本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)優(yōu)化運行方法，特別涉及一種基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功電壓優(yōu)化方法。
背景技術：
：電力系統(tǒng)是指由發(fā)電廠、送變電線路、供配電所和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產與消費系統(tǒng)，它是將自然界的能源通過發(fā)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(tǒng)的主體結構包括電源、電力網絡和負荷中心，電源指各類發(fā)電廠、發(fā)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(tǒng)的運行中，由于電力負荷的隨機變化以及外界的各種干擾會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，導致系統(tǒng)電壓與頻率的波動，從而影響系統(tǒng)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(tǒng)中，一些分站、分線只著眼于幾個關鍵母線的電壓指標，為滿足自身利益盲目進行調節(jié)，沒有從整個電力系統(tǒng)的角度進行電壓無功的綜合優(yōu)化，反而容易使系統(tǒng)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(fā)明公開一種基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法，該無功優(yōu)化方法充分考慮了電網無功電壓調節(jié)的實際情況，從整體角度出發(fā)，將整個電力系統(tǒng)按照目標函數分層考慮，既保證了系統(tǒng)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(tǒng)更加安全經濟地運行。本發(fā)明所要解決的技術問題采用以下技術方案來實現：本發(fā)明結合電力系統(tǒng)電壓無功綜合調控的特點，建立一個無功優(yōu)化的二層規(guī)劃模型。上、下層分別選取系統(tǒng)網損最小和各節(jié)點電壓偏移最小為目標函數，根據上、下層解空間的不同，上層采用原對偶內點法，下層采用森林算法。一種基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法，具體包括如下步驟：1)采用二層規(guī)劃法對電力系統(tǒng)無功優(yōu)化數學模型進行建模，從整體角度出發(fā)，將整個電力系統(tǒng)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,i∈NG---(4)]]>QGimin≤QGi≤QGimax,i∈NG---(5)]]>QCimin≤QCi≤QCimax,i∈Nc---(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(jié)點電壓與額定電壓之差的平方；Ui為節(jié)點電壓幅值；UiN為各節(jié)點電壓的期望水平；N為系統(tǒng)節(jié)點數；NG為發(fā)電機節(jié)點集合；NC為具有無功補償設備的節(jié)點集合；NT為變比可調的變壓器個數；Gij、Bij為節(jié)點導納矩陣中的元素；θij為節(jié)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(jié)點的負荷有功和無功功率；PGi、QGi分別為發(fā)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(fā)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，為了便于說明，我們考慮如下形式的非線性規(guī)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,引入松弛矢量,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)式相聯系的拉格朗日函數：其中，y∈R(m),是拉格朗日乘子；然后，根據KKT一階最優(yōu)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表示其余形式同理。接著，引入一個擾動因子μ＞0去松弛互補條件(24)，得到：Llμ=LZe-μe=0Luμ=UWe+μe=0---(25)]]>然后，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：F▿h(x)▿g(x)▿g(x)00▿Th(x)00000▿Tg(x)000-I0▿Tg(x)0000I0000Z0000U0W·ΔxΔyΔzΔwΔlΔu=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(yōu)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(jié)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(guī)則的事例經推理得出樹狀的分類規(guī)則，樹的根節(jié)點是整個數據集合空間，采用自頂向下的遞歸方式，在每個內部節(jié)點上對屬性測試，并根據不同分類規(guī)則將該節(jié)點分為2支或多支，最后在每個葉節(jié)點得到結論。每一棵決策樹都對應一個訓練集，隨機森林算法采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(jié)點電壓對變壓器檔位的靈敏度δ：δij=∂Ui∂Kj---(29)]]>式中，Ui為節(jié)點i的電壓幅值，Kj為變壓器j的變比。本發(fā)明中的無功優(yōu)化方法結合電力系統(tǒng)電壓無功綜合調控的特點，建立無功優(yōu)化的二層規(guī)劃模型，上、下層分別選取系統(tǒng)網損最小和各節(jié)點電壓偏移最小為目標函數，根據上、下層解空間的不同，上層采用原對偶內點法，下層采用森林算法。