（电力系统及其自动化专业论文）无功优化控制在驻马店电网中的应用.pdf

华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 摘要 电力系统无功优化问题是一个多变量 多约束的混合非线性规划问题 优化过程十 分复杂 本论文以驻马店电网的无功优化为研究对象 对预测一 校正原对偶内点法在电 力系统中的应用进行了初步的探索 建立了动态最优潮流问题的数学模型 结合电网实 际情况 利用调度自动化系统 s c a d a e m s 进行潮流计算 编制成相应的无功优化控 制计算软件 通过适当的投切电容器和改变带负荷调压变压器分接头的档位等经济运行 措施 可以使系统在综合考虑电 压要求 运行方式 设备可靠性等众多因素的情况 卜 使 全网的有功损耗最小 从而降低网络运行费用 提高供电质量 本文详细介绍了a v c 系统在驻马店电网中的实际应用情况 选择某一时间段进行优 化前后计算分析 结果表明 该软件实用性强 控制设备动作合理 能有效提高地区电 网的电压合格率 降低电网损耗 关键词 电力系统 动态无功优化 预测 校正原对偶内点法 驻马店电网 abs tract r e a c t i v e p o w e r o p t im i a t io n i s a l a r g e s c a l e n o n l i n e a r o p t i m i z a t io n p r o b le m w it h a l a r g e n u m b e r o f v a r i a b le a n d u n c e rt a i n p a r a m e t e r s s o t h e o p t i m iz a t i o n b e c o m e s v e r y c o m p l e x t h e p a p e r t a k e t h e z h u m a d i a n e l e c t r i c a l n e t w o r k i d l e w o r k o p t im iz a t i o n a s t h e r e s e a r c h o b j e c t t o f o r e c a s t一a d j u s t e d t h e o r ig i n a l a n t it h e s i s in n e r p o in t la w t o c a r r y o n t h e p r e l i m i n a r y e x p l o r a t i o n i n t h e e l e c t r ic a l p o w e r s y s t e m a p p l i c a t i o n h a s e s t a b l is h e d t h e t e n d e n c y m o s t s u p e r i o r t i d a l c u r r e n t q u e s t io n m a t h e m a t ic a l m o d e l u n i f ie d t h e e l e c t r ic a l n e t w o r k a c t u a l s it u a t i o n t h e u s e d is p a t c h a u t o m a t e d s y s t e m s c a d a e m s u n d e r t h e c o n s id e r a t io n o f v o lt a g e r e q u ir e m e n t t h e s y s t e m o p e r a t i n g c o n d i t i o n a n d t h e r e l i a b i l it y o f e q u ip m e n t s t h e a c t i v e p o w e r lo s s e s in t h e w h o le s y s t e m c a n b e r e d u c e d t o t h e m i n im u m b y p r o p e r l y s w it c h i n g t h e c a p a c i t o r b a n k s a n d c h a n g i n g t h e t a p p o s i t i o n o f t r a n s f o r m e r s w it h o n l o a d t a p c h a n g e r s u c h t h a t t h e o p e r a t i o n c o s t o f t h e n e t w o r k c a b b e s a v e d a n d t h e p o w e r s u p p l y q u a lit y c a n b e i m p r o v e d t h i s a rt i c le in d e t a il in t r o d u c e d t h e a v c s y s t e m i n c h u m a t i e n e l e c t r ic a l n e t w o r k a p p l i c a t i