電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定優(yōu)化控制研究

1、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定優(yōu)化控制研究 電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定優(yōu)化控制研究 【摘要】電力系統(tǒng)電壓崩潰問題早在本世紀40年代就已提出，但由于當(dāng)時電力系統(tǒng)的機組容量、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、電壓等級其輸電距離有限，直到70年代這一研究領(lǐng)域的進展甚慢。70年代以來世界上一些大電網(wǎng)連續(xù)發(fā)生以電壓崩潰為特征的電網(wǎng)瓦解事故，導(dǎo)致大面積長時間停電，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會生活紊亂，使這個長期被無視的課題成為關(guān)注的焦點，學(xué)者們對此進行了大量的研究工作。 【關(guān)鍵詞】高電壓;介損;絕緣 引言 據(jù)不完全統(tǒng)計，我國在70至80年代，發(fā)生電壓失穩(wěn)事故22次。如華中電網(wǎng)，1972年7月27日武漢和黃石地區(qū)的電壓崩潰事故，使受端系統(tǒng)全部瓦解;東北電網(wǎng)

2、，1973年7月12日發(fā)生在大連地區(qū)的電壓崩潰事故造成大連地區(qū)全部停電;華北電網(wǎng)，1987年6月21日張家口地區(qū)和京津唐系統(tǒng)瓦解事故等。這些事故均造成了巨大的經(jīng)濟損失。 隨著三峽工程和煤炭基地坑口電廠的建設(shè)，21世紀初期，我國在三峽輸電系統(tǒng)的根底上將實現(xiàn)全國統(tǒng)一聯(lián)合電力系統(tǒng)的初級階段。屆時，我國電力系統(tǒng)將進入一個超高壓、大機組、遠距離送電的時代。但是，由于我國電網(wǎng)建設(shè)相對落后，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱，各區(qū)域之間聯(lián)系不緊密，這種狀況容易發(fā)生電壓失穩(wěn)事故，因此迫切需要進一步開展對電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究。 目前主要著重于電壓崩潰機理探討以及電壓崩潰平安計算研究模型、分析方法和預(yù)防措施的研究。 采取合理的調(diào)度

3、措施，可以增加靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度，有效地防止靜態(tài)電壓失穩(wěn)事故的發(fā)生。但是提高系統(tǒng)運行平安性的同時，還須顧及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，優(yōu)化系統(tǒng)潮流分布，減少網(wǎng)絡(luò)損耗。本課題旨在提高系統(tǒng)運行平安和經(jīng)濟指標(biāo)，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，并提出效果良好的混合遺傳算法，是有其理論和實用意義的。 1.多目標(biāo)優(yōu)化控制模型 最小奇異值min 牛頓一拉夫遜潮流計算收斂的雅可比矩陣為J Rmxm，m=2，N為系統(tǒng)節(jié)點數(shù)，根據(jù)矩陣奇異值分解定理，存在正交矩陣U和V，且1、2、m稱為J的奇異值，且12m，m稱為J的最小奇異值，并記作min;V的列向量為J的左奇異向量;U的列向量為J的右奇異向量。 靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度 對于簡單電力系統(tǒng)，日

4、本學(xué)者和我國學(xué)者所作的研究說明：潮流方程的低幅值電壓解多對應(yīng)于電壓的動態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)。它處于不穩(wěn)定的運行區(qū)，而高電壓幅值對應(yīng)的運行狀態(tài)較好。當(dāng)兩個電壓解的幅值靠近時，說明系統(tǒng)電壓處于穩(wěn)定極限點。而兩個電壓幅值解相等時，雅可比矩陣奇異，電壓失穩(wěn)。有了這個結(jié)論，我們就可以通過判斷雅可比矩陣的奇異性來判斷系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。 以上的結(jié)論雖是由簡單系統(tǒng)得到，但根據(jù)Airanuchit和R.Jhomas的研究，我們將它推廣到復(fù)雜電力系統(tǒng)時，這個結(jié)論仍然正確。 由文獻的研究說明：當(dāng)系統(tǒng)運行由正常工作點向穩(wěn)定極限過渡時，系統(tǒng)收斂潮流對應(yīng)的雅可比矩陣J那么向奇異方向變化;當(dāng)系統(tǒng)電壓到達靜態(tài)穩(wěn)定極限時，J那么奇異。

