一種基於二層規劃的電力系統無功優化方法及其應用與流程
2024-02-09 23:39:15 1
本發明涉及一種電力系統優化運行方法，特別涉及一種基於二層規劃的電力系統無功電壓優化方法。
背景技術：
：電力系統是指由發電廠、送變電線路、供配電所和用電等環節組成的電能生產與消費系統，它是將自然界的能源通過發電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各用戶。電力系統的主體結構包括電源、電力網絡和負荷中心，電源指各類發電廠、發電站，它將能源轉換成電能；電力網絡由電源的升壓變電所、輸電線路、負荷中心變電所、配電線路等構成。在電力系統的運行中，由於電力負荷的隨機變化以及外界的各種幹擾會影響電力系統的穩定，導致系統電壓與頻率的波動，從而影響系統電能的質量，嚴重時會造成電壓崩潰或頻率崩潰。在實際電力系統中，一些分站、分線只著眼於幾個關鍵母線的電壓指標，為滿足自身利益盲目進行調節，沒有從整個電力系統的角度進行電壓無功的綜合優化，反而容易使系統的電壓問題更加嚴重。技術實現要素：為了解決上述問題，本發明公開一種基於二層規劃的電力系統無功優化方法，該無功優化方法充分考慮了電網無功電壓調節的實際情況，從整體角度出發，將整個電力系統按照目標函數分層考慮，既保證了系統對降低網損的需求，又滿足了電壓指標，同時，加入了設備動作費用約束，使電力系統更加安全經濟地運行。本發明所要解決的技術問題採用以下技術方案來實現：本發明結合電力系統電壓無功綜合調控的特點，建立一個無功優化的二層規劃模型。上、下層分別選取系統網損最小和各節點電壓偏移最小為目標函數，根據上、下層解空間的不同，上層採用原對偶內點法，下層採用森林算法。一種基於二層規劃的電力系統無功優化方法，具體包括如下步驟：1)採用二層規劃法對電力系統無功優化數學模型進行建模，從整體角度出發，將整個電力系統按照目標函數分層建模：上層目標函數和約束條件：minΔPloss=Σi=1NGij(Ui2+Uj2-UiUjcosθij)---(1)]]>s.t.PGi-PDi-UiΣj=1NUj(Gijcosθij+Bijsinθij)=0---(2)]]>QGi-QDi-UiΣj=1NUj(Qjsinθij-Kjcosθij)=0---(3)]]>PGimin≤PGi≤PGimax,iNG---(4)]]>QGimin≤QGi≤QGimax,iNG---(5)]]>QCimin≤QCi≤QCimax,iNc---(6)]]>|θij|≤θijmax---(7)]]>下層目標函數和約束條件：minF=Σi=1N(Ui-UiN)2,i=1,2,...,N---(9)]]>s.t.PGi-PDi-UiΣj=1NUj(Gijcosθij+Bijsinθij)=0---(10)]]>QGi-QDi-UiΣj=1NUj(Gijsinθij-Bijcosθij)=0---(11)]]>Uimin≤Ui≤Uimax,i=1,2,...,N---(12)]]>Kimin≤Ki≤Kimax,i=1,2,...,NT---(13)]]>A≤Amax(14)式中F為下層模型的目標函數，即各節點電壓與額定電壓之差的平方；Ui為節點電壓幅值；UiN為各節點電壓的期望水平；N為系統節點數；NG為發電機節點集合；NC為具有無功補償設備的節點集合；NT為變比可調的變壓器個數；Gij、Bij為節點導納矩陣中的元素；θij為節點ij間的電壓相角差；為相角差的最大允許值；為關口功率因數下限；為關口功率因數上限；PDi、QDi為節點的負荷有功和無功功率；PGi、QGi分別為發電機有功和無功出力；QCi為無功補償設備的無功出力；Ki為相應變壓器的變比；A為當前動作策略的設備動作