制原则为：通过自动控制区域内被选为“控制机组 的部分机组吸收 或发出的无功功率，以控制某一“控制区 内“主导节点 的电压，到19 8 6 年 已有2 7 个控制区；在多年实践基础上，又提出了新的协调二次电压控制系统， 并于l9 9 3 年投入试运行。意大利国家电力系统( e n e l ) 也实现了电压与无功功 率的自动控制，分别于1 9 8 4 年在佛罗伦萨地区、1 9 8 6 年在西西里地区实现了二 次电压调整，运行效果良好，并于l9 9 3 年在整个超高压电网中普遍实现二次及 三次电压调整，它是一个在线分层控制结构的自动控制系统。为保证5 0 0 k v 及 二次电网的电压水平和提高电压稳定性，东京电力系统在主要变电所内装设了 微机电压及无功功率控制器v q c ，能快速准确地投切并联无功补偿设备和有载 切换变压分接开关。 现有的欧洲一些发达国家所普遍采用的三级组织模式，示意图见图1 1 。目 前，这种分级分区的电压控制策略已经在法国、意大利等多个国家付诸实施， 并运行多年，取得了满意的效果。 图1 1 全局电压控制的3 级组织结构 三级 控制 二级 控制 一级 控制 目前国际上应用比较多的电压分级控制方案包括三个层次：一级电压控制 ( p r i m a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) ，二级电压控制( s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 和三级电压 控常l j ( t e r t i a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 。 1 一级电压控制为本地控制( 1 0 c a lc o n t r 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 v r ) 、有载调压分接头( o l t c ) 及可投 切的电容器组成，控制时间常数一般为几秒钟。在这级控制中，控制设备通过 保持输出变量尽可能的接近设定值来补偿电压的快速的和随机的变化。 2 二级电压控制的时间常数约为几十秒钟到分钟级，控制的主要目的是保 证中枢母线( p i l o tn o d e ) 电压等于设定值，如果中枢母线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，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 ) ，只用到本区域内的信息。 2 一符拧 l臼l !11力自怯 _臼而口 3 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，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( s y s t e m - w i d e ) 的信息来进行优化计算，一般来说它的时间常数在十几分钟到小时级。 1 2 2 国内研究现状 国内在省级电网实施a v c 的任务始于湖南省调 4 】，该项目于2 0 0 0 年开始 直至2 0 0 3 年4 月完成，主要成果是建立了湖南电网a v c 的主体框架，即建成 了省调中心a v c 主控系统和4 个a v c 子站( 包括2 个发电厂子站和2 个变电 所子站) ，图1 2 是该框架的示意图。该系统采用了省调决策层与厂站执行层 两层体系结构；运用了实时网络灵敏度分析技术；提出了以电压为核心的七区 控制图。湖南电网a v c 实施中选择从电压控制难度最大的地区入手，a v c 投 运后在提高电压质量方面取得了很好的效果。以地处湘西的阳塘变为例，2 0 0 3 年上半年的电压不合格点数从去年同期的2 4 9 个减少到仅为6 个，电压合格率 大大提高。 