（电力系统及其自动化专业论文）电力系统pmu优化配置及可行方案评估.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e ma n dt h ei n c r e a s i n g l ys t r i c t e rr e q u i r e m e n t o ns e c u r i t ya n ds t a b i t y t r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gs y s t e m sb a s e do ns t e a d ys t a t e s u c h a ss c a d a e m s c a nn o tm e e tt h en e e d so fd y n a m i cm o n i t o r i n g w i d ea r e a m e a s u r e m e n ts y s t e m w a m s b a s e do np h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t p m u c a n e f 亿c t i v e l yh a n d l et h ep r o b l e mo fw i d ea r e as y n c h r o n o u sm e a r s u r e m e n ti np o w e r s y s t e m a n do f 佗ran e wa p p r o a c hf o rs t a b l e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fp o w e r n e t w o r k al o to fr e s e a r c h e si n d i c a t et h a ti tc a ng u a r a n t e ef h l ln e t w o r ko b s e r v a b i l i t y t op l a c ep m u si nc e n a i nb u s e si np o w e r g r i d t bp l a c ep m u so p t i m a l l yi sad i s c o n t i n u o u s h i g hd i m e n s i n a l n o n l i n e a r o p t i m i z a t i o ng r o u p i n gp r o b i e m f i r s t l y m a i n s t e p s f o rn e t w o r ko b s e r v a b i l i t y a n a l y s i s a r ep r o p o s e d b ys t u d y i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m uo p t i m a l p l a c e m e n t s e c o n d l y t h e o p t i m i z a t i o n i s p r o c e s s e di nt w os t a g e p r e l i m i n a r y p l a c e m e n ta n da s s e s s m e n tf o rf e a s i b l es c h e m e i np r e l i m i n a r ys t a g e t h eb i n a r yp a n i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n b p s o i sa p p l i e d t ot h ei s s u eo fo p t i m a lp m u s p l a c e m e n t c o n s i d e r i n gt h ed e n c i e n c yo fc o n v e r g e n c e r a t ei nc o n v e n t i o n a lb p s o ap r o b a b i l i t ys h i f t i n gf a c t o ri si n t r o d u c e dt o a d ju s tt h e p r o b a b i l i t yo fv a l u eo n0o r1a c c o r d i n gt ob u s o u t l e tn u m b e rs ot h a tt h ea b i l i t yo f c o 力v e r g e n c er a t eo fs o l u t i o n si si n l p f o y e db a s e do na n a y z j n g t h el j m i t a t i o no f g e n e r a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mo n m u l t i p