次數；Amax分別為相應變量的上、下限；2)上層模型中決策變量為發電機和無功補償設備的無功出力QGi和QCi，選擇原對偶內點法進行求解，為了便於說明，我們考慮如下形式的非線性規劃問題：minf(x)(15)s.t.h(x)＝0(16)g≤g(x)≤g---(17)]]>x∈R(n),h(x)＝[h1(x),…,hm(x)]Tg(x)＝[g1(x),…,gr(x)]Tg＝[g1,…,gr]T,首先,引入鬆弛矢量,將不等式約束轉化為等式約束,則問題(15)轉換為：minf(x)(18)s.t.h(x)＝0(19)g(x)-l-g＝0(20)g(x)+u-g=0---(21)]]>其次,定義一個與(18)式相聯繫的拉格朗日函數：其中，y∈R(m),是拉格朗日乘子；然後，根據KKT一階最優性條件，導出KKT方程：Lx=f(x)-h(x)y-g(x)(z+w)=0Ly=h(x)=0Lz=g(x)-l-g=0Lw=g(x)+u-g=0---(23)]]>Ll=LZe=0Lu=UWe=0---(24)]]>其中，(l,u,z)≥0,w≤0,y≠0,(L,U,Z,W)∈Rr×r是對角陣，Lx表示其餘形式同理。接著，引入一個擾動因子μ＞0去鬆弛互補條件(24)，得到：Llμ=LZe-μe=0Luμ=UWe+μe=0---(25)]]>然後，應用牛頓法解由(23)和(25)組成的擾動KKT方程，得到如下的修正方程：Fh(x)g(x)g(x)00Th(x)00000Tg(x)000-I0Tg(x)0000I0000Z0000U0WΔxΔyΔzΔwΔlΔu=Lx0-Ly0-Lz0-Lw0-Ll0μ-Lu0μ---(26)]]>解修正方程(26)得到第k次迭代修正量，更新運勢對偶變量，則第k次迭代的最優解為：xlu=xlu+steppΔxΔlΔu---(27)]]>yzw=yzw+stepDΔyΔzΔw---(28)]]>其中，stepp和stepD分別為原始步長和對偶步長；3)下層模型目標函數為各節點電壓偏移最小，決策變量為變壓器檔位，為離散變量，利用隨機森林算法求解：決策樹從一組無規則的事例經推理得出樹狀的分類規則，樹的根節點是整個數據集合空間，採用自頂向下的遞歸方式，在每個內部節點上對屬性測試，並根據不同分類規則將該節點分為2支或多支，最後在每個葉節點得到結論。每一棵決策樹都對應一個訓練集，隨機森林算法採用有放回隨機抽樣的方法從原始訓練集中產生N個子集，這N個子訓練集對應這N棵決策樹；本模型中，以變壓器檔位為變量，隨機生成N棵樹，組成訓練集，求取網絡中節點電壓對變壓器檔位的靈敏度δ：δij=∂Ui∂Kj---(29)]]>式中，Ui為節點i的電壓幅值，Kj為變壓器j的變比。本發明中的無功優化方法結合電力系統電壓無功綜合調控的特點，建立無功優化的二層規劃模型，上、下層分別選取系統網損最小和各節點電壓偏移最小為目標函數，根據上、下層解空間的不同，上層採用原對偶內點法，下層採用森林算法。充分考慮了電網無功電壓調節的實際情況，在實際電力系統中，一些分站、分線只著眼於幾個關鍵母線的電壓指標，為滿足自身利益盲目調節，沒有從整個系統的角度進行電壓無功的綜合優化，有可能導致系統電壓問題更加嚴重。二層規劃的特點恰是從整體角度出發，將整個系統按照目標函數分層考慮，打破既有的每個廠站各自調節的局限，既保證了系統對降低網損的需求，又保證了電壓，同時，加入了設備動作費用約束，使模型更加適合工程實際。