图1 2 湖南电网a r c 系统框架示意图 除了湖南，华东电网的安徽、福建、江苏等以及东北电网的黑龙江、吉林 省调在最近几年也开展了a v c 方案研究、系统设计、软件开发和工程实施。安 徽省调在e m s 平台上开发了a v c 系统，淮北二电厂首台a v c 机组投入了闭环 控制【5 儿6 j ；福建省调提出了福建电网a v c 三层控制结构，并和地级电网a v c 、 发电厂、变电所进行闭环联调试验【7 1 。江苏省调提出了基于全局模式的无功电 压控制j ，图1 3 即该控制系统的示意图；浙江省调开发了电压稳定性分析软 件并结合浙江电网进行了计算分析【9 】。 图1 3 基于全局模式的无功电压控制方案示意图 地级电网a v c 系统方面，江苏泰州电网投运了无功电压集中优化控制系统 【l0 1 ，该系统以全网网损尽量小、各节点电压合格为目标，以集控中心为核心， 以各变电所无功调节装置为手段，实现了地区电网无功电压集中优化控制，图 1 4 是该控制系统示意图；福建厦门电网无功电压控制系统采用了基于预控扫 描的灵敏度分析方法和设备宽展费用评估技术，建立了综合考虑电压、网损、 功率因数、设备控制费用等因素的数学模型，实现了对电压的校正和对网损的 优化；江西九江电网在e m s 系统上利用遗传算法求解整个电网的无功优化，并 根据优化解给出控制方案，通过s c a d a 下行命令完成闭环控制；重庆杨家坪 电网利用多a g e n t 技术建立配电网电压无功控制系统模型【1 1 1 ，在实时系统中使 用退火遗传算法，在调度自动化主站实现了采用多a g e n t 技术的配电网无功优 化控制。 从谲瓒良秘化璎绕采舷数缆 嘲珏豺舞赞斩罐凝无功动寰 算分锈携块 缘奁恍化她瑚缓块 形成磐厣器锫裁 分疆并笼溺穆 旨令 形成无功 i 绥缓 鬻艟谚指备 彩成多土蝥经诱 运行纭令 锶壤自动化f 第彬啦心鲮黪调巾，玉 控制壤统执行 图1 4 地区电网无功电压集中优化自动控制系统软件流程图 发电厂无功电压控制子系统方面，福建电网省调直属火电厂采用山东鲁能 积成电子股份有限公司研发的产品s l 3 0 0 通信监控平台和c a m 2 12 综合测控装 4 置的组合，在此基础上增加对发电机电压和无功的控制功能，实现了多台机组 的综合同步控制【l2 】；河南电网开发了具有自辨识功能的模糊自动电压无功控制 装置【l3 1 ，并首先应用在新乡电厂的发电机组上。 变电站无功电压控制子系统方面，江苏徐州地区电网投运了基于专家系统的变 电所v q c 装置p j ，以自动适应变电所负荷的变化，使电压无功达到最优；浙江 余杭地区电网针对3 5 k v 变电所改造，采用了一种性价比高的v q c 装置，并开 发了v q c 综合监控系统 9 1 。 1 3 电容器优化配置的研究现状 电容器优化配置属于无功规划的范畴。在电力系统无功规划方面国内外学 者已做了大量工作，归纳起来主要要有2 个方面：一是使规划中所建立的数学模 型尽量反映实际情况，即目标函数和多种约束条件接近电力系统运行情况，如 计及电压稳定的无功规划模型、多种运行状态的无功规划模型、考虑规划投资 的模型以及长期无功规划模型等；二是对大规模的优化规划问题求解过程中遇 到的求解时间长、易产生局部最优解和“维数灾”等问题进行改进，出现了线 性规划法、非线性规划法、动态规划法、混合整数规划法以及近年来提出的人 工智能算法等。下面就这2 个方面讨论目前的研究现状。 1 电容器优化配置的目标函数 文献 1 4 给出了一种综合规划优化目标函数，该目标函数由三部分组成： 规划的投资、降低网损所获利益和对负荷节点电压及发电机无功出力越限的惩 罚项。并提出了一种改进遗传算法来对目标函数进行优化。通过实际电力网的 计算分析，得出了很好的配置结果。 文献 15 建立了模糊多目标无功优化规划的数学模型。在目标函数中考虑 了网损、无功补偿设备的投资、静态电压稳定裕度以及负荷节点电压的偏移。 