（电力系统及其自动化专业论文）基于混合智能算法的配电网无功优化的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于混合智能算法的配电网无功优化 的研究，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。 驴 学位论文作者签名： 刻壹效 日期：塑呈：丝：呈6 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： 刻盔：数 e l 期：塑旦：! 呈：堑 导师签名： 日期： 烫一乡杈一生篓 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 配电系统无功优化是保证系统安全、经济运行的有效手段之一。对无功的合理 优化不仅可以提高系统运行的电压水平，而且可以降低系统的有功网损和无功网 损，提高电力系统的运行效率。本文对电力系统无功优化算法进行了深入研究，针 对算法研究现状提出将粒子群算法与免疫算法进行结合，形成一种新的混合智能算 法称为自适应免疫粒子群算法，从而解决了粒子群算法易陷于局部最优而早熟和算 法后期收敛速度变慢的缺点。通过对实际电网无功优化计算表明，本文提出的基于 混合智能算法的配电网无功优化方法是正确有效的，具有良好的理论价值和实用价 值。 关键词：混合智能算法，无功优化，粒子群算法，免疫 a b s t r a ct t h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni sc o n s i d e r e de f f e c t i v et og u a r a n t e et h es a f e t ya n dt h e e c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m m a k i n gr a t i o n a lo p t i m i z a t i o nt o t h er e a c t i v e c o m p o n e n tn o to m yc a ni m p r o v et h ev o l t a g el e v e lo ft h es y s t e m so p e r a t i o n ，b u ta l s oc a n d e c r e a s et h ea c t i v ea n dt h er e a c t i v en e t w o r kl o s so fp o w e rs y s t e ma n dm a k ei t so p e r a t i o n m o l ee f f e c t i v e t h i sp a p e rh a st h o r o u g h l ys t u d i e dr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h m , a c c o r d i n gt ot h ec a s eo fa l g o r i t h mr e s e a r c h i n g , t h eh y b r i di n t e l l i g e n ta l g o r i t h m - - a d a p tiv e i l l l m t m ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( a n s o ) i sa d v i s e dw h i c hc o m b i n e st h e p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n dt h ei n l m u n ea l g o r i t h mt o g e t h e r , w h i c hh a ss o l v e d t h ep r o b l e m so f p r e m a t u r i t ya n dl o wc o n v e r g e n c es p e e di nt h ef i n a ls t a g eo fp s o a l g o r i t h m t h ei m m u n ep a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi s a p p l i e dt ot h er e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o no fr e a lc 雕；e si nac i t y t h er e s u l t