一種基於二層規劃的電力系統無功優化方法的應用，具體為，建立一個基於電力系統全數字實時仿真裝置(AdvancedDigitalPowerSystemSimulator,ADPSS)的無功優化檢測平臺，該平臺連接ADPSS系統與基於OPEN3000的AVC系統，能夠對實際電網進行實時模擬仿真，利用上述一種基於二層規劃的電力系統無功優化方法得出一個無功優化程序，形成基於二層規劃的無功優化軟體包，對待檢測AVC系統進行評估，所述無功優化檢測平臺由系統配置模塊、基礎資料庫模塊、實時資料庫模塊、計算與數據接口模塊構成：A.所述系統配置模塊主要用於仿真案例的登錄管理以及相關配置信息設置。B.所述基礎資料庫模塊則用來存放基礎數據，完成潮流計算和結果存放。C.所述實時資料庫模塊實現數據的導入、導出以及數據校驗，將存放好的變位信息發送給計算模塊進行拓撲分析和動態並行計算。D.所述計算模塊主要完成動態並行計算，建立智能檢測庫和負荷波動案例庫，模擬各種電網運行方式或擾動方式。E.所述數據接口模塊則是整個評估系統與其它系統數據傳遞、互換的中轉站，主要包括AVC數據接口、CIM數據接口、E格式數據接口、控制指令數據接口等。其中，所述計算模塊包含一個評估指標體系，該評估指標體系主要包括無功優化算法開發和全過程無功控制策略評價兩部分，主要負責開發基於全過程的無功優化算法、基於數值優化方法的斷面潮流無功優化算法，建立評估指標體系，實現在多種無功優化算法下的AVC控制策略評估。在電力系統全數字實時仿真裝置ADPSS中對仿真電網進行系統模型搭建，其主要對象包括發電機、線路、異步電動機、靜止無功補償器、有載調壓變壓器等電力設備，錄入基礎數據參數，並按元件及設備類別分類存儲，同時，ADPSS還能夠從無功優化檢測平臺讀取控制程序的指令，完成對仿真電網的調節控制。所述無功優化軟體包能夠從無功優化檢測平臺讀取狀態估計後的系統參數，根據當前系統斷面，生成無功優化控制策略，返回給檢測平臺。基於OPEN3000的AVC系統與無功優化軟體包實現的功能相似，根據從無功優化檢測平臺中讀取的系統參數形成控制策略，返回檢測平臺。基於OPEN3000的AVC系統與無功優化軟體包可分別獨立對同一潮流斷面生成控制策略，根據無功優化檢測平臺的評估指標體系，對基於OPEN3000的AVC系統與無功優化軟體包生成的控制策略進行對比評估，試驗人員據此對無功優化程序進行檢測。本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果：本發明基於二層規劃的電力系統無功優化方法，從整體角度出發，將整個電力系統按照目標函數分層考慮，通過對無功電源的合理配置和對無功負荷的補償，不僅可以維持電壓水平、提高電力系統運行的穩定性，並且證了電力系統對降低網損的需求，同時，加入了設備動作費用約束，使電力系統更加安全經濟地運行。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明實施例的限定。在附圖中：圖1為本發明結構示意圖。附圖中標記及對應的部件名稱：1-無功優化檢測平臺，11-系統配置模塊，12-基礎資料庫模塊，13-實時資料庫模塊，14-計算模塊，15-數據接口模塊，2-ADPSS系統，3-基於OPEN3000的AVC系統，4-無功優化軟體包。具體實施方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。如圖1所示，首先建立一個基於電力系統全數字實時仿真裝置ADPSS的無功優化檢測平臺1，該平臺連接ADPSS系統2與基於OPEN3000的AVC系統3，能夠對實際電網進行實時模擬仿真，利用一種基於二層規劃的電力系統無功優化方法得出一個無功優化程序，並形成一個基於二層規劃的無功優化軟體包4，對待檢測AVC系統進行評估，所述無功優化檢測平臺1由系統配置模塊11、基礎資料庫模塊12、實時資料庫模塊13、計算模塊14與數據接口模塊15構成：A.所述系統配置模塊11主要用於仿真案例的登錄管理以及相關配置信息設置。