首先采用电压稳定灵敏度排序法找出电压稳定性最差的节点，作为候选无功补 偿节点；然后采用遗传算法对数学模型进行求解得到优化补偿节点及补偿节点 的优化补偿容量。 文献 1 6 建立无功补偿优化规划的数学模型，采用年电能损失费用与折合 为等年值的新增无功补偿设备的投资费用之和最小为目标。在约束条件中，考 虑了几种不同负荷的运行方式。根据分解协调原理，把这一复杂问题分解为最 大负荷方式，一般负荷方式和最小负荷方式三个子模型，其投资费用在最大负 荷方式下考虑，对于三个子模型用最大负荷损耗时间来协调统一，使得模型更 符合实际情况，避免了只考虑的单一负荷方式的片面性。 2 电容器优化配置的算法 线性规划法是发展最为成熟的一种方法，直接对变量和约束条件设定限制， 利用泰勒展开，使非线性问题在初值点附近转化为线性问题求解，收敛可靠， 5 计算速度快，能够满足实时调度对计算速度的要求，但不能有效处理离散变量 问题，由于需要多次潮流计算，使优化精度差，效率不高，存在“维数灾 问 题。线性规划法的最典型代表就是灵敏度分析法和内点法。灵敏度分析法是利 用牛顿一拉夫逊潮流计算中的雅可比矩阵，来得到系统状态变量对控制变量的 灵敏度关系。文 17 通过求取配电网中节点无功变化对系统有功网损的灵敏度 系数，选灵敏度较高的节点作为无功补偿的候选投切点，从而缩小了配电网无 功补偿的搜索空间。同时考虑负荷增长的长期规划，对三种不同负荷进行灵敏 度分析，然后综合这三种负荷情况来确定无功补偿规划。文 1 8 】将电压稳定与 无功补偿地点的选择相联系，从无功补偿点的补偿效应出发，提出一种基于灵 敏度法确定无功补偿地点的方法。该方法是将无功补偿地点组合优化问题分解 成一系列单个无功补偿地点优化子问题，并给出确定单个最优地点的算法，由 g r e e d y 算法得到问题的初始解，然后通过迭代求解方式得到整个问题的解。因 为单个无功补偿地点优化算法可以得到子问题的最优解，所以能够使原问题得 到更好的优化结果。灵敏度分析法计算简便，思路清晰。但它在计算中需要多 次计算灵敏度矩阵和进行矩阵的求逆运算，计算量和占用机时都非常大。内点 法计算速度快，精度高，具有很好的鲁棒性和收敛特性。文 1 9 提出了用原一 对偶仿射尺度法( p r i m a l d u a la f f i n es c a l i n ga l g o r i t h m ) 和带有预测一校正环节 的原一对偶仿射尺度法求解无功优化问题和最优潮流问题，表明内点法的计算 迭代次数对问题的规模是不敏感的，在计算大系统时很有优势。文献 2 0 1 提出 了用预测一校正原对偶对数壁垒法求解非线性最优潮流的逐次线性化子问题， 讨论了壁垒参数的确定和初始解的定制，用动态调整线性步长和收敛精度的方 法显著提高了计算速度。 非线性规划法源于无功优化问题本身的非线性特征，其数学模型简单，通 过调整梯度方向实现对非线性函数的处理，计算精度较高。但由于求解过程中 有大量的求导、求逆运算，占用计算机内存较多。计算速度慢，收敛性差，易 陷入局部最优解，存在“维数灾 缺陷，而且不可以有效处理离散变量和不等 式约束。非线性规划法虽然是最早应用于实践的优化算法，但是由于存在上述 缺陷，使其只能作为辅助算法进行局部优化计算。目前用的比较多的主要有简 化梯度法【2 l 】【2 2 1 、牛顿法【2 3 】【2 4 1 、共扼梯度法 2 5 1 和二次规划法【2 6 1 。 动态规划是数学规划的一个分支，是研究多阶段决策过程最优解的有效方 法，因其能够处理非线性问题，并反映优化过程而被引入无功优化领域，产生 了无功优化的动态规划法【2 7 】。该方法从动态过程的总体进行寻优，按时间或空 间顺序将问题分解为若干互相联系的阶段进行求解，每个阶段包含一个变量， 依次对每一阶段做出决策，最后获得整个过程的最优解。动态规划法可以有效 地处理多变量方程和离散性问题，通过引入“时段 概念把非线性问题转化为 多阶段决策问题进行最优化求解，对目标函数和约束条件无限制，收敛性好。 