ss h o w st h a tt h eh y b r i di n t e l l i g e n ta l g o r i t h mi n t h i sp a p e ri se f f e c t i v e , a n dp o s s e s s e se x c e l l e n tv a l u ei nt h e o r ya n dp r a c t i c e l i uh u i - j i a o ( p o w e r s y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y a n gs h u - y i n g k e yw o r d s ：h y b r i di n t e l l i g e n ta l g o r i t h m , r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n ，p a r t i c l e s w a r ma l g o r i t h m , i m n l u n e 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义”l 1 2 配电网无功优化问题研究现状2 1 2 1 配电网潮流计算方法的研究现状2 1 2 2 配电网无功优化方法的研究现状”3 1 3 本论文的主要工作6 第二章配电网无功优化8 2 1 配电网的基本概念8 2 2 配电网无功优化的必要性8 2 2 1 无功功率与电压损耗的关系8 2 2 2 无功功率与有功网损的关系9 2 2 3 无功功率与功率因数的关系1 0 2 3 配电网无功优化的目的1 l 2 3 1 调整配电网电压1 l 2 3 2 校正功率因数”1 2 2 3 3 平衡负荷1 2 2 4 配电网无功优化的原则1 3 2 5 配电网无功补偿设备“1 3 2 6 本章小结一1 4 第三章混合智能算法的形成1 5 3 1 粒子群算法1 5 3 1 1 粒子群算法概述l5 3 1 2 粒子群算法的原理1 5 3 1 3 基本粒子群算法的实现1 6 3 1 4 基本粒子群算法的分析1 9 3 2 免疫算法2 0 3 2 1 生物免疫系统及其特点2 0 3 2 2 免疫算法的实现2 l 华北电力大学硕士学位论文目录 3 3 混合智能算法的形成2 2 3 3 1 问题的提出2 2 3 3 2 混合智能算法的实现2 3 3 3 3 混合智能算法的性能分析”2 6 3 3 4 数学优化问题的测试2 7 3 4 本章小结2 8 第四章a i p s o 算法在配电网无功优化中的应用“2 9 4 1 配电网无功优化的数学模型2 9 4 1 1 目标函数：2 9 4 1 2 约束条件2 9 4 2 配电网潮流计算嚣3 0 4 2 1 前推回代潮流算法计算步骤3 l 4 2 2 基于潮流的网损计算_ 一3l 4 3 基于a i p s o 算法的无功优化的具体操作3 2 4 3 1 免疫粒子的编码3 2 4 3 2 初始免疫粒子群的产生3 3 4 3 3 适应度值的确定”3 4 4 3 4 免疫粒子间的结合力及浓度计算3 4 4 3 5 免疫粒子的促进与抑制3 4 4 3 6 免疫粒子的更新3 4 4 3 7 判敛准则3 5 4 4 基于a i p s o 算法的无功优化流程3 5 4 5 本章小结3 7 第五章算例分析3 8 5 1i e e e 1 4 节点系统算例分析3 8 5 1 1i e e e 1 4 节点系统的数据”3 8 5 1 2i e e e 1 4 节点系统无功优化结果及分析3 9 5 2 某城市配电网无功优化分析4 1 5 2 1 某城市配电网的数据4 l 5 2 2 某城市配电网无功优化结果及分析4 3 5 3 本章小结一”4 6 第六章结论与展望4 7 6 1 结论- 4 7 华北电力大学硕士学位论文目录 6 2 展望4 7 参考文献4 9 致j 射5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 i l l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展，用电量大大增加，电网的安全、经济运行日益受到 重视，而无功优化和无功功率补偿是电力系统安全经济运行研究的重要手段之一。 无功优化通过对电力系统无功电源的合理配置和对无功负荷的最佳补偿，不仅可以 维持电压水平、提高电力系统运行的稳定性，而且可以降低有功网损和无功网损， 使电力系统能够达到安全经济运行。通过无功优化不但可以使全网电压在额定值附 近运行，还可以取得客观的经济效益，使电能质量、系统运行的安全性和经济性完 美的结合在一起，所以无功优化的前景十分广阔。 