l e s o l u t i o n si s a n a l y z e d a n dt h e n i m p r o v i n gm e a s u r e s a r ep r e s e n t e d t h ee f f e c t i v e n e s so fp r o p o s e d a i g o r i t h mi s v e r i f i e db yt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t so fn e w e n g l a n d39 一b u ss y s t e m i e e e 30 b u ss y s t e ma n dh u n a nc h a n g z h u t a n4 2 一b u ss y s t e mr e s p e c t i v e l y i nt h ea s s e s s m e n ts t a g e t h ew e a kv o l t a g eb u s e sa r ei d e n t i 行e da f t e rn e t w o r k a n a l y s i sw i t hc o n t i n u a t i o np o w e rf l o wn r s t l y a n dt h e nac o e 施c i e n ti si n t r o d u c e dt o c o m p a r et h es u mo fv o l t a g ed r o p so fe v e r ys c h e m e n n a l l yt h es c h e m ew i t hl a r g e r c o e f n c i e n t sa r er e c o n l m e n d e d t h et e s t p r o g r a mi sd e s i g n e di nm a t l a ba n dt h e r e c o m m e n d e ds c h e m e so fi e e e3 0 b u ss y s t e ma r ep r o p o s e d k e yw o r d s b i n a r yp a n i c l es w a mo p t i m i z a t i o n p h a s o rm e a s u e r m e n t u n i t p r o b a b i l i t ys h i f t i n g c o n t i n u a t i o np o w e rn o w v 6 l t a g es t a b i l i t y i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 烈弑 吼枷净 期砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部 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 复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密团 请在以上相应方框内打 作者签名 导师签名 濂 日期 拜f 月砂日 日期 年t 月歹 日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着电力工业的发展 现代电力系统己步入了大机组 高电压 大电网的时 代 由于大电网运行具有明显的优越性 如可以合理开发利用资源 节省投资和 运行费用 提高供电可靠性等 因此大电网互联已成为世界各国电力工业发展的 趋势 现在我国正在大力推进 西电东送 南北互供 全国联网工程 目前 已实现了东北一华北 华北一华中 华中一华东及华中一南方电网等大区联网 网架结构得到了明显加强i 卜2 1 过去 由于技术水平等因素的制约 获取电网的实时动态信息非常困难 全 球定位系统 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m s g p s 技术的广泛应用和现代通讯技术的 迅速发展 使得广域实时同步相量测量成为可能 基于g p s 时钟同步技术的同 步相量测量装置 p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t p m u 为直接观测电力系统的动态行 为提供了重要手段 p m u 不但可以同步测量母线电压相量和线路电流相量 而 且还可以测量发电机的转速与功角1 3 4 j 只要将p m u 分别安装于不同地点 并通 过通信网络联接起来 构成广域同步相量测量系统 调度中心的运行人员就能够 通过这个测量系统了解到整个系统的实时动态运行状况 基于g p s 技术的广域同步相量测量研究与应用被称为当前电力系统的三项 前沿课题之一 其重要应用价值是在系统发生扰动或故障的情况时提供系统的实 时动态信息 为电力系统暂态稳定分析与控制提供重要依据 因此 各国电力公 司 科研机构都在对广域实时同步相量测量在电力系统中的应用开展积极研究工 作 许多电力公司也安装了一定数量的相量测量装置 