6 但是该方法建模复杂，计算速度慢，存在“维数灾”问题，不易在工程上实现。 近年来的改进措施主要在寻找更理想的降维方法及其他混合控制的方法，并取 得了一定成效。 为了更精确地处理离散变量问题，诞生了混合整数规划法 2 8 】。此类算法的 原理是先对离散变量归整为整数变量，再与线性规划法协调处理连续变量。它 解决了离散变量的精确处理问题，其数学模型也比较准确地体现了无功优化的 实际。文【z 刿提出用基于线性规划的b e n d e r s 分解法对大规模电力系统的无功优化 进行研究。选择以年费用最小为目标函数。该目标函数既包括网损费用，又包 括无功补偿的固定成本与可变成本，并计及节点补偿容量约束、节点电压约束， 将优化问题分解为投资主问题与运行子问题，主问题与子问题交替迭代求解。 混合整数规划法的缺点是：优化过程过于复杂、计算量大、收敛慢、易发生振 荡和发散。 人工智能算法中的t a b u 搜索、模拟退火算法、遗传算法、粒子群算法等在 电力系统无功优化中的应用己取得了大量的研究成果。 t a b u 搜索具体过程是：首先产生一个初始解，然后采用一组“移动 操作 从当前解邻域中随机产生一系列实验解，选择其中对目标函数改善最大的“移 动 做当前解，重复迭代，直到满足一定的终止准则。为了避免局部领域搜索 陷入局部最优的不足，t s 将最近迭代的移动记录到t a b u 表中，避免重复搜索。 另外，为了尽可能不错过产生最优解的“移动”，若满足特赦规则，即使它处 于禁忌表中，这个移动也可实现。文 3 0 1 提出将一种改进的t a b u 搜索算法用于 电力系统无功优化，考虑有功损耗费用和补偿费用，使得总费用最小。在一般 的t a b u 搜索算法的基础上，对搜索步长、禁忌表、不同循环点的选择以及算法 终止判据等问题做了改进，更容易跳出局部最优解，保证可以搜索整个可行域， 从而得到全局最优解的可能性更大。但t s 采用单点搜索，算法的收敛速度和最 终解的好坏与初始解有很大关系，全局搜索能力差，随着控制变量数目增多， 计算时间变长，寻优速度慢。 模拟退火算法是一种基于热力学的退火原理建立的启发式随机搜索算法， 使用基于概率的双向随机搜索技术，能有效的解决带约束的组合优化问题，能 以概率1 收敛到全局最优解。文 3 1 根据电力系统实际运行情况及模拟退火算法 自身的特点，就编码方式、状态产生函数、状态接受函数、初温、温度更新函 数以及内、外循环终止准则等主要问题提出了改进s a 算法。通过i e e e 标准系统 的测试，说明改进s a 算法具有搜索效率高、原理及实现简单、速度快等优点。 该算法的缺点是：算法的收敛性和收敛速度依赖于退火方案的选择，其中包括 退火初始温度的设置、为保证同一温度下的“充分搜索退火速度的选择、根 据邻域搜索中解质量变差的概率分布采用的降温方式等，而这些参数都很难确 定。 7 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应 全局优化概率搜索算法。文 3 2 提出一种基于遗传算法的电力系统电源规划模 型。模型提出的动态模板十进制编码法，成功地解决了电源规划中遗传算法的 染色体编码问题，从而使该模型能容易地计及电源规划中需考虑的各种因素。 文【1 4 提出了一种应用于电力系统无功规划优化问题的改进遗传算法。该算法 对传统遗传算法的编码方式、群体规模以及遗传算子等方面进行了改进，利用 专家知识辅助搜索可行解，并提出罚因子的自适应调整通过。遗传算法具备极 强的鲁棒性，并行计算特性及自适应搜索能力，但也存在以下缺点：( 1 ) 简单遗 传算法很容易出现早熟的现象，阻止算法在更广阔的范围内寻优；( 2 ) 算法若要 搜索到最优解就必须增加搜索的时间，不利于在线应用。 1 4a v c 与电容器优化配置结合的研究现状 当前国内外学术研究中，鲜有通过电容器优化配置来解决a v c 控制设备动 作次数的报道。