电力系统无功分布的合理与否直接影响着电力系统的安全与稳定。一方面，无 功功率的过剩将引起系统电压的升高，使电压越上限运行，设备绝缘将受到威胁甚 至会引发绝缘击穿事故，而且大量的无功功率在系统中流动也会造成不必要的浪 费。另一方面，无功功率的不足会导致系统电压降低，且用电设备不能充分利用， 过低的电压还可能引起电压崩溃等事故。比如1 9 7 0 年美国纽约大停电和1 9 8 7 年东 京大停电都是由于高峰负荷时无功不足造成的电压崩溃【n 。由此可见，合理的无功 分布是电力系统安全稳定运行的前提保证，也是提高系统运行经济性、可靠性的有 效方法。 自改革开放以来，我国电力工业发展很快，全国发电装机容量、电力设施都以 前所未有的速度在增长，电网电压水平逐步得到改善，无功补偿设备的容量基本上 与新增发电设备的容量相适应。但仍存在一些问题，主要是各级电网特别是地区电 网无功电源规划、建设、管理工作仍然比较薄弱，存在着无功缺额大、功率因数低、 线损率高、电压质量差、无功及电压控制自动化程度低等【2 】。随着电力系统的发展， 电网规模越来越大，电压问题越来越复杂，出现电压崩溃并发展成全国性事故的可 能性也正在逐渐增加，所以亟需全面改善和提高系统的电压质量【3 1 。造成这种局面 的原因是对无功电源的电压支撑作用认识不够。随着电力市场向买方市场转变，由 过去的资金紧张制约电力发展，转向市场需求制约电力的发展，各供电企业逐渐认 识到降低网损是供电部门减小供电成本的重要突破口，也是今后增加供电量的重要 手段 配电网络作为电力系统到用户的最后一环，它与用户的联系十分紧密，对用户 的供电可靠性和供电质量的影响也最直接【t 5 1 。多年来，我国高压输电网络的无功优 化很受重视，有了较多研究也取得了一定成果，并在实践中得到了运用而且效果明显。 但是配电网的研究一直没有得到应有的重视，在配电网的无功资源规划配置、优化网络 华北电力大学硕士学位论文 运行和线损管理方面存在较大问题，不仅损耗高而且电压合格率很低，甚至一些末端地 区电压低到了影响正常用电的程度，给企业造成了一定的经济损失。因此，针对配电网 实际进行无功优化的研究具有很强的现实意义和可行性。 1 2 配电网无功优化问题的研究现状 无功优化补偿【6 】是指当系统的无功资源不足时，实现最小的电容器补偿容量和 最佳的补偿位置，以达到在无功优化控制过程中较小的运行网损和较高的电压合格 率。 目前，我国高压输电网的无功优化补偿问题已经得到了应有的重视，进行了比 较多的研究，提出了不少切实可行的方法。但是，配电网却因为历史原因，无论从 研究现状还是从实际情况来看，都远未达到实用要求。 配电网无功优化过程中，漕先要进行大量的潮流计算，然后是无功优化计算。 因此，配电网无功优化问题需要解决配电网潮流计算和无功优化技术两个方面的问 题。针对这些情况，近年来许多学者、专家对此进行了大量的研究和探索工作，从 各个角度提出了多种解决方法。同时，近年来计算机技术的飞速发展和新的数学优 化方法的引入也为配电网潮流计算和无功优化补偿的研究开辟了新的领域。 1 2 1 配电网潮流计算方法的研究现状 求解配电网的无功优化问题必须首先解决配电网的潮流计算问题。近年来，随 着配电自动化系统在国内外的应用，配电网潮流计算问题已经引起人们的广泛重 视潮流计算是配电网络分析的基础，广泛应用于电网调度、运行分析和规划设计 等，同时也是进行电压调整、无功优化和网络重构必须调用的功能。配电网与输电 网相比有其自身的特点，表现为以下几方面： ( 1 ) 配电网具有闭环结构、开环运行的特性，稳态运行时网络结构多呈现辐射状， 只有在发生故障或倒换负荷时才有可能出现短时环网运行情况。 ( 2 ) 配电网的线路总长度比输电线路长且分支线多、线径小，导致配电网的r i x 值较大，多数情况大于l ，且线路的充电电容可以忽略。 ( 3 烀衡节点在馈线一端，导致网络中电压节点( p v 节点) 少，负荷节点( p q 节点) 多。 以上特点导致了网络的雅克比矩阵的条件数增大，呈现不同程度的病态特征，使得 传统潮流算法牛顿拉夫逊法在计算配电网潮流时收敛效果不好。 随着国际国内电力企业对配电网管理的重视程度不断加深，对配电网潮流的研究也 广泛开展起来，出现了众多结合配电网特殊网络结构而开发的简单迭代算法这些算法 各有特色，但大致可分为2 大类：节点法和支路法r n 。 1 节点法 节点法是以节点的电流或功率注入量和节点电压作为系统的状态变量，列出系 2 华北电力大学硕士学位论文 统的状态方程并求解。这一类算法比较常见的有经典潮流算法，z b u s 法，y b u s 法。 经典潮流算法指的是在输电网中被广泛应用的牛顿法、p q 解耦法以及在它们的基 础上为适合配电网的特点而改进的方法。z b u s 法和y o u s 法在本质上是一致的。