广域同步相量测量有望在 改善电力系统状态估计 验证用于暂态稳定研究的电力系统模型的正确性 自适 应失步保护 在线暂态稳定分析与失稳预测及改善电力系统控制等方面取得广泛 应用1 5 但目前 国内外的广域同步相量测量系统仍然主要应用于系统的监视和 录波 而要将其应用于系统的稳定控制 还存在着 定的局限性 如广域同步相 量测量系统的测量实时性不高 获取的相量信息存在较大的滞后性 p m u 安装 数量不足或安装地点方案的不足 使得全系统电压相量不能完全可观测等 p m u 配置通常和可观测分析及状态估计紧密联系在一起 即研究如何在电 力系统中选择安装地点和安装数目 确保p m u 组成的量测系统可以提供足够的 量测 使被研究的电力系统可观测 电力系统p m u 优化配置及可行解评估 1 2 问题的提出及研究意义 卫星技术 计算机技术和通信技术的发展为相角测量提供了成熟的基础 尤 其自1 9 9 3 年全球定位系统 g p s 全面民用化以来 就以其定时精度高 性能价格 比高和可靠性高等优点 在电力系统中得到了广泛的应用 把g p s 用于电力系 统相角测量 能使人们直接看到系统的运行状态 世界上许多国家的电力公司 科研机构和高等院校投入了大量的人力和物力 开发 研制同步相角测量装置 p m u 及其在电力系统中的应用 基于g p s 技术的同步相量测量单元 p m u 在电力系统得到应用后 由于 p m u 能够高精度地直接测量测点的电压幅值和相角 己有很多学者在研究如何 充分利用p m u 提供的相角信息进行电力系统分析和控制 可观测分析是全网状 态估计必备的功能 电力系统运行状态为各母线电压相量 幅值和相角 由网络 元件参数 表征网络拓扑连接特性的开关状态和边界条件 发电和负荷水平 决 定 传统状态估计认为电压相角很难直接测量 所以普遍采用非线性最小二乘估 计方法 但当系统规模庞大时计算速度和精度等方面还有很多不足 而且 现有 的数据采集与监视控制系统 s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n s c a d a 设计及状态估计都基于系统准稳态运行条件 对于暂态监控基本无能为力 由于 p m u 能够高精度地直接测量测点的电压幅值和相角 所以p m u 的引入解决了这 一难题 电力系统可观测性 6 是指系统的量测集 数量和种类 及分布足够用以求解系 统当前的状态 如果全网所有母线都配置p m u 则全系统就是完全可观测的 状态估计就是简单的线性算法 但限于经济因素 p m u 自身的价格以及安装p m u 所需要的其它设备例如通讯系统等都很昂贵 所以现阶段还不可能完全配置 p m u 这就需要研究使成本最低 即配置p m u 数量最少 同时保证系统结构完 全可观测的p m u 最优配置问题 需要寻找一些组合优化算法来实现这种优化配 置问题 1 3 国内外研究现状 p m u 的安装地点和数量选择问题实质上是一个复杂的优化组合问题 相关 研究内容包括以p m u 配置数目最少和系统完全可观测性为优化目标1 7 以改善 状态估计准确性 引 简化潮流计算 9 1 考虑系统同调性 1 0 1 等为优化目标 有较多 研究成果 1 3 1 考虑系统可观测性的p m u 优化配置方法 p m u 配置优化问题是一类不连续的高维非线性组合优化问题 求解这类最 硕士学位论文 优化问题主要有三种方法 枚举法 启发式算法和搜索算法 枚举法效率比较低 在空间规模较大时会出现组合爆炸 启发式算法效率较高 但针对不同的问题需 要找出其特定的规则 不具通用性 搜索算法使用了某种规则随机搜索最优解 可以同时在解的质量与效率上达到较好的效果 但这类算法的全局最优性难以得 到保证 在系统规模较大时尤为明显 求解的结果往往是局部最优解 1 1 1 由于 p m u 的最优配置问题属于复杂的组合优化问题 大多数学者采用启发式算法和 搜索算法来实现网络可观测性1 1 2 d3 i b a l d w i n 最早研究了在电网中安装最少数量的p m u 并保证系统可观测的问 题t 1 4 j 其采用修正的二分搜索方法 b i s e c t i n gs e a r c h b s 和模拟退火方法 s i m u l a t e da n n e a l i n g s a 相结合的双搜索算法 来求解p m u 安装数量的最小子 集 但此方法计算量过大 影响了其在较大规模系统中的应用 文献 1 5 给出了考虑灵敏度约束的系统可观测下的p m u 优化配置模型 该 模型函数以系统拓扑可观测和p m u 配置在带有最高灵敏度参数的母线上为依 据 用模拟退火法来搜索系统可观测下的灵敏度限制的最小p m u 配置且使经济 函数达到最小值 文献 1 6 1 8 应用遗传算法 g e n e t i ca l g o r i t h m g a 对p m u 优化配置进行研 究 遗传算法是一种搜索能力很强的全局优化算法 它不依赖于具体问题 对目 标函数和约束条件既不要求连续 也不要求可微 对优化设计的限制较少 因而 在很多领域取得了广泛的应用 文献 16 应用改进的自适应遗传算法进行p m u 优化配置 文献 17 提出了基于p a r e t o 最优解的多目标进化算法 通过p a r e t