o n s it u a t i o n c h o o s e s s o m e t i m e t o c a r r y o n a r o u n d t h e o p t i m iz a t i o n t o c a l c u l a t e t h e a n a l y s is f in a l l y in d ic a t e d t h is s o f t w a r e u s a b le t h e c o n t r o l d e v i c e m o v e m e n t is r e a s o n a b l e c a n e ff e c t i v e l y e n h a n c e e l e c t r i c a l n e t w o r k t h e v o l t a g e q u a l i f i e d r a t e a n d d e c r e a s e s t h e e l e c t r i c a l n e t wo r k t o l o s e k e y w o r d s p o w e r s y s t e m r e a c t iv e p o w e r o p t i m iz a t i o n p r e d i c t o r c o r r e c t o r p r i m a l d u a l i n t e r io r p o in t m e t h o d g e n e t i c a lg o r it h m z h u m a d ia n p o w e r s y s t e m l i mi n g mi n g p o w e r p l a n t t h e r m a l p o w e r e n g i n e e r i n g d i r e c t e d b y p r o f w a n g p e n g 倒匕 o口 尸明 本人郑重声明 此处所提交的工程硕士专业学位论文 无功优化控制在驻马店电网 中的应用 是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间 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 中不包含其他人己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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 夺 明叫日期 了2 右 勺 呀 了 关于学位论文使用授权的说明 木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 杏 叫q1泞师签名 日期 u9 5 s 期 o f 了 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 1 绪论 1 1 无功优化的目的和意义 随着电力行业的快速发展 电网规模日益扩大 电力需求的不断增长 其 安全 经济和优质运行愈益重要 与此同时 随着电力体制改革的深入 竞争 机制在电力市场中的引用 用电管理逐步走向市场 受资源的限制 现代电网 越来越接近于其极限运行状态 这使得电网缺乏灵活的调节能力 特别是在某 些紧急运行情况下 电网更加脆弱 因而电力公司迫切需要提高供电的质量和 可靠性 电压和无功控制就受到大家的关注 如何在满足用户需要的前提下 充分利用系统的无功调节手段 保证系统的安全稳定经济运行 电能量是目前最重要的一种能源 与国家经济的发展 人民的生产生活密 切相关 保证电能质量非常重要 和其他产品一样 电能也有质量问题 电压 和频率是衡量电能质量的两个基本指标 也是电气设备制造的基本技术参数 电压作为其中的一个重要指标 直接影响着电网稳定 电力设备安全 线路损 耗 用电损耗 工农业安全生产 产品质量 经济效益等 国内外发生的许多 电力系统事故都是由于电压不稳定引起的 如 1 9 7 8 年 1 2月 1 9日法国电力系 统历时数十小时的全国大停电 经济损失约 2亿美元 1 9 8 3年瑞典南部大停 电 经济损失约2 3 亿瑞典克郎 电压过高 过低或偏离一定范围都会影响用 电设备的寿命和效率 特别是电压崩溃 1 9 7 0 年美国纽约大停电 1 9 8 7年东 京大停电都是由于高峰负荷时无功不足而造成电压崩溃 进而导 致系统瓦解 大面积停电 造成了巨大的经济损失 据分析 电压崩溃 根本原因在于 系 统无功功率补偿严重不足 对无功和电压问题没有给予充分注意 要求在电 网规划和运行中必须重视无功电源配置和枢纽电压支撑 以防止电压崩溃 因 此 保证电压质量 提高电网的电压合格率是非常重要的 另外无功功率在系 统中的流动不仅要在线路上产生电压降落 影响电压质量和电力系统的稳定 性 而且要损耗有功功率 占 用输电线路和设备的容量 这就要求在电网规划 和运行中 必须控制无功功率 限制其在系统中的流动 由于电力系统中 无 功功率可以分层 分区就地平衡 因此 对无功功率进行有效控制是可能的 电力系统无功优化 一般是指在满足电网的安全运行约束的前提下 通过 变压器分接头的合理选择 发电机机端电压的理想配合以及无功补偿量的优化 配置等措施 使系统无功潮流达到最优分布 