z b u s 法f 8 】计算原理是，分别计算当松弛节点独立作用于整个配电网且所有的等值注入都 断开的情况下某节点的电压y 和只有等值注入电流作用( 没有松弛节点) 时的节点电 压矿，然后应用叠加定理矿= + y 。，即求得该节点电压值。这里等值注入电流指的是 除根节点以外的其它配电网元件如负荷、电容电抗器、无功补偿器等在它们所连的母线 上产生的等值注入电流。 2 支路法 ” 支路法以配电网的支路流电流或功率流作为状态量列出系统的状态方程并求解。此 类方法中的典型算法有以支路电流为状态量的回路阻抗法、以支路网损为状态量的前推 回代法、以支路电流为状态量的前推回代法等。 由s k g os w a m i 等人提出的回路阻抗法处理网孔能力较强，迭代次数不随系统 节点数或环路数增加而发生较大的变化，具有良好的收敛稳定性，但其节点和支路编号 处理复杂，计算占用系统内存较大；在节点众多的配电网中有一定的局限性。 前推回代法原理简单，具有收敛速度快、数值稳定性好的特点，而且不需要矩阵 计算，占用计算机资源很少。该算法特别适合于呈辐射状的配电网，因此前推回代法是 近年普遍使用的辐射型网络潮流算法。 综上所述，在环网处理能力方面，对于计算含环网的配电网潮流，节点类算法( 如 z b u s 法，y b u s 法等) 、回路阻抗法都有较强的环网处理能力，前推回代法处理环网能 力较弱。在算法的稳定性方面，一般可以认为算法的收敛阶数越高，算法的稳定性越差。 上述两大类中的几种方法的收敛阶数均为一阶，所以从理论上讲算法有较好的稳定性。 而传统潮流算法牛顿拉夫逊法是一种二阶方法，其收敛性受初值影响较大，因此稳 定性不是很好。 1 2 2 配电网无功优化方法的研究现状 电力系统无功优化是典型的非线性规划问题，具有多变量、多约束、非线性、 不连续等特点，其优化变量既有连续变量如节点电压，又有离散变量如变压器档位、 无功补偿装置投入组数等，使得整个优化过程十分复杂，特别是优化过程中离散变 量的处理更增加了优化问题的难度。因此，无功优化问题成为众多学者关注的研究 领域。人们曾提出了一系列的优化算法，主要分为常规优化算法和人工智能算法， 这些算法各有优缺点，现分别介绍如下。 1 常规优化算法 ( 1 ) 线性规划法 线性规划法就是把目标函数和约束条件全部用泰勒公式展开，略去高次项，使 3 华北电力大学硕士学位论文 非线性规划问题在初值点处转化为线性规划问题，用逐次线性逼近的方法来进行解 空问的寻优。线性规划法的优点是计算迅速，收敛可靠，便于处理各种约束，能满 足实时调度对计算速度的要求，但优化精度较差。文献【9 】通过合理选取电容器投切 点的电压幅值作为控制变量，既减少了状态变量的数目，又使目标函数可用控制变 量的显式表示，减小了问题的规模，简化了计算。文献【1 0 】提出一种采用改进的原 对偶仿射尺度内点法求解无功优化问题的线性规划模型，该算法对迭代初始点的选 择要求不严，具有稳定的收敛性能。 ( 2 ) 非线性规划法 配电网无功优化问题是一个满足等式和不等式约束的复杂非线性问题，所以非 线性规划法是处理无功优化的最直接的方法。常用的非线性规划方法包括牛顿法、 广义简约梯度法和二次规划法等。总体而言，非线性规划法的数学模型建立比较直 观，物理概念清晰，计算精度高。但到目前为止还没有一个成熟的基于非线性规划 的无功优化算法。现有的算法或多或少都存在计算量大，内存需求量大，收敛性差， 稳定性不好，对不等式的处理存在一定的困难等问题，所以它的应用受到了一定的 限制。非线性规划法尤其不适合于大型电力系统的实时无功控制和优化。 ( 3 ) 混合整数规划法 混合整数规划法能够有效地解决优化计算中变量的离散性问题。该方法是通过 分支一定界法不断定界以缩小可行域，逐步逼近全局最优解。由于配电系统中的可投 切电容器组数和可调节变压器分接头都是整数变量，所以混合整数规划法被用于配 电网的无功优化中。首先在分析一些整型控制变量特性的基础上，建立了电压、无 功控制中使用的数字模型，并由此导出完整的非线性混合整数电压无功功率优化模 型，然后用混合整数规划法进行无功电压优化控制。混合整数规划法在工程应用中 更趋于合理性，但计算时问较长，且其解的结果与初值的选取有关。混合整数规划 优化算法的弊端在于计算时间属于非多项式类型，随着维数的增加，计算时问会急 剧增加，有时甚至是爆炸的。 ( 4 ) 动态规划法 动态规划法是研究多阶段决策过程最优解的一种有效方法f l l l 。动态规划法的核 心是贝尔曼最优化原理，它按时间或空间顺序，将问题分解为若干互相联系的阶段， 依次对它每一阶段做出决策，最后获得整个过程的最优解。动态规划法对目标函数 及约束条件要求不严，并不需要为线性和为凸函数，解出的值为全局最优解，它可 以处理含离散数据的问题。但动态规划法也存在缺陷。由于选取的状态变量或决策 变量过多，造成计算机存储所占的内存猛烈增加，容易造成维数灾，求解问题困难， 而且此法不存在标准的数学构成，构造实际问题的动态规划较难。 