B.所述基礎資料庫模塊12則用來存放基礎數據，完成潮流計算和結果存放。C.所述實時資料庫模塊13實現數據的導入、導出以及數據校驗，將存放好的變位信息發送給計算模塊進行拓撲分析和動態並行計算。D.所述計算模塊14主要完成動態並行計算，建立智能檢測庫和負荷波動案例庫，模擬各種電網運行方式或擾動方式。E.所述數據接口模塊15則是整個評估系統與其它系統數據傳遞、互換的中轉站，主要包括AVC數據接口、CIM數據接口、E格式數據接口、控制指令數據接口等。其中，所述計算模塊14包含一個評估指標體系，該評估指標體系主要包括無功優化算法開發和全過程無功控制策略評價兩部分，主要負責開發基於全過程的無功優化算法、基於數值優化方法的斷面潮流無功優化算法，建立評估指標體系，實現在多種無功優化算法下的AVC控制策略評估。在電力系統全數字實時仿真裝置ADPSS中對仿真電網進行系統模型搭建，其主要對象包括發電機、線路、異步電動機、靜止無功補償器、有載調壓變壓器等電力設備，錄入基礎數據參數，並按元件及設備類別分類存儲，同時，ADPSS還能夠從無功優化檢測平臺1讀取控制程序的指令，完成對仿真電網的調節控制。所述無功優化軟體包4能夠從無功優化檢測平臺1讀取狀態估計後的系統參數，根據當前系統斷面，生成無功優化控制策略，返回給無功優化檢測平臺1。基於OPEN3000的AVC系統3與無功優化軟體包4實現的功能相似，根據從無功優化檢測平臺1中讀取的系統參數形成控制策略，返回給無功優化檢測平臺1。所述一種基於二層規劃的電力系統無功優化方法，具體包括如下步驟：1)採用二層規劃法對電力系統無功優化數學模型進行建模，從整體角度出發，將整個電力系統按照目標函數分層建模：上層目標函數和約束條件：minΔPloss=Σi=1NGij(Ui2+Uj2-UiUjcosθij)---(1)]]>s.t.PGi-PDi-UiΣj=1NUj(Gijcosθij+Bijsinθij)=0---(2)]]>QGi-QDi-UiΣj=1NUj(Qjsinθij-Kijcosθij)=0---(3)]]>PGimin≤PGi≤PGimax,iNG---(4)]]>QGimin≤QGi≤QGimax,iNG---(5)]]>QCimin≤QCi≤QCimax,iNc---(6)]]>|θij|≤θijmax---(7)]]>下層目標函數和約束條件：minF=Σi=1N(Ui-UiN)2,i=1,2,...,N---(9)]]>s.t.PGi-PDi-UiΣj=1NUj(Gijcosθij+Bijsinθij)=0---(10)]]>QGi-QDi-UiΣj=1NUj(Gijsinθij-Bijcosθij)=0---(11)]]>Uimin≤Ui≤Uimax,i=1,2,...,N---(12)]]>Kimin≤Ki≤Kimax,i=1,2,...,NT---(13)]]>A≤Amax(14)式中F為下層模型的目標函數，即各節點電壓與額定電壓之差的平方；Ui為節點電壓幅值；UiN為各節點電壓的期望水平；N為系統節點數；NG為發電機節點集合；NC為具有無功補償設備的節點集合；NT為變比可調的變壓器個數；Gij、Bij為節點導納矩陣中的元素；θij為節點ij間的電壓相角差；為相角差的最大允許值；為關口功率因數下限；為關口功率因數上限；PDi、QDi為節點的負荷有功和無功功率；PGi、QGi分別為發電機有功和無功出力；QCi為無功補償設備的無功出力；Ki為相應變壓器的變比；A為當前動作策略的設備動作次數；Amax分別為相應變量的上、下限；2)上層模型中決策變量為發電機和無功補償設備的無功出力QGi和QCi，選擇原對偶內點法進行求解，為了便於說明，我們考慮如下形式的非線