计及静态电压稳定性的多目标无功潮流优化

论文摘要

如何保证电力系统安全、经济和可靠地运行,一直是电力工作者们致力研究的课题。然而在电力市场环境下,由于竞争机制的存在和对环境保护的考虑,现有的发、输电设施被最大程度地利用着,以满足日益增长的负荷需求,使得系统运行点比以往更接近稳定极限边界,当系统发生较严重的故障时,极易诱发以电压崩溃为特征的电网瓦解事故。无功潮流优化是协调电力系统安全和经济运行的重要手段之一,但在通过调整相关无功设备来实现降低网络有功损耗和提高系统电压水平的过程中,不可避免地会改变系统的电压稳定裕度,如果在无功潮流优化中考虑系统的电压稳定性,必然会减少电压崩溃事故的发生。为此本文对计及静态电压稳定性的多目标无功潮流优化进行了相关的研究,建立了对应的数学模型,并运用免疫优化算法求解,主要内容包括:（1）在综合考虑系统运行的网络有功损耗、电压水平和静态电压稳定的前提下,建立了集安全性和经济性于一体的多目标无功潮流优化模型,分析了电压稳定的特征值指标在无功潮流优化中应用的有效性;由于无功潮流优化具有多目标、多控制变量、多约束条件和连续、整型变量混杂等特点,对自适应免疫算法在电力系统无功潮流优化中的应用进行了研究,定义和运用了局部亲和力与整体亲和力来评价多目标函数的解,避免了对多目标函数量纲处理和权重系数选取的缺点;算例验证了所提模型的正确性和算法的可行性。（2）关键节点的发电机无功备用容量多寡是衡量系统电压稳定裕度的一个重要指标,为此建立了以提高系统无功备用容量和电压水平以及减少网络有功损耗为多目标的无功潮流优化模型。为求取系统的无功备用容量,需要考虑发电机所处的系统位置和对电压稳定的支撑力度,定义了系统的无功备用分布系数,并分两步求取:首先,在定义空间电气距离概念基础上,提出了基于免疫-中心点聚类的无功/电压控制分区算法,按照此算法对系统进行分区,计算每个区域内发电机到所在区域其它节点距离之和,以此距离和作为发电机对该区域的电压稳定支撑系数;然后,依据每个区域的电压稳定裕度计算各个区域的无功备用需求系数,从而在发电机支撑电压稳定系数和区域无功备用需求系数的基础上确定系统无功备用的分布系数,依此系数计算系统的无功备用容量。算例验证了分区算法的正确性和在无功潮流优化中提高系统无功备用容量的可行性。（3）系统的可用输电容量（Available Transfer Capability,ATC）既是衡量电网安全稳定运行的重要指标,也是引导资源优化配置的关键市场信号之一,因此对提高系统ATC和电压水平以及减少网络有功损耗为多目标的无功潮流优化进行了研究。在线路P-Q电压稳定域的基础上,定义了线路潮流分布因子,并依此分布因子,提出了一种系统在正常情况下,考虑静态电压稳定和线路热稳定的ATC计算方法,该方法只需知道电力交易情况,且只要进行一次潮流计算便可求出系统的ATC,计算量非常小,避免当前考虑电压稳定约束ATC计算量大的缺点;分析了在无功潮流优化中对系统ATC的影响。算例验证了所推导计算ATC方法的正确性以及将提高ATC作为无功潮流优化目标函数的可行性。（4）在电力市场环境下,实行厂网分离,为激励发电公司积极参与提供无功辅助服务,需向其支付一定的费用。电网公司优化系统运行时,在保证系统稳定的前提下,应该从技术上考虑减少支付这样的费用,于是对电力市场环境下考虑静态电压稳定约束的日无功潮流优化进行研究。相对于静态无功潮流优化,日无功潮流优化要考虑一天内无功调节设备动作次数约束和系统负荷的变化。为既能顾及到设备动作次数约束,又能充分考虑各节点负荷变化,定义了系统的负荷综合变化来描述系统负荷曲线,并对其分段,然后运用聚类的方法选择优化断面,从而利用负荷分时段控制来解决设备动作次数约束,把日无功潮流优化问题转化为几个大时段断面的无功潮流优化;另外考虑到当前计算发电机机会成本方法存在的某些不足,提出了一种简单实用的发电机机会成本计算方法。建立了以系统故障情况下的静态电压稳定为约束条件,降低系统网络有功损耗和减少无功辅助服务费用为目标函数的日无功潮流优化数学模型,通过求解,进而形成优化的无功设备投切方案。算例验证了所提模型的正确性,得出了在市场环境下,无功潮流优化中考虑减少无功辅助服务费用的必要性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 静态电压稳定的分析方法和指标
• 1.2.1 电压稳定的主要研究方法
• 1.2.2 静态电压稳定的指标
• 1.3 无功潮流优化的数学模型和算法
• 1.3.1 无功潮流优化数学模型
• 1.3.2 无功潮流优化求解算法
• 1.3.3 多目标无功潮流优化
• 1.4 免疫算法
• 1.4.1 免疫系统的介绍