综上所述前面提到的各种无功优化算法都有一定的优越性和适应性，并已成功 解决了电力系统无功优化的许多问题，但是它们都是单路径寻优模式，这是传统经 4 华北电力大学硕士学位论文 典优化算法所无法克服的弊端。其次由于无功优化问题中的控制变量如变压器分接 头、可投无功补偿容量等都是离散变量，而经典优化方法一般要求可微或线性化， 用于离散无功优化问题可能会有较大误差。针对这些问题，人们逐渐把人工智能算 法运用于无功优化这一领域。 2 人工智能算法 ( 1 ) 遗传算法 遗传算法是一种模拟自然界遗传选择和适者生存的生物进化过程的随机搜索 方法，它强调自适应性。首先按一定的概率分布在较大的范围随机产生试探点，以 实现大范围的粗略搜说，然后逐步缩小随机产生试探点的范围，使搜索范围逐步变 为精细搜索，而得到全局最优解。它主要包括初始化、评价、选择、杂交和变异过 程。由于遗传算法无初值要求、通用性强等优点，它被广泛应用于配电网的无功优 化中。文献【1 2 ，1 3 提出了用遗传算法来求解配电系统中电容器的最优配置问题， 即解决投放的电容器的数目、类型、规格与位置，目标函数中同时考虑了加装电容 器的费用和网损费用。但遗传算法的精度较差、收敛性较慢，不利于在线运行，无 法满足电容器实时投切的要求。所以在实用性方面要进行改进，与其它算法相结合， 以提高收敛速度。 ( 2 ) 模拟退火算法 模拟退火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，能有效地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。但在实际应用中，模拟退火得到的最后解质量和计算收敛速度依 赖于退火方案的选取，若选择不当，则需要大量的随机迭代，计算量大，得到的解 与最优解相差甚远。文献【1 4 】提出了将搜索过程与最优解更新序列分离的改进措施， 通过设定阈值分别判断抽样过程和退火过程是否结束以保证解的最优性。改进模拟 退火建模简单，对系统的规模不敏感，计算内存小及具有较好的鲁棒性。 ( 3 ) 人工神经网络 人工神经网络又称连接机制模型或并行分布处理模型，是由大量简单元件广泛 连接而成的，用以模拟人脑行为的复杂网络系统。人工神经网络有分布式存储信息、 集体运算和自适应学习的能力，具有预测性、指导性和灵活性的特点。人工神经网 络以高维性、并行分布式信息处理、非线性及自组织自学习等优良特性应用于电力 系统中。其收敛特性好，但是神经网络自我学习周期较长，求解容易陷入局部极值 点，不利于多节点系统的在线快速实时控制。 ( 4 ) 免疫算法 免疫算法( i m m u n ea l g o r i t h m ，简称i a ) ，是最近发展起来的一种新型多目标全 局搜索算法【1 5 , 1 6 1 。该算法通过对生物免疫系统原理的模拟。利用免疫系统抗体的多样 性和自我调节功能，来保持优化问题中解群体的多样性。从而能克服寻优迭代过程中 5 华北电力大学硕士学位论文 的。早熟 问题。其记忆细胞的功能特点又确保算法能快速收敛于全局最优解。免疫 ”算法与一般确定性优化算法相比有以下显著特点：它同时搜索解空间中的一系列 的点：o 它处理的对象是表示待求解的参数的编码数字串；o 它使用的是目标函数 本身； 它的变化规则是随机的。免疫算法与其它非确定性算法( 如遗传算法、进 化策略等) 之间有如下的区别：它在记忆单元基础上进行、确保了快速收敛于全 局最优解；o 它有计算亲和性( a f f i n i t y ) 的程序，反映了真实的免疫系统的多样性 ( d i v e r s i t y ) = o 它通过促进或抑制抗体的产生，体现了免疫反应的自我调节。 ( 5 ) 粒子群算法 粒子群算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，简称p s o ) l 7 l 是一种基于集群智 能的随机搜索优化算法该算法源于对鸟群捕食行为的研究。通过对简单社会系统的 模拟在多维解空间中构造所谓的“粒子群一，粒子群中每个粒子通过跟踪自己和群 体所发现的最优解，修正自己的前进方向和速度，从而实现寻优。p s o 同遗传算法 类似但没采用其交叉以及变异操作，而是粒子潜在的解在解空间追随最优粒子进行 搜索。粒子群算法在多维空间、动态目标寻优等方面，具有收敛快、解质量高、鲁 棒性好等特点；其缺点是易陷入局部极优点，且算法收敛精度不高，在算法后期收 敛速度变慢，收敛性受参数影响较大。因此出现了改进粒子群算法，避免了上述缺 陷。粒子群算法在电力系统无功优化中的应用虽尚未广泛推广开来，但是已经显示 出巨大的潜力。 