人们只是把目光集中于在现有电容器配置的基础上，运用动态 无功优化的思想并通过一些方法来限制a v c 控制设备的动作次数。这些方法分 为以下两个方面： 1 通过负荷分段简化动态优化问题。文献 3 3 】利用一种对日控制时段划分 的启发式方法在综合考虑降损效益和有载调压变压器( o l t c ) 、并联补偿电容器 的操作费用，以电容器的最大允许动作次数作为次日控制时段的上限，通过对 临近时段进行合并完成分段操作，在各控制时段已经确定的情况下，通过使用 o l t c 对段内电压越限时刻进行二次调节来保证这个时段的电压质量，实现全 天的无功电压优化控制。文献 3 4 1 利用o l t c 分接头的动作次数来划分负荷分段 数，根据电压合格率来判断分段的合理性，当某一分段内电压合格率较低，则 将该段分为两段直到电压合格率达到要求为止。该方法只考虑变压器分接头的 动作次数约束而没有充分考虑电容器组的动作次数约束。 2 利用费用作为目标函数简化动态优化问题。文献 3 5 1 1 3 6 建立了以总调 节费用为目标函数的动态无功优化模型，将控制设备的动作次数约束转变为调 节设备的费用约束，同时将网损节约费用纳入到目标函数中，形成总费用最小 为目标函数的动态无功优化。 以上研究者们对a v c 设备动作次数约束所作的工作仅仅局限于在系统电 容器已经配置定型的基础上，然而，如果能从电容器配置阶段就考虑今后控制 设备动作次数过于频繁的问题，并由此来指导配置系统电容器，就能大大减轻 a v c 设备动作次数过于频繁的负担，从而为a v c 更好地专注于降损和维持系统 稳定性方面发挥作用打下良好的基础。 1 5 本文研究的主要内容 本文的主要工作内容如下： 1 ) 熟悉a v c 和电容器优化配置系统的研究、应用：熟悉a v c 和电容器优化 配置系统的现状以及存在的问题，提出解决方案。 2 ) 建立基于电容器优化配置的数学模型：将网损作为目标函数的第一个组 成部分，同时以罚函数的形式将负荷节点电压和无功出力越限量加到目标函数 中作为第二个组成部分，在二者之间寻找一个最佳的结合点。 3 ) 对高、中、低三种不同负荷水平进行优化配置计算：得出这三种典型负 荷水平下各补偿点的补偿容量并进行分组。 4 ) 针对无功优化控制变量的特点，引入改进的遗传算法来优化目标函数： 采用基于阶段进化的思想，对遗传算法的不同进化阶段采取不同的群体规模、 交叉和变异概率，使得进化初期算法在较大的范围内寻优，随着进化的进行， 寻优范围缩小，以得到较好的局部搜索性能。 5 ) 对经过电容器优化配置后的a v c 和未经电容器优化配置的a v c 进行无 功电压控制设备动作次数统计和比较，得出两种方法的结果比较。 9 第二章a v c 与电容器优化配置的研究 2 1a v c 的研究 国家电力公司电力系统电压和无功电力技术导则指出：电压是电能质 量的重要指标，电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产 和产品质量以及电气设备的安全与寿命有重要的影响。 电压的运行水平与无功功率的平衡密切相关。为了确保系统的电压运行在正常 水平，系统必须拥有足够的无功电源来满足负荷和网络对无功功率的需求。若 系统的无功电源比较充足，系统就能具有较高的运行电压水平，并且有条件使 得系统运行在最经济的水平；反之，系统的无功电源不足，则系统运行电压水 平偏低，更严重的情况是：在有扰动的情况下，有可能使电压低于临界电压， 产生电压崩溃。因此，应该实现系统的无功功率平衡，据此对无功控制设备进 行合理调整。 2 1 1a v c 的概念、调压手段及原理 1 a v c 的概念 a v c 是指在正常运行情况下，通过实时监视电网无功电压情况，进行在线 优化计算，分层调节控制电网无功电源及变压器分接头，调度自动化主站对接 入同一电压等级电网的各节点的无功补偿可控设备实行实时的最优闭环控制， 满足全网安全电压约束条件下的优化无功潮流运行，达到电压优质和网损最小。 