减少有功损耗 它对于提高系统 电压质量 减少有功损耗 保证系统安全 可靠和经济运行有重要意义 在我国 随着电力系统的迅速发展 电网规模越来越大 结构日趋复杂 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 1 绪论 1 1 无功优化的目的和意义 随着电力行业的快速发展 电网规模日益扩大 电力需求的不断增长 其 安全 经济和优质运行愈益重要 与此同时 随着电力体制改革的深入 竞争 机制在电力市场中的引用 用电管理逐步走向市场 受资源的限制 现代电网 越来越接近于其极限运行状态 这使得电网缺乏灵活的调节能力 特别是在某 些紧急运行情况下 电网更加脆弱 因而电力公司迫切需要提高供电的质量和 可靠性 电压和无功控制就受到大家的关注 如何在满足用户需要的前提下 充分利用系统的无功调节手段 保证系统的安全稳定经济运行 电能量是目前最重要的一种能源 与国家经济的发展 人民的生产生活密 切相关 保证电能质量非常重要 和其他产品一样 电能也有质量问题 电压 和频率是衡量电能质量的两个基本指标 也是电气设备制造的基本技术参数 电压作为其中的一个重要指标 直接影响着电网稳定 电力设备安全 线路损 耗 用电损耗 工农业安全生产 产品质量 经济效益等 国内外发生的许多 电力系统事故都是由于电压不稳定引起的 如 1 9 7 8 年 1 2月 1 9日法国电力系 统历时数十小时的全国大停电 经济损失约 2亿美元 1 9 8 3年瑞典南部大停 电 经济损失约2 3 亿瑞典克郎 电压过高 过低或偏离一定范围都会影响用 电设备的寿命和效率 特别是电压崩溃 1 9 7 0 年美国纽约大停电 1 9 8 7年东 京大停电都是由于高峰负荷时无功不足而造成电压崩溃 进而导 致系统瓦解 大面积停电 造成了巨大的经济损失 据分析 电压崩溃 根本原因在于 系 统无功功率补偿严重不足 对无功和电压问题没有给予充分注意 要求在电 网规划和运行中必须重视无功电源配置和枢纽电压支撑 以防止电压崩溃 因 此 保证电压质量 提高电网的电压合格率是非常重要的 另外无功功率在系 统中的流动不仅要在线路上产生电压降落 影响电压质量和电力系统的稳定 性 而且要损耗有功功率 占 用输电线路和设备的容量 这就要求在电网规划 和运行中 必须控制无功功率 限制其在系统中的流动 由于电力系统中 无 功功率可以分层 分区就地平衡 因此 对无功功率进行有效控制是可能的 电力系统无功优化 一般是指在满足电网的安全运行约束的前提下 通过 变压器分接头的合理选择 发电机机端电压的理想配合以及无功补偿量的优化 配置等措施 使系统无功潮流达到最优分布 减少有功损耗 它对于提高系统 电压质量 减少有功损耗 保证系统安全 可靠和经济运行有重要意义 在我国 随着电力系统的迅速发展 电网规模越来越大 结构日趋复杂 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 使系统的稳定性问题变得更加突出 而单凭经验进行无功配置已不能适应现代 系统得需要 需要在现代电子与计算机技术得基础上 研究建立无功优化模型 提出相应的算法 在电网的规划建设和实际调度运行中实现无功优化 在满足 电网安全运行条件下 减少有功损耗和投资 随着自 动化技术的日 益成熟 基 于传统的安全监控和数据采集 s c a u a 系统的高级应用软件如网络拓扑 状 态估计 调度员潮流正逐步趋于实用化 在此基础上进行功能的再扩展 开发 电网电压 无功优化控制系统 并且 由于电力通信的飞速发展 调度通信中 心到各级枢纽变电站都具有光纤通道 部分变电站已具有遥测 遥信 遥控 遥调功能 实现了无人值班 在我们现有的自 动化系统基础上进行无功优化计 算 并下达控制指令 利用电力通信通道 将这些指令传递给变电站的综合自 动化系统 投切电容器 调节变压器分接头 来实现无功功率的最优控制 将 线损降低到最低 而且可以 使s c a d a e m s 系统的效益更加直观 明显 研究电力系统无功优化的目 的 就是通过无功潮流的合理分布来有效的保 持系统的电压水平 提高系统的电压稳定性 并降低有功网损 对于电力公司 而言 减少有功网损就是增加利润 在电力公司由粗放式经营向集约化经营方 式转变的今天 进行无功优化就显得更加必要和重要了 综上所述 电力系统无功优化的研究 具有十分重要的理论意义和实际意 义 1 2无功优化的发展历史与现状 1 9 6 2 年 法国 学者j c a r p e n t ie r 首 先提出了 建立在严格数学 基础之上的以 非 线性规 划法表示的电 力系 统最优潮流 o p t im a l p o w e r f lo w o p f 模型 1 0 借助于调整可供利用的控制变量 在满足各种规定的安全运行条件下 使目 标 函数最小 就可以 获得最优状态 选用不同的优化目 标函数 不同的控制变量 集和不同的约束集 就得到适用于不同应用目的的o p f问题 如 经典o p f 校正控制 预防控制 有约束经济调度等 o p f问题与潮流问题 状态估计问 题一样 都可以利用高压电网的物理特性给予解祸处理 使之分解为两个子问 题 即有功o p f 和无功o p f 经典无功o p f 也称为无功优化 电力系统无功优化问 题是一个多变量 多约束的混合非线性规划问 题 其 控制变量既有连续变量 发电机的电压和无功出力 又有离散变量 有载调 压变压器分接头档位 