除了以上介绍的智能优化算法外，应用于无功优化领域的还有进化规划法、蚁 群算法、b o x 算法和多智能体算法等智能优化算法的主要缺点在于缺乏合适的策 略指导局部寻优方向，容易陷入局部最优，收敛速度比较慢 1 3 本论文的主要工作 电力系统无功优化问题是一个复杂的非线性数学规划问题国内外学者对无功 优化问题已经做了大量的研究工作，就目前的状况来看，无功优化问题的基本数学 模型是成熟的，求解方法也多种多样。但从各种算法的比较来看，各种方法都存在 着不同的缺陷，尚不能说找到了一种切实可行，快速完善的求解算法。本文在认真 学习和研究前人工作成果的基础上，采用了一种新的混合智能算法一自适应免疫粒 子群算法用于无功优化计算，并将结果和粒子群算法进行比较本论文的主要工作 如下： ( 1 ) 首先深入了解无功优化的特点，并对无功优化的发展进行回顾，在这个过 程中对常用无功优化算法进行详细介绍，比较各种方法的优缺点 ( 2 ) 充分研究配电网无功优化的预备知识，根据配电网运行的特点，以系统网 损最小和电压水平最好为优化目标，建立配电网无功优化的数学模型。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 重点研究粒子群算法和人工免疫算法的原理、特点，对其进行分析，在此 基础上，提出了粒子群算法和免疫算法相结合的方法来解决配电网无功优化问题。 本文把提出的新的混合智能算法称之为自适应免疫粒子群算法( a d a p t i v ei m m u n e p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) ，简称为a i p s o 算法。 ( 4 ) 将a i p s o 算法用于基本测试函数中，将优化结果与基本粒子群算法进行比 较，来证明本算法是一种有效的优化方法。 ( 5 ) 将本文提出的算法用于i e e e 1 4 节点算例和具体算例中，验证算法的正确 性和有效性。通过类比基本粒子群算法结果，用事实说明本文所提出的自适应免疫 粒子群算法在收敛精度和收敛速度上均有上佳表现。 谚 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章配电网无功优化 2 1 配电网的基本概念 电力系统中电源来自发电厂，并通过高压或超高压输电网络传送到负荷侧，然后由 电压等级低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起分配电能 作用的网络就称为配电网络。配电系统在整个电力系统中定界如图2 - 1 所示。 输电线路配电线路 低压线路 l 厂j f 1 _ j 1 r l 升变；嘻降变 卜誊叶卜输电十变电十 配电十用户 图2 - l 电力系统各环节示意图 配电是电力系统发电、输电和配电( 有时也称供电和用电) 中直接面向电力用户的环 节【堋由配电设备，包括馈线、降压变压器、断路器、各种开关在内构成的配电网和继 电保护、自动装置、测量和计量仪表以及通信和控制设备构成一个配电系统，按一定的 规则运行，以高质量的电能持续地满足电力用户需求。就我国电力系统而言，配电网是 指1 1 0 k v 及以下的电网。在配电网中，通常把1 1 0 k v ，3 5 k v 级称为高压，1 0 k v 级称 为中压，0 4 k v 级称为低压。 2 2 配电网无功优化的必要性 2 2 1 无功功率与电压损耗的关系 电压质量是电能质量的主要指标之一，电压质量一般以偏移量是否超出给定值 来衡量1 1 9 1 。配电网中无功负荷与有功负荷一样，也是随机变化的。在配电网中无功 功率不足或过剩的情况下，将引起电压偏移或波动，从而影响到配电网的安全经济 运行和用户的安全优质生产。 ， 线路电压损耗的近似计算公式为： 们= 警 ( 2 - 1 ) 式中，a u 表示线路的电压损耗；p 表示线路传输的有功功率；q 表示线路传输 的无功功率：r 表示线路的电阻；x 表示线路的电抗；表示线路的额定电压。 8 华北电力大学硕士学位论文 由上式可见，在网络结构与参数( 主要是电阻r 和电抗x ) 确定的情况下，电压损耗 与输送的有功功率以及无功功率成正比。当输送的有功功率为定值，线路电压损耗取决 于输送的无功功率的大小。如果输送过多的无功功率，则线路电压损耗可能超过最大允 许值，从而引起用户侧电压偏低。这就是需要对配电网进行无功运行优化分析的主要原 因。 根据上式，可得到补偿前线路的电压损耗为： 阢= 等等 补偿后线路的电压损耗为： = 盟业 。( 2 - 3 ) 其中，吃，玩为负荷的有功功率和无功功率；r 表示线路的电阻；x 表示线路的 电抗：表示线路的额定电压；劬表示并联补偿电容器的容量。 由以上两式可以得出，由于补偿了无功功率，线路可减少的电压损失为： j a 0 1 - a u 2 = 等 变压器的电压损耗计算公式完全可以套用线路的电压损耗计算公式，只是等值模型 比线路的等值模型多了励磁支路而己。 