o 占 优排序来确定个体适应度 可为p m u 的优化配置提供多种可行方案 文献 1 8 提出了利用非交配排序遗传算法进行p m u 的优化配置 考虑了一个非劣等解前 沿识别算子 当前沿识别算子随着网络规模的扩大而比较接近时 将导致适应度 在数值上比较接近 但是这些算法仍然难以避免收敛在局部最优解上 文献 7 提出了将p m u 配置分为预处理和动态处理两个阶段 预处理阶段首 先确定必需配置和无需配置的节点 动态处理配置阶段逐次确定下一个需要配置 p m u 的节点 得到初始配置方案后 再用模拟退火方法进行校核 此方法的求 解速度是以牺牲寻优范围为代价的 无法求得所有全局最优点 电力系统p m u 优化配置的其他方法还有禁忌搜索算法 19 1 粒子群算法 2 0 1 基于图论 2 j 的p m u 配置方法 基于线性规划 2 2 j 的优化算法等 1 3 2 基于改进状态估计准确性的p m u 配置方法 状态估计是现代能量管理系统 e n e 玛ym a n a g e m e n ts y s t e m e m s 的重要组 成部分 它根据系统收集到的测量值 求得系统状态变量的最佳估计值 状态估 计的原始数据主要来自数据采集系统s c a d a 但s c a d a 系统只能提供稳态的 电力系统p m u 优化配置及可行解评估 低采样密度的 不同步的电网时间断面信息 不足以支持现代电力系统的安全稳 定运行 p m u 的出现使得对电力系统同步观测成为现实 同时弥补了s c a d a 系统的不足 文献 2 3 介绍了基于s c a d a p m u 混合量测的广域动态实时状态估 计方法 在p m u 配置不足的情况下 利用s c a d a 采集的信息实现动态过程下 实时电网观测 文献 2 4 考虑了w a m s 精确数据与s c a d a 非精确数据的相互配 合 利用p m u 所产生的精确数据来同步系统其它部分的s c a d a 数据 并对其 加上时间坐标 然后进一步利用状态估计来提高数据精度 文献 2 5 以减小状态估计误差的方差为目标 确定在什么位置配置p m u 可 以最大限度地改善状态估计的性能 该文献给出了引入p m u 测量值的系统状态 估计模型和状态估计误差的协方差矩阵 由于对状态估计误差总方差的影响不仅 是某量测值的精度 还与网络结构和参数有关 为此按照每个母线及与之相关联 的母线误差方差之和q c 由大到小的顺序配置p m u 使状态估计精度得 到明显改善 1 3 3 考虑系统同调性的p m u 配置方法 同调性是指一群发电机的转子角 或一群母线的电压 的时间响应曲线之间 的差值保持不变的特性 在一个同调群内只需配置一个p m u 就可实现对整个 群的监控 从而大大减少了p m u 的数目 文献 2 6 利用扩展等面积准则 e x t e n d e d e q u a la r e ac r i t e r i o n e e a c 的主导模式概念 识别所有可能出现的暂态功角失稳 模式 并据此将所有发电机节点划分为不同的同调群 在每个同调群及临界群内 都选择一台有代表性的发电机 一般选择惯量大的发电机 作为代表 并配置 p m u 对于p m u 在变电站的配置方法 文献 2 7 是将具有相同或相似电压变化 动态轨迹的母线组成同调区域 搜索出电压安全裕度小的母线区域 并在该区域 中电压安全裕度小的母线上配置p m u 1 3 4 考虑潮流方程直接可解的p m u 配置方法 文献 9 给出了充分考虑网络结构特点的p m u 最小配置方法 该方法首先选 择出线度最小的节点为初始配置节点 以此为出发点 顺序求解未知节点电压相 量个数最少的节点功率方程 若已有方程解不出新的未知节点电压 在与之相邻 的未知节点电压个数最少的p q 节点上增配p m u 则功率方程直接可解 从而 实现潮流方程不需迭代即可解出 文献 2 8 提出计及p m u 支路电流相量的潮流方程直接可解法及其最优配 置 该法首先选择连接支路较多的节点上安装p m u 根据p m u 测得的支路电流 相量 可计算出与该节点相连节点的电压相量 从而提高潮流方程求解速度 硕七学位论文 1 4 本文研究的主要内容 本文针对p m u 配置优化问题进行如下研究工作 1 研究了该问题的数学模型 基于电网可观测性分析原则提出了系统可观 测性分析的具体实现步骤 2 将p m u 优化配置分为两个阶段 即首先求出初步配置方案 然后对初 步配置的可行方案进行评估 得出推荐配置方案 3 初步配置阶段 将二进制粒子群算法应用于p m u 优化配置问题 针对 普通二进制粒子群算法收敛慢的不足 引入概率偏移因子 根据出线度的不同 对不同节点设置不同的概率 分析普通优化方法在多解问题上的应用局限 进而 提出改进措施 用m a t l a b 编写程序 并对i e e e 3 0 节点系统 新英格兰3 9 节点 系统和长株潭4 2 节点系统进行仿真 仿真结果表明 引入概率偏移因子的b p s o 算法在收敛速度上有明显改善 与其他算法相比 引入求解次数m d d p 后 算法 可得到更多可行解 4 在可行解评估阶段 引入电压降落和系数对可行解进行评估 首先对系 统进行连续潮流分析 找出薄弱母线 引入电压降落和系数 通过比较各方案的 电压降落和系数 