补偿电容器 电抗器的投切组数 使得无功优化过程 十分复杂 也正因为如此 才使无功优化问题成为许多学者关注的研究领域 人们在这一领域孜孜不倦的探索和研究 取得了很多成果 提出了一系列的优 化算法 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 使系统的稳定性问题变得更加突出 而单凭经验进行无功配置已不能适应现代 系统得需要 需要在现代电子与计算机技术得基础上 研究建立无功优化模型 提出相应的算法 在电网的规划建设和实际调度运行中实现无功优化 在满足 电网安全运行条件下 减少有功损耗和投资 随着自 动化技术的日 益成熟 基 于传统的安全监控和数据采集 s c a u a 系统的高级应用软件如网络拓扑 状 态估计 调度员潮流正逐步趋于实用化 在此基础上进行功能的再扩展 开发 电网电压 无功优化控制系统 并且 由于电力通信的飞速发展 调度通信中 心到各级枢纽变电站都具有光纤通道 部分变电站已具有遥测 遥信 遥控 遥调功能 实现了无人值班 在我们现有的自 动化系统基础上进行无功优化计 算 并下达控制指令 利用电力通信通道 将这些指令传递给变电站的综合自 动化系统 投切电容器 调节变压器分接头 来实现无功功率的最优控制 将 线损降低到最低 而且可以 使s c a d a e m s 系统的效益更加直观 明显 研究电力系统无功优化的目 的 就是通过无功潮流的合理分布来有效的保 持系统的电压水平 提高系统的电压稳定性 并降低有功网损 对于电力公司 而言 减少有功网损就是增加利润 在电力公司由粗放式经营向集约化经营方 式转变的今天 进行无功优化就显得更加必要和重要了 综上所述 电力系统无功优化的研究 具有十分重要的理论意义和实际意 义 1 2无功优化的发展历史与现状 1 9 6 2 年 法国 学者j c a r p e n t ie r 首 先提出了 建立在严格数学 基础之上的以 非 线性规 划法表示的电 力系 统最优潮流 o p t im a l p o w e r f lo w o p f 模型 1 0 借助于调整可供利用的控制变量 在满足各种规定的安全运行条件下 使目 标 函数最小 就可以 获得最优状态 选用不同的优化目 标函数 不同的控制变量 集和不同的约束集 就得到适用于不同应用目的的o p f问题 如 经典o p f 校正控制 预防控制 有约束经济调度等 o p f问题与潮流问题 状态估计问 题一样 都可以利用高压电网的物理特性给予解祸处理 使之分解为两个子问 题 即有功o p f 和无功o p f 经典无功o p f 也称为无功优化 电力系统无功优化问 题是一个多变量 多约束的混合非线性规划问 题 其 控制变量既有连续变量 发电机的电压和无功出力 又有离散变量 有载调 压变压器分接头档位 补偿电容器 电抗器的投切组数 使得无功优化过程 十分复杂 也正因为如此 才使无功优化问题成为许多学者关注的研究领域 人们在这一领域孜孜不倦的探索和研究 取得了很多成果 提出了一系列的优 化算法 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 1 2 1无功优化模型 模型处理是无功优化问题的基础 电力系统无功优化问题一般可表示为以 下的通用数学模型 m in f u x s t g u x h u x 1 1 式中u为控制变量集合 即调度员可以调整 控制的变量 x是状态变 量 集合 即 通过 计 算 而 确 定的 变量 f x u 是目 标函 数 集 合 等 式约 束 集 合 到x u 决 定了 状 态变量 与 控制 变量 之间 的 依 赖关 系 等 式约 束集合h x u 反映了系统运行性能的要求及设备技术上的限制 从经济性角度出发的经典模型是考虑系统的网损最小化 目 标函数为 m in 二 m in 甄 g v u uu 一 2u u 1 60 1 2 约束条件包括等式约束和不等式约束 等式约束即满足潮流方程 不等式 约束可考虑 p v节点的电压 有载调压变压器的档位 无功补偿装置的组数 等控制变量上下限 p q节点的电压幅值 p v节点无功注入 支路电流幅值等 状态变量上下限 应考虑哪些约束 因素 要根据具体问题来定 1 2 2 无功电压控制方法综述 1 线性规划法 无功电压优化控制作为一个复杂的非线性优化问题 处理起来在算法上和 计算上都很复杂费时 线性规划方法的核心就是将非线性问题转化为线性的问 题 从而 可以 利用 成熟的线 性规划的 算法 对问 题 进行优化 2 1 该方法是将目 标 函数和约束条件用泰勒级数进行展开 而后忽略高次项 得到线性的目 标函数 和约束条件 进而利用较为完善的线性规划方法求解 文献 3 采用灵敏度分 析方法提供控制变量的增量与负荷节点电压的近似线性关系 提出的目 标函数 为使电容器投切和变压器分接头切换次数为最小 对于该离散变量的线性规划 问题 采用分支定界的方法求解 首先以连续线性规划求解 得到连续解 在 此基础上将上述问题划分为两个子问题 作为两个分支求得整数解 直接求取 线性整数规划的最优解的方法在一定程度上解决了离散变量的问题 文献 4 1 以减小网损为目标 选取广义发电机节点的电压幅值和可调变压器的变比为控 制变量 以逐次线性规划逼近非线性的思路 导出相应的灵敏度无功优化模型 并采用对偶线性规划方法求解 该方法大大减小了解题规模 线性规划方法的数学模型简单 