可见，为了保证配电网的电压水平，减少用户端的电压偏移或波动，配电网必须拥 有足够的无功电源和调节能力。低电压对用电设备影响很大，由于各种用电设备是按照 额定电压来设计制造的，因此如果用电设备的端电压较大幅度地下降，很可能使设备损 坏，产品质量下降，产量降低等，甚至引起系统的“电压崩溃 ，造成大面积停电。 2 2 2 无功功率与有功网损的关系 有功网损是衡量配电网建设完善化和管理水平高低的一项综合性经济技术指 标，它与无功电源的分布、无功功率的传输以及无功功率的调度等都有紧密的联系。 线路有功损耗的近似计算公式为： 屹= 可( p 2 + q 2 ) 尺 ( 2 5 ) 。 r ，z l 二。j ， 其中，鲲表示线路的有功功率损耗；p 表示线路传输的有功功率：q 表示线路传 输的无功功率；r 表示线路的电阻；表示线路的额定电压。 变压器有功损耗的近似计算公式为： 9 华北电力大学硕士学位论文 蝎啼最警 ( 2 - 6 ) 其中，a p b 表示变压器的有功功率损耗；尸表示变压器传输的有功功率；q 表示变 压器传输的无功功率；表示变压器的额定容量；昂表示变压器的铁损：最表示变 压器的铜损。 配电网的有功网损即为配电网中所有变压器和线路有功损耗之和，其表达式为： p = e a p l + 峨 ( 2 7 ) 由上式可见，配电网运行电压越高，电网中的电流越小，则有功网损越小。当输送 的有功功率、网络结构和参数一定时，输送的无功功率越小，有功网损就越小。可见， 无功功率在配电网中的流动是造成有功网损增大的直接原因。 根据上式，可得到补偿前配电网有功网损邸为： 邮= 鸭笋m c 啪筝， 补偿后配电网有功网损易为： 蝇钮挚m 儡+ 最掣， ( 2 - 9 ) 其中，圪，吼为负荷的有功功率和无功功率；如表示并联补偿电容器的容量； r 表示线路的电阻；表示线路的额定电压；勋表示变压器的额定容量；局表示变压 器的铁损；最表示变压器的铜损。 由以上两式可以得出，由于补偿了无功功率，配电网减少的有功网损为： 必一啦皇e ( 垒二簦哟) + ( 垒二肇笔；垡芝最)( 2 1 u nb n 可见，为了降低配电网的有功网损，就必须尽量减少无功功率在配电网中的流 动。有资料表明，1 3 的电力是在配电系统中浪费掉的1 2 0 l ，中国电监会发布的统计数 据显示：截止2 0 0 6 年底，全国发电装机容量达到6 2 2 0 0 万千瓦，全国发电量达到2 8 3 4 4 亿 千瓦时，1 的网损就足够建两座多2 0 0 万千瓦的巨型电厂，它能给社会带来巨大的经济 财富。目前，国际、国内能源紧张是制约发展的主要原因之一。国务院已经提出要 建设节能型环保型社会。电力系统节能的重要手段就是合理调节运行方式、保证经 济运行其无功管理就是保证无功分层、分区，就地适时平衡，减少无功异地输送， 降低线损，保证电压稳定，提高用电设备效率，最大限度的节约能源。 2 2 3 无功功率与功率因数的关系 负荷的功率因数是表征负荷的主要指标之一。功率因数的定义为： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 叩2 i 2 丽( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 中，c o s y 是功率因数：s 、p 、缈分别表示视在功率，有功功率，无功 功率；矽为负荷的功率因数角。因为配电网中的负荷一般呈感性，所以配电网中的功率 因数角一般滞后，即负荷的电流相量角滞后于电压相量角。由上式可知，当负荷所需要 的有功功率一定时，如果功率因数越低，则需要的无功功率就越多。为了消除无功功率 在配电网中的大量流动，就需要对负荷进行补偿，来提高负荷的功率因数。 根据上式，可得到补偿前负荷的功率因数为： 咖舻赢 b 补偿后负荷的功率因数为：一韶 p r 。 嘞2 雨丽i 孬 吃上+ ( q ! l q i c ) z ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 其中，圪，缆为负荷的有功功率和无功功率；o c 表示并联补偿电容器的容量。 由上两式可以得出，由于补偿了无功功率，负荷的功率因数提高了： c o s 9 2 c o s 仇一c o s 吮= 了丽p l 一了零南 q - 因此，为了提高负荷的功率因数，必须尽量补偿负荷消耗的无功功率。 2 3 配电网无功优化的目的 配电网无功优化的主要目的是：( 1 ) 调整配电网电压；( 2 ) 校正功率因数：( 3 ) 平衡负荷。这三个目的是相互关联的，比如，校正功率因数和平衡负荷的同时，也 调整了电压水平。 2 3 1 调整配电网电压 引起配电网电压变化的原因主要有三点：( 1 ) 配电网中的负荷发生变化；( 2 ) 向 配电网供电的输电网节点电压发生变化；( 3 ) 配电网络结构因故障、检修等原因而 发生变化。