性規劃問題：minf(x)(15)s.t.h(x)＝0(16)g≤g(x)≤g---(17)]]>x∈R(n),h(x)＝[h1(x),...,hm(x)]Tg(x)＝[g1(x),…,gr(x)]Tg＝[g1,…,gr]T,首先,引入鬆弛矢量,將不等式約束轉化為等式約束,則問題(15)轉換為：minf(x)(18)s.t.h(x)＝0(19)g(x)-l-g＝0(20)g(x)+u-g=0---(21)]]>其次,定義一個與(18)式相聯繫的拉格朗日函數：其中，y∈R(m),是拉格朗日乘子；然後，根據KKT一階最優性條件，導出KKT方程：Lx=f(x)-h(x)y-g(x)(z+w)=0Ly=h(x)=0Lz=g(x)-l-g=0Lw=g(x)+u-g=0---(23)]]>Ll=LZe=0Lu=UWe=0---(24)]]>其中，(l,u,z)≥0,w≤0,y≠0,(L,U,Z,W)∈Rr×r是對角陣，Lx表示其餘形式同理。接著，引入一個擾動因子μ＞0去鬆弛互補條件(24)，得到：Llμ=LZe-μe=0Luμ=UWe+μe=0---(25)]]>然後，應用牛頓法解由(23)和(25)組成的擾動KKT方程，得到如下的修正方程：Fh(x)g(x)g(x)00Th(x)00000Tg(x)000-I0Tg(x)0000I0000Z0000U0WΔxΔyΔzΔwΔlΔu=Lx0-Ly0-Lz0-Lw0-Ll0μ-Lu0μ---(26)]]>解修正方程(26)得到第k次迭代修正量，更新運勢對偶變量，則第k次迭代的最優解為：xlu=xlu+steppΔxΔlΔu---(27)]]>yzw=yzw+stepDΔyΔzΔw---(28)]]>其中，stepp和stepD分別為原始步長和對偶步長；3)下層模型目標函數為各節點電壓偏移最小，決策變量為變壓器檔位，為離散變量，利用隨機森林算法求解：決策樹從一組無規則的事例經推理得出樹狀的分類規則，樹的根節點是整個數據集合空間，採用自頂向下的遞歸方式，在每個內部節點上對屬性測試，並根據不同分類規則將該節點分為2支或多支，最後在每個葉節點得到結論。每一棵決策樹都對應一個訓練集，隨機森林算法採用有放回隨機抽樣的方法從原始訓練集中產生N個子集，這N個子訓練集對應這N棵決策樹；本模型中，以變壓器檔位為變量，隨機生成N棵樹，組成訓練集，求取網絡中節點電壓對變壓器檔位的靈敏度δ：δij=∂Ui∂Kj---(29)]]>式中，Ui為節點i的電壓幅值，Kj為變壓器j的變比。基於OPEN3000的AVC系統3與無功優化軟體包4可分別獨立對同一潮流斷面生成控制策略，試驗人員分別利用本發明提出的基於二層規劃的電力系統無功優化方法和基於OPEN3000的AVC系統3對電力系統進行優化，根據無功優化檢測平臺1的評估指標體系，比較不同控制策略的控制結果，試驗人員據此對無功優化程序進行檢測。本發明中的無功優化方法結合電力系統電壓無功綜合調控的特點，建立無功優化的二層規劃模型，上、下層分別選取系統網損最小和各節點電壓偏移最小為目標函數，根據上、下層解空間的不同，上層採用原對偶內點法，下層採用森林算法。充分考慮了電網無功電壓調節的實際情況，在實際電力系統中，一些分站、分線只著眼於幾個關鍵母線的電壓指標，為滿足自身利益盲目調節，沒有從整個系統的角度進行電壓無功的綜合優化，有可能導致系統電壓問題更加嚴重。二層規劃的特點恰是從整體角度出發，將整個系統按照目標函數分層考慮，打破既有的每個廠站各自調節的局限，既保證了系統對降低網損的需求，又保證了電壓，同時，加入了設備動作費用約束，使模型更加適合工程實際。以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3