计算速度也比 较高 同时由于线性规划方 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 1 2 1无功优化模型 模型处理是无功优化问题的基础 电力系统无功优化问题一般可表示为以 下的通用数学模型 m in f u x s t g u x h u x 1 1 式中u为控制变量集合 即调度员可以调整 控制的变量 x是状态变 量 集合 即 通过 计 算 而 确 定的 变量 f x u 是目 标函 数 集 合 等 式约 束 集 合 到x u 决 定了 状 态变量 与 控制 变量 之间 的 依 赖关 系 等 式约 束集合h x u 反映了系统运行性能的要求及设备技术上的限制 从经济性角度出发的经典模型是考虑系统的网损最小化 目 标函数为 m in 二 m in 甄 g v u uu 一 2u u 1 60 1 2 约束条件包括等式约束和不等式约束 等式约束即满足潮流方程 不等式 约束可考虑 p v节点的电压 有载调压变压器的档位 无功补偿装置的组数 等控制变量上下限 p q节点的电压幅值 p v节点无功注入 支路电流幅值等 状态变量上下限 应考虑哪些约束 因素 要根据具体问题来定 1 2 2 无功电压控制方法综述 1 线性规划法 无功电压优化控制作为一个复杂的非线性优化问题 处理起来在算法上和 计算上都很复杂费时 线性规划方法的核心就是将非线性问题转化为线性的问 题 从而 可以 利用 成熟的线 性规划的 算法 对问 题 进行优化 2 1 该方法是将目 标 函数和约束条件用泰勒级数进行展开 而后忽略高次项 得到线性的目 标函数 和约束条件 进而利用较为完善的线性规划方法求解 文献 3 采用灵敏度分 析方法提供控制变量的增量与负荷节点电压的近似线性关系 提出的目 标函数 为使电容器投切和变压器分接头切换次数为最小 对于该离散变量的线性规划 问题 采用分支定界的方法求解 首先以连续线性规划求解 得到连续解 在 此基础上将上述问题划分为两个子问题 作为两个分支求得整数解 直接求取 线性整数规划的最优解的方法在一定程度上解决了离散变量的问题 文献 4 1 以减小网损为目标 选取广义发电机节点的电压幅值和可调变压器的变比为控 制变量 以逐次线性规划逼近非线性的思路 导出相应的灵敏度无功优化模型 并采用对偶线性规划方法求解 该方法大大减小了解题规模 线性规划方法的数学模型简单 计算速度也比 较高 同时由于线性规划方 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 法本身的完善性 使其计算规模受到较少的限制 符合大型电力系统计算的要 求 但是线性规划方法也有以下的不足 其一是采用泰勒级数展开 略去了原 目 标函数除去一次项以外的所有高次项 将原本不是凸问题的无功优化问题转 化成了一个线性的凸问题 这种近似的做法虽然可以提高计算速度 但是计算 结果的精确性受到了限制 其二是它很难解决离散变量问题 对于无功优化过 程中的大量离散变量 线性优化方法只能采用离散变量连续化的近似处理 而 无论连续解是多么精确 离散变量的实际值却是无法直接得到的 尽管可以采 用分支定界法来处理 但是这样在很大程度上牺牲了计算时间 降低了计算效 率 2 非线性规划法 数学上讲 如不考虑有载调压分接头和无功补偿设备增量的离散特性 无 功优化是个典型的非线性问题 因此非线性规划法是最直接的计算方法 该方 法的数学模型建立比较直观 物理概念清晰 以下是现有的几种算法 h w d o m m e l 和w f t i n n e y 在1 9 6 8 年 提出了 简 化 梯 度法 5 解决 有功和无功最优问题 这是国外最早出现的较有影响的无功优化算法 对后来 的 研究 产生了 很大的 影响 d a v i d i s u n 和 严正 等 提出了 牛顿优化算 法 6 7 0 其中拉格朗日扩展目 标函数的稀疏海森矩阵可以较简洁地用来求解最优无功 潮流 非常好地利用了电力系统导纳矩阵的稀疏结构 从而减少了计算量和内 存容量 但对不等式约束的处理仍然是不够成熟 尚不能有效地处理无功优化 中大量的不等式约束 有待进一步解决 针对无功优化目 标函数形式为两次函数的电力系统 出现了二次规划算 法 它将目标函数作为二阶泰勒展开 非线性约束转化为一系列的线性约束 从而构成二次规划的优化模型 用一系列的二次规划来逼近最终的最优解 8 1 5 它的优点 是精度较高 可以 方便 地处理 各种等式和不等 式约束 缺点 是在求临界可行问题时可能导致不收敛 有专 家使用s o p 序列二次规划法 1 6 1 计 算电 压无功优化潮流 该方法将问 题转化为反复求解的简单子问题 有约束的拟牛顿法由于加入了k u h n t u c k e r 方程的二阶信息 能够保证超线性的收敛性 算例的结果表明该方法对迭代初 始值的选择要求不严 具有稳定的收敛性能 非线性优化方法的特点是客观地描述了电力系统无功优化的数学模型 原 理相对其他方法而言简单明确 但是非线性优化的方法对目标函数和约束条件 的要求较高 往往很难求得最优解 非线性规划计算中采用了连续变量离散化 的近似处理 不可避免的导致了计算结果有一定的误差 此外 其中的求导 求逆运算很多 占用内存多 使得解题规模受到了很大的限制 同时计算时间 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 