电压无功控制主要讨论前两种情况，而第三种情况一般属于网络重构的 范畴。 在负荷对无功功率的需求不断变化的情况下，电压调整就显得尤为重要。所有 负荷的无功功率需求都是变化的，并且变化的范围和变化的速率不一样。在所有的 情形下，负荷对无功需求的变化会引起配电网中各点电压的变化，从而影响到其他 用户的运行效率，导致不同用户的负荷间的相互干扰。因为负荷中最多的是异步电 华北电力大学硕士学位论文 动机，它对电压变化十分敏感。当电动机输出功率一定时，其定子电流、功率因数 和效率随供电电压而变。电压下降时，电动机转差率增大，而使定子、转子电流都 急剧增大，从而使电动机温度上升、效率降低和功率因数变坏，严重时可以烧坏电 动机。反之，当供电电压升高时，电动机、变压器等有铁芯的电气设备，铁芯趋于 饱和，从而导致激磁电流与铁芯损耗大大增加，使设备过热，效率下降。对于照明 设备( 如白炽灯) ，当电压下降时，发光效率将下降；当电压升高时，其寿命将缩 短。对于电热设备，电压过高会烧坏设备，电压过低则会达不到所需温度。因此， 为了保持配电网的电压变化在指定的范围内，就需要经常调整配电网的电压。补偿 设备和调压设备在电压调整过程中起到十分重要的作用。减少电压偏移最为实用和 经济的方法是根据负荷要求的最大有功功率来确定电力系统的规模，而用无功补偿 装置和调压设备来处理电压无功问题。 配电网电压调整的意义是减少供电电压偏差，提高供电电压质量，保证电力设 备的安全运行，保障用户安全生产和生活，从而使电力部门和用户双受益。 2 3 2 校正功率因数 功率因数校正通常是指应尽可能在靠近需要无功功率的负荷处产生无功功率， 而不应该由遥远的电源处送来无功功率。大多数工业负荷的功率因数是滞后的，即 它们消耗感性无功功率。所以负荷电流大于单纯供给有功功率时的值。在能量转换 过程中，有功功率才是真正有用的，多余的负荷电流，对用户而言只是一种浪费。 因为用户不仅要为多余的输电电缆容量付钱，而且要为电力电缆中多余的有功损耗 付钱。电力部门同样不希望从远处的电源向负荷输送不必要的无功功率，否则，一 方面他们的发电机和配电网络得不到充分有效的利用，另一方面，电网电压的控制 也会变得更为困难。因此，功率因数校正的原则是就近供给无功功率。 配电网校正功率因数的意义是：降低网损，减少电压损耗，提高电力设备的利 用率和电力网的输送能力 2 3 3 平衡负荷 对于不平衡负荷，应该尽量采用就地分相无功控制策略，使三相负荷得到平衡， 而不应该由遥远的电源处送来不平衡的三相功率。因为大多数交流电力系统是三相 的，并且是设计在平衡条件下运行的，因此不平衡运行可能引起负序和零序电流分 量这些分量将引起人们不希望看到的效应：如发电机和电动机中的附加损耗，交 流电机中的振动力矩，增加整流器中的纹波，若干设备的不正常工作，变压器饱和 以及过大的中线电流等。某些设备是依靠平衡运行来消除三次谐波的，在不平衡条 件下，三次谐波便会出现在电力系统中。严重的，不平衡运行还会引起某些保护和 自动装置的误动作，将对电力系统造成很大的威胁。 华北电力大学硕士学位论文 配电网平衡负荷的意义是：减少不平衡负荷对临近其他电力用户的影响，保证 配电网的安全运行。 2 4 配电网无功优化的原则 配电网无功优化是地方电力公司提高电压质量、降低网络损耗的重要手段之 一，必须遵循以下原则嗍： ( 1 ) 保证电压质量 电压是电能质量的重要指标之一，配电网的无功控制应使各节点电压在各种正 常及事故后运行方式下满足要求，保证电压质量，使电压偏移在规定的范围内。 ( 2 ) 力争经济性能最佳 除了安全性外，配电网无功优化所追求的最主要的目标是经济性能最佳。配电 线路的主要任务是为了有功功率的传输。因此由无功功率引起的线路有功损耗应该 尽可能的小。 嘭 ( 3 ) 配电网中无功电源应能随时满足无功负荷的需求 并联电容器组是配电网中应用最广泛的无功补偿设备，必须满足在正常电压水 平下的无功功率需求，才能使配电网的无功功率得到有效的控制。 ( 4 ) 配电网无功功率控制要求采取就地平衡，分层分区控制的原则 在配电网中，无功功率的控制要坚持分层分区控制的原则，无功电源和无功负 荷都应采取分电压层和分供电区基本平衡的原则进行优化控制，即每个电压等级发 出的无功功率和消耗的无功功率平衡，每个地区发出的无功功率和消耗的无功功率 平衡。 2 5 配电网无功补偿设备 配电网无功补偿设备【6 , 2 1 l 一般有同步调相机、电力电容器和静止补偿器。 ( 1 ) 同步调相机 同步调相机实质上是只发无功功率的同步发电机，在过激运行时向系统供给无功功 率，欠激运行时从系统吸收无功功率。同步调相机在运行时产生有功功率损耗，一般在 满负荷运行时，有功功率损耗为额定容量的1 5 - - ，3 ，容量越小，所占的比重越大， 在轻负荷时，这一比例也要增大。从建设投资费用看，小