2 a v c 的调压手段 控制系统电压使其运行在安全稳定的水平是a v c 追求的目标，由于电压与无功 的强耦合关系，调压实际上就是调整系统的无功分布。能够影响系统无功分布 的手段有：调节发电机端电压、调节有载调压变压器分接头、调节并联电容器、 电抗器投入切除的容量。 ( 1 ) 调节发电机端电压 发电机通过其励磁系统来达到调节端电压的目的。励磁系统一般包括2 个 主要组成部分：励磁功率单元和励磁调节器( a v r ) 。励磁功率单元向同步发电 机转子提供直流电流( 即励磁电流) ，在发电机定子和转子间产生气隙磁通，充 当发电机进行机电能量转换的媒介；励磁调节器监测发电机的机端电压、电流 或其他状态量，然后按照给定的调节准则对励磁功率单元发出控制信号，控制 励磁功率单元的输出，进而调节发电机端电压到给定值。 发电机既能给系统提供有功，又能提供无功，是电力系统中唯的能同时提供 两种功率的电源。除了能够提供有功，发电机在必要时能够进相运行以吸收电 网中多余的无功。发电机具有连续可调、响应速度快的特点，而且不像无功补 1 0 偿装置那样需要增加额外的投资。所有这些特点使得发电机成为无功电压控制 的主要手段，是保证电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经济性必不可少 的措施之。 ( 2 ) 调节有载调压变压器分接头 在变电站中，为了调压，目前普遍采用有载调压变压器，它通过改变高压 侧绕组( 对于三绕组变压器，还有中压侧绕组) 的分接头进行调压，当低压侧 母线电压偏高时，调节分接头使得主变变比增大，降低低压侧母线电压；当低 压侧母线电压偏低时，调节分接头使得主变变比减小，提高低压侧母线电压。 这种调压方式灵活、可靠、投资较省。需要注意的是，变压器本身不产生无功， 只是通过其分接头的调节来改变系统无功的分布。 ( 3 ) 调节并联电容器、电抗器投入切除的容量 并联电容器、电抗器因其经济性，是目前主要采用的无功补偿设备。在系统电 压较低时，投入电容器、切除电抗器以抬高电压；在系统电压偏高时采用相反 的操作以降低电压，起到稳定电压水平的作用。 与调相机相比，电容电抗器投资省、运行经济、结构简单、维护方便。缺点是： 不能连续调节，调节特性较差，如果电容器参数选择不当还可能与系统发生谐 振，严重放大谐波电压电流，危害电力系统的安全稳定运行，缩短电容器寿命。 除了以上3 种手段外，还可以通过调节调相机、静止无功补偿器等调压，但是 这些无功补偿装置造价昂贵，应用并不广泛，本文不做详细介绍。 3 a v c 的原理 为避免无功长距离输送或多级变压器输送，传统的无功电压控制一般采用 分散控制。在这种控制方式下，各电压控制设备( 发电机、有载调压变压器、 电容电抗器组) 仅能获取本地信息，独立地控制本地的电压。这样的分散控制 虽然速度快，不依赖于控制中心，但由于控制器之间无法协调，仅保证就地无 功电压控制在上下限范围内，可能会对主网的无功分布、电压水平产生不利影 响，无法保证就地控制对于全网来说是最好的控制方式，甚至可以肯定得说， 系统必然还有更好的控制方式。 与分散控制相对应的是电压集中控制，它需要系统范围内各点的电压信息， 由调度中心产生控制信号。在集中控制中，每个控制器需要全系统的动态信息。 运行人员监控全系统的电压分布，然后发出改变全系统无功控制的命令，这种 控制方式对无功测量精度和数据通信有较高的要求，实施起来有一定的困难， 要求对全系统运行机制有透彻的了解，如果要实现闭环自动控制，对基础自动 化水平、信息通道质量和电压无功监控主机系统性能的要求很高，不仅投资太 大，且功能过于集中，风险太大。因此采用这种控制方式只适用于较小的系统。 a v c 系统是集散控制系统，是以上分散控制和集中控制的综合体现，它避免了 单独采用分散控制或集中控制的弊端，扬长避短，采用3 层无功电压控制体系， 解决了分散控制不利于全网最优的缺点，也解决了集中控制风险大的缺点，实 现了全网范围内的无功电压优化运行。 