长 普遍存在效率较低解题可靠性较差的问题 3 动态规划法 动态规划方法是解决多阶段决策过程最优化的一种数学方法 要求所解的 问题具有明确的时间阶段性 这同我们在前面提到的关于同时考虑电容器投切 和变压器分接头切换状态变量在多时段情况下的数学模型是基本吻合的 在枚 举各种可能的状态组合的过程中 这种方法可以适时排除那些不需要考虑的 解 从而改善了计算效率 在使用动态规划法求解无功电压优化控制问题时 优化口 标的时间区间被 分成t 个时段 各时段的状态即为该时段所有可能的电容器投切状态和变压器 分接头可能位置的组合 从初始状态开始 从前向后逐段计算到达各阶段各状 态的累积电网损耗 再从最后阶段累计损耗最小的状态开始 由后向前回溯 依次记录各阶段使总的网损达到最小的状态 这样就得到最优的电容器投切和 变压器分接头位置的方案 在每步计算网损的时候都需要进行一次潮流计算 但是如果用全状态的动态规划法 对于n台电容器的系统 若要考虑t 个时段 的电容器投切状态问题 则总的状态数目 将为2 x t 当n和t 增大时 计算 量也将随之急剧增大 形成所谓的 维数灾 问题 如果同时还要考虑变压器 分接头的控制 则变量更多 更容易出现 维数灾 为了克服这个困难常采 取一些措施来限制状态的总数目 另外 动态规划难于处理与不同时段相关联的约束条件 比如当我们要考 虑多个时段电容器投切次数总和的次数限制的时候 要解决这个问题 就需要 记录某给定时刻以 前的各个状态 使占 用内 存量和计算时间增加很多 在这方面 文献 1 7 2 1 提出了一类基于动态规划的求解方法 文献 1 7 在枚举各状态的时候 根据电容器投切次数的限制在计算过程中排除了很多明 显不可行的状态 简化了计算 但是这种方法对于包含更多的控制变量的较大 规模的电力网络仍难以实用 文献 1 8 运用人工神经网络与动态规划相结合的 方法 根据已知负荷数据和相应的电容器投切策略 进行聚类操作 获取几类 负荷模式的平均状态矩阵 该平均状态矩阵由部分确定的值和另一部分变量组 成 由于部分值是确定的 由此大大减少了状态数 这种以某种方法预先确定 部分控制变量值的动态规划法 一般称之为部分动态规划法 这是目 前较为常 用的一种方法 部分动态规划的方法加速了计算 但是由于进行了某种程度的 近似 所以不可避免的会丢失最优解 文献 1 9 主要是针对配电站电容器和变 压器分接头的控制 为了减少计算负担 预先确定一个使各阶段的变电站出日 电压为目 标值的变压器分接头位置 而只将该位置及其邻近的两个档位作为每 一个状态点的可取值 文献 2 0 2 1 则是同时协调配电站中变压器分接头和电 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 容器组以及馈线上电容器组的控制 动态规划法作为一种组合优化算法 对目标函数的性态没有特殊要求 能 求得全局最优解 采用一些方法限制状态数目以 后也可以 在一定程度上提高计 算速度 但是它仍然不适合于变量数较多的电力系统 4 内点算法 1 9 9 4年 k a m a r 2 2 提出了一 种具有多项式时间复杂性的线性规划内点算 法 史无前例地将线性规划 二次规划及非线性规划统一起来 该方法以其快 速的收敛性和良好的鲁棒性很快引起了数学界和运筹界的广泛兴算法的变形 近儿年 i p趣 许多学者对这一方法进行了深入的研究 并提出了多种 1 p算 法发展迅猛 电力系统的研究人员将其应用到电力系统的优化问题中 成功地 解决了各种线性 二次和非线性规划问题详见第二章 5 分极分区算法 这是一种辅助方法 对于大系统 根据规划与运行的关系以及电力网络分 布上的区域性特点等 产生了无功优化的分级 分区思想 正是在这种思想基 础上 文献 2 3 2 4 利用无功补偿在系统规划运行中的自 然特性 将整体部分 分为投资与运行两个部分 并协调两者之间的关系 另外 受分解协调思想的 影响 m a n s o u r 等人提出了一种非线性无功优化的分解协调算法 2 5 这种方 法首先从无功控制装置分布的区域出发 将控制特性相同或相近的无功源归为 一个子系统的组件 从而形成多个子系统 再以 各节点电 压对各子系统中的控 制组件控制变量的灵敏度 确定出与控制变量密切联系的节点电压变量 而将 其它变量作为协调变量 以此建立各子系统的数学模型 并用非线性规划求解 以上思想都是希望将大系统分解成小的子系统 然后求解子系统推出大系统的 优化解 而实际上如何处理其协调关系 如何建立比较合理的子系统模型还是 存在着许多问题 6 人工神经网络 人工神经网络 a n n 是模拟人类传递和处理信息的基本特性 由人工模拟 的多个神经元以一定的方式连接而成 单个人工神经元实现输入到输出的非线 性关系 它们之间的连接组合使得 a n n具有了复杂的非线性特性 a n n的特点 是 信息分布存储 有较强的容错能力 学习能力强 可以实现知识的自我组 织 适应不同信息处理的要求 神经元之间的计算具有相对独立性 便于并行 处理 执行速度较快 其缺点是初始训练样本的获取困难 训练时间长 易陷 入局部最小点等缺点 7 遗传算法 近年来国内 外大量的研究工作将遗传算法引入电力系统无功优化 并取得 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 了一定的成果和经验 简单遗传算法一般可以以较快的速度达到最优解的 9 0 