充分考慮了電網無功電壓調節(jié)的實際情況，在實際電力系統(tǒng)中，一些分站、分線只著眼于幾個關鍵母線的電壓指標，為滿足自身利益盲目調節(jié)，沒有從整個系統(tǒng)的角度進行電壓無功的綜合優(yōu)化，有可能導致系統(tǒng)電壓問題更加嚴重。二層規(guī)劃的特點恰是從整體角度出發(fā)，將整個系統(tǒng)按照目標函數分層考慮，打破既有的每個廠站各自調節(jié)的局限，既保證了系統(tǒng)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。一種基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法的應用，具體為，建立一個基于電力系統(tǒng)全數字實時仿真裝置(AdvancedDigitalPowerSystemSimulator,ADPSS)的無功優(yōu)化檢測平臺，該平臺連接ADPSS系統(tǒng)與基于OPEN3000的AVC系統(tǒng)，能夠對實際電網進行實時模擬仿真，利用上述一種基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法得出一個無功優(yōu)化程序，形成基于二層規(guī)劃的無功優(yōu)化軟件包，對待檢測AVC系統(tǒng)進行評估，所述無功優(yōu)化檢測平臺由系統(tǒng)配置模塊、基礎數據庫模塊、實時數據庫模塊、計算與數據接口模塊構成：A.所述系統(tǒng)配置模塊主要用于仿真案例的登錄管理以及相關配置信息設置。B.所述基礎數據庫模塊則用來存放基礎數據，完成潮流計算和結果存放。C.所述實時數據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(fā)送給計算模塊進行拓撲分析和動態(tài)并行計算。D.所述計算模塊主要完成動態(tài)并行計算，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(tǒng)與其它系統(tǒng)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(yōu)化算法開發(fā)和全過程無功控制策略評價兩部分，主要負責開發(fā)基于全過程的無功優(yōu)化算法、基于數值優(yōu)化方法的斷面潮流無功優(yōu)化算法，建立評估指標體系，實現在多種無功優(yōu)化算法下的AVC控制策略評估。在電力系統(tǒng)全數字實時仿真裝置ADPSS中對仿真電網進行系統(tǒng)模型搭建，其主要對象包括發(fā)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，并按元件及設備類別分類存儲，同時，ADPSS還能夠從無功優(yōu)化檢測平臺讀取控制程序的指令，完成對仿真電網的調節(jié)控制。所述無功優(yōu)化軟件包能夠從無功優(yōu)化檢測平臺讀取狀態(tài)估計后的系統(tǒng)參數，根據當前系統(tǒng)斷面，生成無功優(yōu)化控制策略，返回給檢測平臺?；贠PEN3000的AVC系統(tǒng)與無功優(yōu)化軟件包實現的功能相似，根據從無功優(yōu)化檢測平臺中讀取的系統(tǒng)參數形成控制策略，返回檢測平臺?；贠PEN3000的AVC系統(tǒng)與無功優(yōu)化軟件包可分別獨立對同一潮流斷面生成控制策略，根據無功優(yōu)化檢測平臺的評估指標體系，對基于OPEN3000的AVC系統(tǒng)與無功優(yōu)化軟件包生成的控制策略進行對比評估，試驗人員據此對無功優(yōu)化程序進行檢測。本發(fā)明與現有技術相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：本發(fā)明基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法，從整體角度出發(fā)，將整個電力系統(tǒng)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(tǒng)運行的穩(wěn)定性，并且證了電力系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中：圖1為本發(fā)明結構示意圖。附圖中標記及對應的部件名稱：1-無功優(yōu)化檢測平臺，11-系統(tǒng)配置模塊，12-基礎數據庫模塊，13-實時數據庫模塊，14-計算模塊，15-數據接口模塊，2-ADPSS系統(tǒng)，3-基于OPEN3000的AVC系統(tǒng)，4-無功優(yōu)化軟件包。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。如圖1所示，首先建立一個基于電力系統(tǒng)全數字實時仿真裝置ADPSS的無功優(yōu)化檢測平臺1，該平臺連接ADPSS系統(tǒng)2與基于OPEN3000的AVC系統(tǒng)3，能夠對實際電網進行實時模擬仿真，利用一種基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法得出一個無功優(yōu)化程序，并形成一個基于二層規(guī)劃的無功優(yōu)化軟件包4，對待檢測AVC系統(tǒng)進行評估，所述無功優(yōu)化檢測平臺1由系統(tǒng)配置模塊11、基礎數據庫模塊12、實時數據庫模塊13、計算模塊14與數據接口模塊15構成：A.所述系統(tǒng)配置模塊11主要用于仿真案例的登錄管理以及相關配置信息設置。B.所述基礎數據庫模塊12則用來存放基礎數據，完成潮流計算和結果存放。C.所述實時數據庫模塊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(fā)送給計算模塊進行拓撲分析和動態(tài)并行計算。D.所述計算模塊14主要完成動態(tài)并行計算，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(tǒng)與其它系統(tǒng)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(yōu)化算法開發(fā)和全過程無功控制策略評價兩部分，主要負責開發(fā)基于全過程的無功優(yōu)化算法、基于數值優(yōu)化方法的斷面潮流無功優(yōu)化算法，建立評估指標體系，實現在多種無功優(yōu)化算法下的AVC控制策略評估。