找出各方案所监测到的电压降落和最大的一组 该方案即为推 荐方案 当负荷过大时 能准确测量薄弱母线的电压和相位 并根据电网情况实 时作出调整 从而改善系统的电压稳定性 用m a t l a b 编写程序 得出i e e e 3 0 节点的p m u 推荐方案 电力系统p m u 优化配置及可行解评估 2 1 引言 第2 章p m u 原理及配置模型研究 随着电力系统的发展 现代电网需要更高的实时监控精度 电力系统运行状 态由网络参数 表征网络拓扑连接特性的开关状态和边界条件 发电和负荷水平 共同决定 基于全球定位系统技术的同步相量测量单元利用g p s 的授时信号能 够提供高精度的电力系统节点电压相量和支路电流相量数据 实现发电机功角和 母线电压的实时监控 为电力系统安全运行提供必要的预测和控制依据 2 9 3 们 我国的同步测量技术的研究工作始于1 9 9 5 年前后 并在最近几年得到了广泛的 重视和应用 东北电网 华北电网 三峡电网 江苏省电网和南方电网已部分完 成或正在实施p m u 配置计划 3 l 3 2 1 由于价格和技术等方面的原因 现阶段还不能为所有母线都配置p m u 同 时大量的研究结果表明 只要有一定的节点安装p m u 通过测量和计算即可保 证系统各节点电压相量的完全可观测 因此没有必要在所有节点安装p m u 7 1 2 2p m u 的基本理论 2 2 1 广域同步相量测量系统综述 如p y i l 图2 1 广域同步测量系统结构 近年来 广域测量系统 w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m w a m s 的研究开发 工作在国内外方兴未艾 这主要源自电力系统的2 个发展需求 3 3 1 时间上同步 目前各种电力系统故障滤波仪 由于不同地点之间缺乏准 确的共同时间标记 记录数据只是局部有效 难以用于全系统动态特性的分析 如何统一全电网的时标一直是困扰电力工作者的一大问题 全球定位系统g p s 的出现 提供了一个很好的统一系统时标的工具 因此在电力系统中已经有相当 硕十学位论文 多的应用 2 空间上广域 随着西电东送 全国联网和电力市场的推进 电力系统的 空间范围不断扩大 形成广域电力系统 广域电力系统的运行分析与控制 都是 以状态量测为基础的 根据电力系统发展的需求 人们开始研究相量量测单元p m u 和w a m s 电 力系统中的电量 如电压 电流等 均为正弦量 正弦量的三要素分别为幅值 频 率和初始相角 对于同频率的电量来讲 幅值和相角是关键因素 而长期以来电 量的幅值可以方便地测量 但相角的测量却是一个未解的难题 早期的相角测量 方法是将交流电压波形送到控制中心进行比较显示 由于存在不确定的延时 造 成这种方法的测量精度太低 因此使相角测量的应用和研究停滞不前 电力系统实时相角测量长期未能实现的根本原因在于电力系统地域辽阔 采 用常规的方法和技术难以实现 随着卫星技术 计算机技术和通信技术的发展使 相角量测有了一定的基础 尤其是19 9 3 年 全球定位系统g p s 全面民用化后 以其定时精度高 性价比高和可靠性高 在电力系统中得到了广泛的应用 为 p m u 提供了成熟的基础 3 孓3 4 使人们能够直接看到系统的运行状态 图2 2 展 示了p m u 在电力系统中的应用 基于g p s 的全网动态安全监测系统 稳态检测ii 动态检测ii 稳定检测il 故障分析 最大相角筹测 量 在线潮流 计算 在线参 数辨识 在线 状态估计 静 态安全分析 电机动态行 为监测 系统 动态行为监 测 负荷动态 行为监测 静态稳定检测 电压稳定检测 在线暂态稳定 检测 在线暂 态稳定预测 失步预测 区域稳定控制 故障检测及判 别 故障测 距 录播分析 图2 2w a m s 在电力系统中的应用 p m u 的研究起步于2 0 世纪8 0 年代的美国 1 9 8 2 年至1 9 8 6 年处于概念阶 段 1 9 8 6 年至1 9 8 8 年处于试验装置阶段 1 9 8 8 年至1 9 9 1 年处于系统中试运行 阶段 19 9 2 年以后工业化产品问世 美国电力研究院 e p r i 从1 9 9 3 年开始 在 美国西部电网协调委员会 w s c c 的成员电网中 开始p m u 的应用研究 并先 后组织了一系列现场试验 1 9 9 2 年 美国佐治亚电力公司 佛罗里达电力公司 和田纳西山谷电管局 t v a 分别安装了多台p m u 进行广域扰动试验 并验证电 力系统的稳态数学模型 1 9 9 4 年 t v a 在其6 9 条母线配置了p m u 装置 进行 动态记录 分析和模型修正p 引 电力系统p m u 优化配置及可行解评估 法国在东南部与阿尔卑斯地区电网安装数台p m u 进行电压相角监视 而 且计划在未来几年覆盖整个法国电力系统 先期安装的p m u 测量网络成功监测 到19 9 0 年1 月2 5 日法国南部电网事故 并在随后进行了多次其他实验 3 6 我国有关工作起步于1 9 9 5 年 目前有中国电力科学研究院 清华大学 华 北电力大学 华中科技大学 山东工业大学 西安交通大学 河海大学等单位从 事研究开发工作 我国成功研制出了基于g p s 的相角测量装置 它采用了过零 检测原理 具有测量精度高 结构简单 成本价格低的特点 