2 1 2a v c 的基本模块 a v c 系统为一集散控制系统，即所谓的集中决策分层控制，具体来说主要 由1 个中心控制子系统和3 个分散控制子系统组成。包括省调度中心的电压无 功综合优化控制系统、地区调度中心的电压无功综合优化控制系统、发电厂的 自动电压控制系统和变电站( 主要为5 0 0 k v 变电站) 的自动电压控制系统。通 过中调主站侧以网损最优为目标函数，电压合格为约束进行优化计算得出各个 调节手段的调整目标，包括发电厂高压侧的母线电压定值、并联补偿设备的最 优化投退状态、主变的分接头最优位置，通过调整达到网络运行的最优状态， 实现无功潮流的最优分布和电压的合格。最终实现省网电压调度的自动化。 1 省调中心电压无功综合优化控制系统 省调中心电压无功综合优化控制系统，为集散系统的集中控制子系统，实 现的主要功能为： ( 1 ) 母线电压考核越限的校正控制。当发现电网内母线电压考核越限时，立 即进行计算分析，提出基于快速实现的校正控制方案并进行快速的控制，提高 母线电压的合格率。 ( 2 ) 电压无功的经济调度。定期或根据事项触发进行电压无功的综合优化， 考虑母线电压的考核限值、各种控制设备的运行限值、考虑电网的无功备用， 在网损最小目标下计算出全网的电压无功综合控制方案。在地区调度中心电压 自动控制系统、发电厂和变电站电压自动控制系统或装置的配合下共同完成全 网的电压无功优化控制。 2 地区调度中心的电压无功综合优化控制系统 地调中心的电压无功综合优化控制系统为集散系统的分散控制子系统之一，实 现的主要功能为： ( 1 ) 省、地区间关口功率因数的控制。根据省级调度中心下发的功率因数定 值进行控制，主要为配合省级的自动电压无功控制系统。 ( 2 ) 根据低压母线电压变化进行的自动电压控制。主要保证用户的电压质 量，同时实现提高功率因数、降低网损的目的。 ( 3 ) 电压无功经济调度。当关口功率因数和母线电压都在合格区域时，可根 据降低网损的目的，对低压电容器投切和主变分接头的调整进行优化分析计算 和综合指标排队，根据优先级进行无功和电压的自动控制，实现无功电压经济 调度。 3 发电厂自动电压控制系统 发电厂自动电压控制系统为集散控制系统的分散控制子系统之一，实现的 1 2 主要功能为： ( 1 ) 实现发电厂( 主要是火电厂) 内多台机组的电压无功综合同步控制，提 高电压无功的综合控制能力，提高系统的无功备用水平。 ( 2 ) 根据给定的高压母线电压计划曲线实现高压母线电压的自动控制。 ( 3 ) 根据省调度中心下发的高压母线电压定值实现全网的电压无功优化控 制。 4 变电站( 主要为5 0 0 k v 变电站) 的自动电压控制系统 变电站的自动电压控制系统为集散控制系统的分散控制子系统之一，实现 的主要功能为： ( 1 ) 根据层间( 如5 0 0 k v 和2 2 0 k v ) 无功交换功率的限值自动进行低压电容 器和低压电抗器的投切，实现无功的分层平衡。 ( 2 ) 根据电压的变化自动进行主变分接头的调整，实现逆调压。 ( 3 ) 接受省调度中心下发的控制指令进行综合控制，包括低压电容器和低压 电抗器的投切，主变分接头的调整，实现全网的电压无功优化控制。 2 1 3 主站、子站、地区网的方案研究 2 1 3 1 主站方案 1 、设计依据 a v c 系统为分层协调式自动优化控制系统，由运行于省调度中心的优化计 算中心系统和分布于各个地区、发电厂、5 0 0 k v 、2 2 0 k v 变电站的协调控制子 系统，以及相关的通信系统和网络组成。省调度中心的优化计算中心系统根据 全网2 2 0 k v 以上电压主网的无功优化计算得出各个子系统的优化控制指标，通 信系统负责将优化指标下发到各个控制子系统。各个控制子系统根据调度中心 下发的优化控制指标进行子系统的优化控制，从而完成全网的分散协调优化控 制的目标。各级优化控制都根据电网安全、优质、经济的调度原则进