在電力系統(tǒng)全數字實時仿真裝置ADPSS中對仿真電網進行系統(tǒng)模型搭建，其主要對象包括發(fā)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，并按元件及設備類別分類存儲，同時，ADPSS還能夠從無功優(yōu)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(jié)控制。所述無功優(yōu)化軟件包4能夠從無功優(yōu)化檢測平臺1讀取狀態(tài)估計后的系統(tǒng)參數，根據當前系統(tǒng)斷面，生成無功優(yōu)化控制策略，返回給無功優(yōu)化檢測平臺1?；贠PEN3000的AVC系統(tǒng)3與無功優(yōu)化軟件包4實現的功能相似，根據從無功優(yōu)化檢測平臺1中讀取的系統(tǒng)參數形成控制策略，返回給無功優(yōu)化檢測平臺1。所述一種基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法，具體包括如下步驟：1)采用二層規(guī)劃法對電力系統(tǒng)無功優(yōu)化數學模型進行建模，從整體角度出發(fā)，將整個電力系統(tǒng)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,i∈NG---(4)]]>QGimin≤QGi≤QGimax,i∈NG---(5)]]>QCimin≤QCi≤QCimax,i∈Nc---(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(jié)點電壓與額定電壓之差的平方；Ui為節(jié)點電壓幅值；UiN為各節(jié)點電壓的期望水平；N為系統(tǒng)節(jié)點數；NG為發(fā)電機節(jié)點集合；NC為具有無功補償設備的節(jié)點集合；NT為變比可調的變壓器個數；Gij、Bij為節(jié)點導納矩陣中的元素；θij為節(jié)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(jié)點的負荷有功和無功功率；PGi、QGi分別為發(fā)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(fā)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，為了便于說明，我們考慮如下形式的非線性規(guī)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,引入松弛矢量,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)式相聯系的拉格朗日函數：其中，y∈R(m),是拉格朗日乘子；然后，根據KKT一階最優(yōu)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表示其余形式同理。接著，引入一個擾動因子μ＞0去松弛互補條件(24)，得到：Llμ=LZe-μe=0Luμ=UWe+μe=0---(25)]]>然后，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：F▿h(x)▿g(x)▿g(x)00▿Th(x)00000▿Tg(x)000-I0▿Tg(x)0000I0000Z0000U0W·ΔxΔyΔzΔwΔlΔu=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(yōu)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(jié)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(guī)則的事例經推理得出樹狀的分類規(guī)則，樹的根節(jié)點是整個數據集合空間，采用自頂向下的遞歸方式，在每個內部節(jié)點上對屬性測試，并根據不同分類規(guī)則將該節(jié)點分為2支或多支，最后在每個葉節(jié)點得到結論。每一棵決策樹都對應一個訓練集，隨機森林算法采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(jié)點電壓對變壓器檔位的靈敏度δ：δij=∂Ui∂Kj---(29)]]>式中，Ui為節(jié)點i的電壓幅值，Kj為變壓器j的變比?；贠PEN3000的AVC系統(tǒng)3與無功優(yōu)化軟件包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(fā)明提出的基于二層規(guī)劃的電力系統(tǒng)無功優(yōu)化方法和基于OPEN3000的AVC系統(tǒng)3對電力系統(tǒng)進行優(yōu)化，根據無功優(yōu)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(yōu)化程序進行檢測。本發(fā)明中的無功優(yōu)化方法結合電力系統(tǒng)電壓無功綜合調控的特點，建立無功優(yōu)化的二層規(guī)劃模型，上、下層分別選取系統(tǒng)網損最小和各節(jié)點電壓偏移最小為目標函數，根據上、下層解空間的不同，上層采用原對偶內點法，下層采用森林算法。充分考慮了電網無功電壓調節(jié)的實際情況，在實際電力系統(tǒng)中，一些分站、分線只著眼于幾個關鍵母線的電壓指標，為滿足自身利益盲目調節(jié)，沒有從整個系統(tǒng)的角度進行電壓無功的綜合優(yōu)化，有可能導致系統(tǒng)電壓問題更加嚴重。二層規(guī)劃的特點恰是從整體角度出發(fā)，將整個系統(tǒng)按照目標函數分層考慮，打破既有的每個廠站各自調節(jié)的局限，既保證了系統(tǒng)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(fā)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(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)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(fā)明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3