并建立了一套关于 相角量测 数据传送方面的理论和方法 申请了国内和国际专利 37 1 截至2 0 0 7 年底 我国已配置超过4 0 0 台p m u l 3 8 主要安装在5 0 0 k v 及以 上变电站和部分6 0 0 m w 电厂 预计2 0 1 2 年 我国将在所有的5 0 0 k v 及以上的 变电站和3 0 0 m w 及以上的电厂配置p m u 随着电力系统互连网络的增大 控制系统和保护越来越复杂 相角的实时测 量使得人们能够实时地看到系统的状态 必将使电力系统的监控和保护提高到一 个新的水平 相角测量可望在电力系统的状态估计 静态稳定监测 暂态稳定预 测及自适应保护方面发挥其作用 2 2 2p m u 结构及原理 p m u 利用全球定位系统g p s 提供的同步信号进行工作 一种典型的p m u 装置如图2 3 所示 图2 3p m u 结构图 g p s 接收器提供一个秒脉冲信号和一个包括年月日 小时分钟秒的时间标 签 时间可以是当地时间 也可以是国际标准时钟时间 脉冲信号通过锁相晶振 器分割得到需要的模拟信号采样脉冲 模拟信号是经过变压器和混叠滤波器后的 电压电流信号 与传统远动终端装置 r e m o t et e r m i n a lu n i t r t u 所不同的是 各p m u 在 时间上保持同步 可以测量相角 即可以获得各母线电压相量 从而可以直观了 硕士学位论文 解各个状态量之间的相量关系 p m u 的关键在于相角和功角的测量 而有效值等量的测量则与传统装置无 异 这里的相角测量是指母线电压或线路电流相对于系统参考轴之间的夹角 p m u 正是利用g p s 时钟同步的特点 测量各节点以及线路的各种状态量 通过 g p s 对时 将各个状态量统 在同一个时间坐标上 由此得到相角 这样 可 以获得各个节点和母线状态的相量而不仅仅是有效值 从而可以直观地了解各个 状态之间的相量关系 采用g p s 技术构成全网统一时钟后 系统中任意节点处均可根据所得到的 高精度时间构成一个按额定频率旋转的同步参考相量 进而得到待测交流量对该 参考相量的相对角 借助通讯手段可以得到不同地点交流量之间的相角差 相角测量的的方法基本可分为两大类 一类是采用过零点检测法 另一类是 傅立叶变换法 过零点检测法的原理是 利用g p s 提供的秒脉冲信号 对测量 装置中的本机晶振信号进行同步 建立标准的5 0 h z 信号 在c p u 内 对过零 点打上时间标签 并求出其相对于标准5 0 h z 信号的角度 采用g p s 技术构成全 网统一时钟后 借助于通信手段 还可得到不同地点交流量之间的相角差 傅立 叶变换法采用模拟量输入 经低通滤波器和a d 变换送给c p u 傅里叶变换法 的测量精度优于过零点检测法 但它需要的数据采样点远远多于后者 且要经过 一系列运算才能得到最终结果 在耗费c p u 资源的同时 还将影响c p u 的反应 时间 所以 对于实时性要求较高的情况可考虑选用过零检测法 对于实时性要 求不高的情况则可考虑选用傅里叶变换法 这样 整个测量系统就建立了一个精 确的同步时钟系统 为相角测量的精度提供了保障 3 9 1 2 2 3p m u 在状态估计中的应用 目前在电力系统中运行的状态估计程序 都是基于潮流的非线性状态估计 通过s c a d a 系统测量到的量测量 如节点注入功率 支路功率 节点电压幅值 等 以求解非线性方程组的方式 通过反复的非线性迭代 求解出系统的状态量 即系统各节点的电压幅值与电压相角 这种非线性迭代状态估计程序计算整个电 网电压相量的时间比较长 而且由于电力系统的量测信息是通过远动装置传送到 调度中心的 由于远动装置的误差及在传送过程中各个环节所造成的误差 使这 些数据存在不同程度的误差 这样迭代求解出来的电压相量的精度也难以得到保 证 如果能将节点的电压相量直接测量出来并加入到基于潮流的状态估计中 则 状态估计问题将变成一个线性估计问题 还将可以实时运行 鉴于相角信息的重 要性 人们很早就希望能实现对相角的直接测量 但是由于相角是相对量 对其 测量必须涉及远方量做相对比较而难以实现 一种可行的办法就是把远方各点的 电力系统p m u 优化配置及可行解评估 电压波形的过零时刻或相对于某一时刻的初相角记录下来并传送到调度中心 通 过比较波形过零时刻或初相角而得到各母线的电压相角 即通常所说的同步相量 测量技术 同步相量测量技术从8 0 年代初就开始研究 但由于同步相角测量需要各地 精确的统一的时标 将各地的量测信息以精确的时间标记同时传送到调度中心 对5 0 h z 工频量而言 i m s 的同步误差将造成l8 的相位误差 这在电力系统中 是不允许的 由于当时缺乏精确的时间同步装置 同步相角测量技术并未得到 很好的发展 进入9 0 年代 随着g p s 全面建成并投入运行 其精确的时间传递功能在电 力系统中得到了越来越广泛的应用 g p s 每秒提供一个精度为l s 的脉冲信号 其相位误差不超过0 0 1 8 完全可以满足相角测量的要求 因此 近年来越来 越多的学者在基于g p s 的相角测量装置 p m u 方面展开研究 并开始装备于电 力系统 状态估计的主要任务之一就是通过非线性迭代求解出系统各节点的电压相 角 随着p m u 在电力系统中的广泛应用 