左右 但要达到真正的最优解则要花费很长的时间 收敛速度和解的品质是 遗传算法中 一 对很重要的 矛盾 另外 遗传算法作为随 机概率寻 优算法 2 6 1 总 的计算效率低 优化速度慢 往往需要花费大量的时间 此外 常规遗传算法 也有可能出现过早收敛现象 收敛于局部极小点 针对遗传算法的缺点 一些文献提出了对遗传算法的本身的一些改进策 略 例如文献 2 7 对遗传算法中的编码进行了改进 提出先将各个控制变量的 变化范围进行规格化 然后再进行二进制编码 这样可以更好地处理离散变量 以便更好的寻求全局最优解 文献 2 8 则对变异操作进行了改进 将遗传过程 固定不变的变异概率 改进为根据遗传代数和个体适应值的不同而变化的可变 变异概率 从而促进适应值小的个体不断的发生变异 而抑制适应值大的个体 发生变异 并随着遗传代数的增加 使个体变异概率最终趋于一致 这样就更 好的保持了 遗传过程中的优良 性态 改进了全局寻优性 文献 2 9 则对杂交操 作进行了改进 提出一种既可以实现 无确定优势 又可以体现问题特性的 杂交方法 模板杂交 8 其他方法 近年来 人工智能和专家系统技术应用与无功电压优化领域十分活跃 已 开发的饿电压无功专家系统大都是基于启发式规则和无功控制措施对节点电 压的灵敏度 选取最有效的方法来消除电压越限问题 但由于在规则获取和知 识表示方面的困难 达到实用的并不多 为了更好的解决电力系统无功电压优 化问 题 不少学者将数学优化领域的多种方法相互结合 综合使用 扬长避短 提出了一些混合优化方法 在优化过程中发挥各自的优势 进一步提高无功优 化的优化效果 这类算法包括 遗传算法和线性 或非线性 规划相结合的方 法 3 0 3 2 遗传算法和 模拟退火算 法相结 合的 算法 3 3 模糊 控制与 遗传算法 相结 合的 算法 3 4 人工 神经网 络与 遗传算 法相结 合的 算法 3 5 等 1 2 3电力系统无功电压控制的技术发展 近年来 国内外专家 学者提出许多基于新理论 新方法的电压无功综合控 制方法 概括起来讲 对无功电压控制的研究主要有两个方面 即离线优化和实 时监控 离线优化是根据专家经验或由计算机在变电 站一次侧和二次侧有功和无功负 荷预测基础上采用传统的线性规划法进行计算得到第二天的调节方案 由调度下 发给各站 调节方案一般以小时为间隔 很粗糙 实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线电压不断采 样 一旦发现母线电 压或无功功率超越限值就采用一定的优化算法 经典的或现 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 了一定的成果和经验 简单遗传算法一般可以以较快的速度达到最优解的 9 0 左右 但要达到真正的最优解则要花费很长的时间 收敛速度和解的品质是 遗传算法中 一 对很重要的 矛盾 另外 遗传算法作为随 机概率寻 优算法 2 6 1 总 的计算效率低 优化速度慢 往往需要花费大量的时间 此外 常规遗传算法 也有可能出现过早收敛现象 收敛于局部极小点 针对遗传算法的缺点 一些文献提出了对遗传算法的本身的一些改进策 略 例如文献 2 7 对遗传算法中的编码进行了改进 提出先将各个控制变量的 变化范围进行规格化 然后再进行二进制编码 这样可以更好地处理离散变量 以便更好的寻求全局最优解 文献 2 8 则对变异操作进行了改进 将遗传过程 固定不变的变异概率 改进为根据遗传代数和个体适应值的不同而变化的可变 变异概率 从而促进适应值小的个体不断的发生变异 而抑制适应值大的个体 发生变异 并随着遗传代数的增加 使个体变异概率最终趋于一致 这样就更 好的保持了 遗传过程中的优良 性态 改进了全局寻优性 文献 2 9 则对杂交操 作进行了改进 提出一种既可以实现 无确定优势 又可以体现问题特性的 杂交方法 模板杂交 8 其他方法 近年来 人工智能和专家系统技术应用与无功电压优化领域十分活跃 已 开发的饿电压无功专家系统大都是基于启发式规则和无功控制措施对节点电 压的灵敏度 选取最有效的方法来消除电压越限问题 但由于在规则获取和知 识表示方面的困难 达到实用的并不多 为了更好的解决电力系统无功电压优 化问 题 不少学者将数学优化领域的多种方法相互结合 综合使用 扬长避短 提出了一些混合优化方法 在优化过程中发挥各自的优势 进一步提高无功优 化的优化效果 这类算法包括 遗传算法和线性 或非线性 规划相结合的方 法 3 0 3 2 遗传算法和 模拟退火算 法相结 合的 算法 3 3 模糊 控制与 遗传算法 相结 合的 算法 3 4 人工 神经网 络与 遗传算 法相结 合的 算法 3 5 等 1 2 3电力系统无功电压控制的技术发展 近年来 国内外专家 学者提出许多基于新理论 新方法的电压无功综合控 制方法 概括起来讲 对无功电压控制的研究主要有两个方面 即离线优化和实 时监控 离线优化是根据专家经验或由计算机在变电 站一次侧和二次侧有功和无功负 荷预测基础上采用传统的线性规划法进行计算得到第二天的调节方案 由调度下 发给各站 调节方案一般以小时为间隔 很粗糙 实时监控是通过对变电站主变高压侧无功功率和中低压侧母线电压不断采 样 一旦发现母线电 压或无功功率超越限值就采用一定的优化算法 经典的或现 华北电力大学工程硕士专业硕士学位论文 代的 得到 一 组可行解 来以此调节各控制变量 将电 