• 1.4.2 免疫优化算法及其在电力系统中的应用
• 1.4.3 免疫算法和遗传算法的区别
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 提高静态电压稳定性的多目标无功潮流优化
• 2.1 引言
• 2.2 收敛潮流的雅可比矩阵最小模特征值
• 2.3 考虑静态电压稳定的无功潮流优化数学模型
• 2.3.1 变量约束条件
• 2.3.2 潮流约束方程
• 2.3.3 目标函数
• 2.3.4 特征值指标在无功潮流优化中应用的有效性分析
• 2.4 多目标函数的处理
• 2.5 多目标优化的自适应免疫算法
• 2.5.1 多目标优化的自适应免疫算法
• 2.5.2 自适应免疫优化算法
• 2.5.3 局部亲和力和整体亲和力
• 2.5.4 收敛性分析
• 2.6 MOAIA 在无功潮流优化中应用
• 2.6.1 抗体的编码和解码
• 2.6.2 抗体的产生
• 2.6.3 新抗体的产生
• 2.6.4 抗体和抗体的相似度
• 2.6.5 免疫算法迭代结束条件
• 2.6.6 基于MOAIA 的无功潮流优化主要步骤和流程图
• 2.7 算例
• 2.7.1 测试系统参数
• 2.7.2 比较算法
• 2.7.3 算例1：IEEE-30 节点系统
• 2.7.4 算例2：84 节点系统
• 2.7.5 分析
• 2.8 小结
• 第三章 提高系统无功备用容量的多目标无功潮流优化
• 3.1 引言
• 3.2 发电机无功备用容量数学建模
• 3.3 基于免疫-中心点聚类算法的无功/电压控制分区
• 3.3.1 空间电气距离定义
• 3.3.2 免疫-中心点聚类算法
• 3.3.3 基于免疫-中心点聚类算法无功/电压控制分区
• 3.4 系统无功备用容量计算
• 3.5 考虑提高系统无功备用容量的无功潮流优化数学模型及求解
• 3.5.1 提高系统无功备用容量的无功潮流优化数学模型
• 3.5.2 优化求解算法
• 3.5.3 提高系统无功备用容量的优化计算步骤
• 3.6 算例
• 3.6.1 算例1：无功/电压控制分区
• 3.6.2 算例2：提高系统无功备用容量
• 3.7 小结
• 第四章 考虑系统可用输电能力的多目标无功潮流优化
• 4.1 引言
• 4.2 可用输电能力介绍
• 4.2.1 输电能力的基本概念
• 4.2.2 可用输电能力主要计算方法
• 4.2.3 考虑电压稳定的ATC 计算
• 4.3 基于线路P-Q 电压稳定域的ATC 计算
• 4.3.1 基于线路的电压稳定裕度指标
• 4.3.2 线路P-Q 电压稳定域运行曲线
• 4.3.3 线路稳定运行范围
• 4.3.4 线路潮流分布因子
• 4.3.5 线路稳定运行极限点的确定
• 4.3.6 系统ATC 计算
• 4.3.7 基于线路P-Q 电压稳定域的ATC 计算步骤
• 4.4 无功潮流优化对系统ATC 影响的分析
• 4.5 提高系统ATC 的无功潮流优化数学模型及求解
• 4.5.1 数学模型
• 4.5.2 求解方法
• 4.5.3 考虑提高系统ATC 无功潮流优化流程图
• 4.6 算例
• 4.6.1 算例1：4 节点系统
• 4.6.2 算例2：IEEE-30 节点系统
• 4.6.3 算例3：84 节点系统
• 4.7 小结
• 第五章 电力市场环境下的多目标日无功潮流优化
• 5.1 引言
• 5.2 电力市场环境下的无功辅助服务
• 5.2.1 无功辅助服务的特点
• 5.2.2 电力市场环境下无功服务的获取
• 5.3 无功成本分析
• 5.3.1 发电侧无功成本分析
• 5.3.2 电容器/电抗器的无功生产成本
• 5.3.3 无功成本的划分
• 5.4 日无功潮流优化
• 5.4.1 普通日无功潮流优化
• 5.4.2 日无功潮流优化求解的难点和解决方法
• 5.5 日无功潮流优化断面的选择
• 5.5.1 系统的负荷综合变化
• 5.5.2 优化断面的选择
• 5.6 无功成本的计算
• 5.6.1 发电机无功成本的计算
• 5.6.2 系统总无功成本的计算
• 5.7 考虑静态电压稳定约束的日无功潮流优化数学模型
• 5.7.1 目标函数
• 5.7.2 约束条件
• 5.8 日无功潮流优化求解及流程
• 5.9 算例
• 5.9.1 算例1：IEEE-30 节点系统
• 5.9.2 算例2：84 节点系统
• 5.10 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 论文的主要工作和结论
• 6.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和撰写的论文