节点的电压相角可以直接测量 如果 在系统的所有节点上都装设p m u 装置 那么系统各节点的电压幅值和相角就能 直接测得 状态估计就变成了状态测量 无需再迭代求解非线性方程组 p h a d k e 博士在分析相角测量的应用时 探讨了这种测量全部节点电压相量及全部或部分 支路电流相量条件下的状态估计问题 并在此基础上建立起了状态估计的线性模 型 4 0 4 2 1 然而考虑到当前价格和技术方面的因素 目前乃至相当长的一段时间内 不 可能在系统的所有节点上都装设p m u 而且 电力系统在结构上存在着高度的 稀疏性 因此只需在部分节点适当配置p m u 就可实现系统的线性可观测性 文献 1 4 的研究结果表明 只需在1 4 至1 3 的系统节点上装设p m u 装置就可以 使系统可观测 文献 4 2 在此基础上研究了在电力系统部分节点安装p m u 使 得系统满足线性可观测 在系统结构和参数已知的条件下 且部分电压相量和电 流相量可测时 整个电网电压相量的线性状态估计问题 推导出整个电网电压相 量的状态估计表达式 2 3p m u 配置模型研究 2 3 1p m u 最优配置问题的定义 对于一个 节点系统 定义 i 血y t 1 2 1 硕上学位论文 j j 狮 lf l 2 式中 y 表示p m u 的个数 狮表示母线f 可观测 表示系统母线数 五取l 表示该节点配置p m u 取0 则未配置 优化问题的解的维数等于电力系统的母 线数 并用二进制编码 即每一维的取值只能是0 或1 当某一处母线安装了 p m u 时 解的相应位置上取1 123 2 l 图2 4 粒子编码示意图 p m u 配置优化问题是一类不连续的高维非线性组合优化问题 一般会有多 个可行解 故须对可行解进行评估 第三章将进行详述 2 3 2 电力系统可观性分析 1 电力系统可观的定义 可观测性分析 1 6 4 5 撕 是研究某电力系统是否可观测 即研究电力系统中是否 有足够的量测 从而估计出电力系统的状态 节点电压幅值和相角 考察一个系 统是否可观 可以从两个角度来分析 即代数可观 a l g e b r a i c a l l yo b s e r v a b l e 与拓 手f 可观 t b p o l o g i c a ll yo b s e r v a b l e 1 代数可观 一个有 个节点 6 个支路的电力系统可用下面的线性化测量方程来描述 z 胁 v 2 2 式中 z 为6 维量测矢量 日为6 2 一1 维测量雅各比矩阵 x 为2 一1 维电压 状态矢量 1 为6 维测量噪声矢量 如果测量雅各比矩阵日是满秩和良态的 即 日的秩r 日 2 一l 则这个系统是代数可观的 2 拓扑可观 从图论的角度可以将电力系统看作一个由 个顶点 6 条边构成的图 g 矿 e 其中y 表示图的顶点集合 e 表示图的边集合 他们分别对应于系统 的母线和支路集合 测量网络构成一个测量子图g i 一 y e 并有y 矿 e e 如果测量子图g 与图g 的关系满足g g 即子图g 包含图g 的所有顶点 则 系统拓扑可观 2 可观测性分析原则 由于p m u 可同时观测节点电压与支路电流相量 安装p m u 的节点电压与 支路电流可被直接观测 而未安装p m u 的节点电压与支路电流可以经虚拟观测 来获得 虚拟观测 p s e u d om e a s u r e m e n t 是一种不通过直接观测 而是利用与待 观测相关的观测量经计算而得出待观测的方法 4 0 1 在电网中 应用欧姆定律和 基尔霍夫电压电流定律 得可观性分析规则如下 电力系统p m u 优化配置及可行解评估 1 若任意一个节点安装有p m u 则该节点的电压和与其相连的支路电流 可观测 且该节点的各邻接节点电压可计算得出 如图2 5 a 2 若已知支路两端节点电压 则该支路电流可计算得出 如图2 5 b 港一蕊蕊 a v p m u b 一 测量电压测量电流 c d o 亡 一 计算电压计算电流 图2 5 判断节点可观测的原则 对于零注入节点 作如下处理 3 未配置p m u 的零注入节点若其电压已知 直接观测或者虚拟观测 且其 相关之路只有一条不可观测 则该支路电流可计算得出 如图2 5 c 4 若零注入节点所有相连的节点电压都已知 则该节点电压可计算得出 如图2 5 d 3 可观测性分析的程序实现 电力系统可观测分析方法在引入p m u 后成为如何合理地配置p m u 的位置 使其能测量出足够的量测量 从而估计出电力系统的状态的问题 根据上文介绍 的可观性分析原则 采用拓扑可观分析 提出系统可观测的分析方法 根据网络关联矩阵确定的节点之间的连通关系 对系统从配置p m u 的母线 节点开始 依次利用可观性分析的4 条原则搜索系统动态可观测的节点和支路 对一个 个节点 6 条支路的系统 在y 处安装p m u 以实现系统的可观测 分析此系统可观测性的算法如下 1 配置p m u 的节点场 f 1 直接置为电压可观测 2 搜索与节点f 相关联的支路 置这些支路电流可观测 3 搜索与直接可观测点f 邻接的节点 置这些节点为第l 批动态可观测节 点 1 l 4 扫描砌1 将它们之间关联的支路设置为可观测 扫描系统中零注入节点并作以下处理 5 若该节点电压已知 直接观测或者虚拟观测 当其相关支路只有一条支 