压和无功控制在各自 允许 的范围内 电力系统在事实电压无功控制上 既有个别调节 也有综合调节方式 既有 区域性集中控制模式 也有分层协调控制模式 其发展趋势是 从运行安全性与 经济性着眼 向分层集中综合优化控制模式发展 所谓分层就是将整个电力系统 按电压等级分解 由上 下级调度负责 界面 电压无功的协调控制 所谓集中 就是将电力系统按区域划分 每个调度区根据本辖区无功电源和调节能力进行优 化控制 所谓综合控制是指针对各种无功补偿设备 调压设备 根据各自的功效 及控制特性进行合理使用 协调控制 目 前 在我们国家对电压无功的调节控制从方式上讲 主要有以下几种 1 集中优化控制 这种方式是根据全网的状态进行优化计算 进而得出全网的电压无功的最优 解 通过调度中心进行安全性分析 并按最优解实施电压无功集中优化控制 较 常用的算法有线性规划 遗传算法 人工神经网络等 他们各自的特点前面己经 讲述 通过电网调度中心实施整个系统的电压无功集中优化控制是最合理的方法 2 就地分散控制 这种方式基本以 变电站为单位实施本地分散控制 调节电 压和无功功率就地 平衡 这种方法的优点是原理简单 实施可靠 避免了无功功率经长途输送流经 各级输变电设备所造成的功率损耗和电压降落 由于仅能得到本站的数据所以其 缺点是仅能实现局部最优 无法实现全局最优 3 关联分散控制 关联分散控制方式即以变电站为中心 根据上级调度事先规定的母线电压允 许数值和该变电站与系统交换无功功率的允许范围 由安装于该站的电压无功综 合控制装置根据该站的实时运行情况 对有载调压变压器的分接头位置和并联电 容器组进行优化自 动调节 需要时也可由 调度直接下达命令进行调节 正常运行 情况下 安装在各厂 站 的关联分散控制装置根据事先设计好的控制规律进行 调控 调控范围和定植是从整个系统的安全性 稳定性和经济性出发 由电压无 功优化程序事先计算好的 在紧急情况下或系统运行方式发生大的变动时 可由 调度中心直接控制或由调度中心修改下属变电 站的母线电压和无功功率定植 以 满足系统安全 稳定 经济运行的需要 就装置进行调节动作的判据来看 大致有以下儿种 1 按功率因数控制 根据功率因数自 动投切并联电 容器组 若功率因数低于 下限则投入电容器组 高于上限则切除电容器组 该方法未考虑投切并联电容器 组对母线电压的影响 而且当负荷较轻时较小的无功功率变化回引起功率因数较 华 北 电 t k l i n 竺壁竺 i f 塑兰 大的变化 存在动作频繁的问题 2 甲按电压控制 当母线电压低于限值时自 动投入补偿电容器组 电压高于限 值时切除补偿电容器组 该方法未考虑无功功率平衡这一基本条件 因此也是不 合理的 3 根据电压 时间序列的复合控制 根据变电站的日负荷曲线 将每天分为 多个负荷时段 根据不同负荷时段对电压和无功的要求对变压器分接头进行调节 和投切并联电容器组 该方法适应性差 只适合于负荷较稳定的变电 站 且负荷 时段的划分必须随季节和负荷的变化进行调整 4 按电压 无功功率 功率因数 综合控制 根据母线电 压和无功功率将运 行情况分为 9个区域 在不同的区域采取不同的控制对策 综合利用调节有载调 压变压器分节开关和投切电容器组两种手段将母线电压和无功功率控制在各自 允 许范围之内 该方法综合考虑电 压和无功功率 是目 前采用最多的控制方法 但 在某些情况下甚至会引起震荡 因此如何尽量减少动作次数是该 方法要解决的主 要问题 s 针对上述动作过于频繁的问题 出现了应用人工智能技术 通过对电压 无功功率进行预测来减少动作次数的方法 该方法先根据历史数据应用人工神经 元网 络 a n n 对无功负荷进行预测 然后将预测结果连同当前的 母线电压 无功功率 功率因数等经模糊化后作为另外一个人工神经元网络的 输入 该a n n 的输出即为调节动作的决策 该方法计算复杂 对硬件要求较高 而且其动作是 否合理尚依赖于对人工神经元网络进行训练工作的成功与否 到目 前为止 该方 法并未得到广泛应用 综上所述 电压无功综合控制方法很多 但都有一定的 局限性 从实用化的 角度考虑 基于现有的调度自 动化系统 我们开发出一套无功电压集中控制系统 软件 以适应电力系统运行的稳定性 安全性和经济性的需要 1 3本文的主要工作 无功优化的在线控制一直是电力系统自 动化研究的热点和难点 本文基于 现有研究工作现状 并结合驻马店电力系统实际情况 e ms能量管理系统高 级软件的应用 提出了一种综合利用电容器允许投切次数 变压器分接头允许 切换次数和可适用于现场在线运行要求的无功电压优化具体方案 并描述了此 方案在驻马店电力系统的应用实例 本文所做的主要工作 1 综述了国内外的文献后 分析题目的必要性和可行性 充分利用已经成熟 的调度自动化 s c a d a e ms系统 在 s c a d a的遥信数据基础上确定电网 华 北 电 t k l i n 竺壁竺 i f 塑兰 大的变化 存在动作频繁的问题 2 甲按电压控制 当母线电压低于限值时自 动投入补偿电容器组 电压高于限 值时切除补偿电容器组 该方法未考虑无功功率平衡这一基本条件 因此也是不 合理的 3 根据电压 时间序列的复合控制 根据变电站的日负荷曲线 将每天分为 多个负荷时段 根据不同负荷时段对电压和无功的要求对变压器分接头进行调节 和投切并联电容器组 该方法适应性差 只适合于负荷较稳定的变电 站 且负荷 时段的划分必须随季节和负荷的变化进行调整 4 按电压