5、J的最小奇異值Jmin可以表征J的奇異性。也就是說，在正常工況下，J非奇異，Jmin 當(dāng)系統(tǒng)到達靜態(tài)電壓穩(wěn)定極限時，J奇異，Jmin=0?？梢?，研究給定系統(tǒng)運行點電壓靜態(tài)穩(wěn)定裕度的問題就可以轉(zhuǎn)化為研究與收斂潮流相對應(yīng)的雅可比矩陣J接近奇異的程度問題，而最小奇異值Jmm正好反映了雅可比矩陣J接近奇異的程度。所以，Jmin可用來表征系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度，當(dāng)Jmin很小時，說明系統(tǒng)已處于電壓穩(wěn)定極限附近，應(yīng)及時采取有效措施加以防范;當(dāng)Jmin較大時，說明系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性較好。 本文選擇Jmin作為電力系統(tǒng)電壓靜態(tài)穩(wěn)定裕度，在滿足給定約束條件，并兼顧經(jīng)濟指標(biāo)的情況下，通過調(diào)節(jié)措施，盡可能增大Jmin，即增大

6、電壓穩(wěn)定裕度，提高系統(tǒng)運行的平安性。這不僅在理論上嚴格，而且物理意義也是明確的。 優(yōu)化模型 以系統(tǒng)潮流計算的雅可比矩陣最小奇異值表示的運行點電壓靜態(tài)穩(wěn)定裕度最大為平安指標(biāo)，有功網(wǎng)損最小為經(jīng)濟指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問題可描述為：Jmin為潮流計算收斂雅可比矩陣最小奇異值，表示電壓靜態(tài)穩(wěn)定裕度;Z為控制變量;式為有功網(wǎng)損PL最小目標(biāo);Pi、Qi、Vi分別為節(jié)點i的有功、無功注入和電壓幅值;e、6分別為節(jié)點i電壓Vi的實部和虛部;Gij、Bij凡分別為節(jié)點導(dǎo)納矩陣元素的實部和虛部;帶上、下橫線的各量為上、下限。 模型轉(zhuǎn)化 本文采用加權(quán)法將多目標(biāo)優(yōu)化模型M1轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化模型M2，即 靈敏度算式 a.最小

7、奇異值min對控制變量Z的靈敏度【1】 2.求解方法 對于潮流計算，本文采用牛頓一拉夫遜法。 對于優(yōu)化模型M2采用Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和遺傳算法相結(jié)合的混合遺傳算法求解 Hopfield網(wǎng)絡(luò)是一互連的非線性動力學(xué)網(wǎng)絡(luò)，他解決問題的方法是一種反復(fù)運算的動態(tài)過程。由于Hopfield的算法中引入了Lyapunor能量函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的演化過程將到達能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)，這一特點使網(wǎng)絡(luò)能夠完成制約優(yōu)化計算。采用連續(xù)的時間Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解時，與優(yōu)化模型M2相應(yīng)的Lyapunov函數(shù)。 Hopfield算法，收斂較快，但得到的很可能是局部最優(yōu)解。普通遺傳算法雖然得到全局最優(yōu)解，但由于初始解是

8、隨機形成的。因此，在遺傳過程中會出現(xiàn)大量的劣質(zhì)解，致使收斂過程緩慢。 為了提高求解的效率和解的質(zhì)量，本文提出一種將二者優(yōu)點互相結(jié)合的混合遺傳算法，即先用Hopfield算法求出一個較好解，將它參加到遺傳算法的初始解群中，以加快遺傳算法的收斂度。經(jīng)遺傳操作，最終得到全局最優(yōu)解 本文采用的編碼文式為+進制編碼，因這種表示方式與變量一致，最為直接，可得到更準確的結(jié)果。 解碼后假設(shè)發(fā)現(xiàn)有的解不滿足約束條件，那么應(yīng)該校正，原那么是取邊界值。這樣，可以盡快排除不可行解，加快收斂速度，縮短計算時間。 3.電壓穩(wěn)定多目標(biāo)優(yōu)化控制實際計算 應(yīng)用本文方法對江西省九江地區(qū)58節(jié)點系統(tǒng)進行實際計算。 先根據(jù)給定條件計

9、算初始潮流，并求出對應(yīng)于初始潮流狀態(tài)下的電壓穩(wěn)定裕度min和有功網(wǎng)損PL。電壓穩(wěn)定裕度對控制變量靈敏度較大的可選作調(diào)整量。 合遺傳算法比Hopfield算法精度更高，優(yōu)化效果更好。它克服了Hopfield算法往往會收斂到局部極小值的缺點，而能找到全局最優(yōu)解。同時，又由于它以Hopfield算法所得到的較好解作為一個初始解，從而大大加快了收斂速度，與普通遺傳算法相比，明顯縮短了計算時間。因此，混合遺傳算法結(jié)合了Hopfield算法和普通遺傳算法二者的優(yōu)點，使之收斂快又能獲得全局最優(yōu)。按照混合GA所求出的全局最優(yōu)解來控制調(diào)整量，那么電壓穩(wěn)定裕度min值更大些，說明系統(tǒng)運行的平安性更好，而有功網(wǎng)損PL更小些，說明可提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。所以，混合遺傳算法的優(yōu)越性所帶來的經(jīng)濟效益是可觀的。 參考文獻 【1】馮治鴻，劉取，倪以信，