路为不可观测时 设置该支路电流可观测 同时设置该支路的对端节点为第2 批动态可观测节点砌2 j 1 6 若该节点电压不可观测 其所有邻接节点电压均可观测 则设置该节点 为第二批动态可观测点可观测场2 七 l 其所有关联支路可观测 硕t 学位论文 7 重复第5 步和第6 步 直到没有新的动态可观测量的出现 2 4 小结 本章简单介绍了p m u 和w a m s 的基本原理及p m u 在状态估计中的应用 分析了p m u 优化配置的数学模型 研究了电网可观测性分析原则 在此基础上 将节点分为普通节点和零注入节点并根据其特点而作出不同处理 进而给出了系 统可观测性分析的具体实现步骤 电力系统p m u 优化配置及可行解评估 第3 章基于离散粒子群算法的p m u 配置 3 1 引言 最优化问题 就是在满足一定的约束条件下 寻找一组参数值 以使某些最 优性度量得到满足 即使系统的某些性能指标达到最大或最小 最优化问题根据 其目标函数 约束条件函数的性质以及优化变量的取值等可以分为许多类型 每 一种的最优化问题根据其性质的不同都有特定的求解方法 不失一般性 设所考虑的最优化问题为 i i l i n y 2 厂 m r 气1 s r x s x l 岛 x of 1 朋 v 7 其中 y 厂 x 为目标函数 x 为约束函数 s 为约束域 x 为栉维优化变量 当厂 x 岛 x 为线性函数时 且x 0 时 上述最优化问题即为线性规划 问题 其求解方法有成熟的单纯形法和k a r m a r c 方法 当八 蜀 z 中至少有一个函数为非线性函数时 上述问题即为非线性规 划问题 非线性规划问题相当复杂 其求解方法多种多样 但到目前仍没有一种 有效的适合所有问题的方法 当优化变量x 仅取整数时 上述问题即为整数规划问题 特别是当x 仅能 取0 或1 时 上述问题即为o 1 整数规划问题 由于整数规划属于组合优化问题 范畴 其计算量随着变量维数的增长而按指数级增长 所以存在着 维数灾难 的问题1 46 非线性规划问题 由于函数的非线性 使得问题的求解变得十分困难 对于 诸如目标函数不连续 约束域不连通 目标函数难以用解析函数表达或者难以精 确估计等问题时 传统的优化方法就难以适应了 2 0 世纪5 0 年代中期创立了仿生学 人们从生物进化的机理中受到启发 提 出了许多用以解决复杂优化问题的新方法 如遗传算法 免疫算法 神经网络 群智能算法等 这些方法在处理复杂非线性优化问题逐渐显示出较好的效果 本章将二进制粒子群算法应用于p m u 优化配置问题 针对普通二进制粒子 群算法收敛慢的不足 引入概率偏移因子 根据出线度的不同 对不同节点设置 不同的概率 分析普通优化方法在多解问题上的应用局限 进而提出改进措施 用m a t l a b 编写程序 并对i e e e 3 0 节点系统 新英格兰3 9 节点系统和长株潭4 2 节点系统进行仿真 仿真结果验证了所提方法的可行性 硕士学位论文 3 2 粒子群算法及其在电力系统中的应用 3 2 1 粒子群算法综述 社会心理学博士j a m e sk e n n e d y 和电子工程学博士r u s s e l le b e r h a r t 于1 9 9 5 年提出了微粒群算法1 4 7 微粒群算法是一种演化计算技术 算法中 将鸟群运 动模型中的栖息地类比于所求问题解空间中可能解的位置 通过个体间的信息传 递 引导整个群体向可能解的方向移动 增加发现较好解的可能性 群体中的鸟 被抽象为没有质量和体积的 微粒 通过这些 微粒 的相互协作和信息共享 其运动速度受到自身和群体的历史运动状态信息影响 以自身和群体的历史最优 位置来对微粒当前的运动方向和运动速度加以影响 较好地协调微粒本身和群体 运动之间的关系 在复杂的解空间寻找最优解 为了提高算法的收敛性能 s h i 和e b e r h a r t 于1 9 9 8 年对p s o 算法的速度项 引入了惯性权重国 并提出在进化过程中动态调整惯性权重以平衡收敛的全局性 和收敛速度 该进化方程己被相关学者称之为标准p s o 算法 4 引 c l e r c 与1 9 9 9 年在进化方程中引入收缩因子以保证算法的收敛性 4 9 1 同时似的速度的限制放 松 有关学者已通过代数方法对此方法进行了详细的算法分析 并给出了参数选 择的指导性建议 a n g e l i n e 于1 9 9 9 年借鉴进化计算中的选择概念 5 0 将其引入p s o 算法中 通过比较各个微粒的适应值淘汰掉差的微粒 而将具有较高适应值的微粒进行复 制以产生等数额的微粒来提高算法的收敛性 而l o v b j e r g 等人进一步讲进化计 算机制应用于p s o 算法 如复制 交叉等 给出了算法交叉的具体形式 并通 过典型测试函数的仿真实验说明了算法的有效性 5 1 1 为了提高p s o 算法收敛的全局性 保证微粒的多样性是其关键 为了保证 进化过程中群体微粒的多样性 s u g a n t h a n 在标准p s o 算法中引入了空间邻域 5 2 l 的概念 将处于同一个空间邻域的威力构成一个子微粒群分别进行进化 并随着 进化动态地改变选择阀值以保证群体的多样性 k e n n e d y 引入邻域拓扑的概念来 调整邻域的动态选择 同时引入社会信念将空间邻域与邻域拓扑中的环拓扑相结