CN103246207A - 一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法 - Google Patents

一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法，利用实时仿真系统搭建实时电网仿真模型；在实时仿真系统批处理的脚本文件中编写程序，从运行界面中提取运行数据并输出；无功优化程序包读取需要用到的数据，执行优化计算，将计算结果输出，根据结果数据，用实时仿真系统脚本语言编程实现变压器分接头的档位和电容器电抗器组的投切的设置，最后将设置传回实时仿真系统中；利用实时仿真系统的批处理接受并执行无功优化程序包传回的设置，在运行界面上做相应的动作，实现对在线无功优化模型和算法的控制效果的测试，为测试现场的无功优化控制方法提供了试验室测试工具。

Description

一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法。
背景技术
近十几年来，电压问题日益成为电力系统关注的焦点。在现代电网中，由于弱系统和长线路的负荷加重，电网的传输容量越来越接近其极限，从而使电压的稳定问题比较突出，而且，负荷增加、发电机或线路故障、系统无功不足、有载调压变压器动作以及各种控制和保护之间缺乏协调等，而负荷缺少足够的无功支持是引起电压不稳定的主要原因。目前，国内外学者对无功优化的模型和算法有很多研究成果，但对在线无功优化控制的试验测试研究仍比较少见，本发明提出一种基于实时仿真系统地在线无功优化控制方法，该方法对现场无功优化控制的试验测试提供了方法。
发明内容
本发明是针对合理无功功率对电力系统稳定重要性的问题，提出了一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法，结合无功优化的理论研究，并结合实时仿真系统的实时模拟和闭环运行特性，实现在线无功电压控制的现场模拟。通过对电压合格率、功率因数大小、网损大小的对比来评价在线无功优化控制的控制效果。实现对在线无功优化模型和算法的控制效果的测试。
本发明的技术方案为：一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法，具体包括如下步骤：
1）在实时仿真系统中构建实时电网仿真系统模型；
2）在实时仿真系统中编写批处理程序，从实时运行界面中输出运行数据；
3）无功优化计算程序包读取运行数据，进行优化计算，输出计算结果，如：变压器分接头档位和电容器/电抗器组的投切组数的设置；
4）在实时仿真系统中编写批处理程序，接受并执行无功优化程序包传回的变压器分接头的档位、电容器/电抗器组投切的设置，在运行界面上做相应的动作，改变系统运行状态，形成闭环运行。
所述步骤2）中从实时运行界面中输出运行数据包括输出实时仿真系统的电网运行数据，并调用外部的可执行程序包，得到无功优化控制指令并对电网模型的开关进行控制，输出的数据包括负载的有功和无功、负载处母线电压、电容电抗器组的投切状况、变压器分接头的档位值。
所述步骤3）中优化计算包括：
A:首先目标函数：选取系统有功网损最小为目标：
Figure 2013101818291100002DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 2013101818291100002DEST_PATH_IMAGE003
为发电机节点集合；
Figure 155080DEST_PATH_IMAGE005
为发电机i有功出力功率；
Figure 464839DEST_PATH_IMAGE007
为所有节点集合；为i节点处有功负荷；
B:等式约束：潮流功率方程：
                    
式中，
Figure 632012DEST_PATH_IMAGE013
为i节点处无功电源输出；为系统
Figure 592064DEST_PATH_IMAGE017
节点处无功负荷；
Figure 449162DEST_PATH_IMAGE019
为系统i节点电压幅值和相角；V j ,θ j 为系统j节点电压幅值和相角；
Figure 143448DEST_PATH_IMAGE021
为节点导纳矩阵中元素幅值和相角差；
C:不等式约束：
a、可调变压器抽头约束：
Figure 512430DEST_PATH_IMAGE025
 ，                            
式中，
Figure 907639DEST_PATH_IMAGE027
为节点
Figure 456432DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 997003DEST_PATH_IMAGE031
之间的可调变压器抽头对应的变压器变比，
Figure 264037DEST_PATH_IMAGE033
为可调变压器集合； 、
Figure 866236DEST_PATH_IMAGE037
为该变压器抽头档位对应的下限和上限值；
b、可调电容电抗器组投切组数约束：
Figure 797283DEST_PATH_IMAGE039
                   
其中，、
Figure 267469DEST_PATH_IMAGE045
为该可调电容电抗器组投切组数及上限值，S C 为可调电容电抗器集合；
c、系统各节点电压约束：
Figure 697314DEST_PATH_IMAGE047
   V i 和 
Figure 673360DEST_PATH_IMAGE049
为节点
Figure 214063DEST_PATH_IMAGE050
电压对应的下限和上限值；    
d、电源点的有功功率及无功功率约束：
Figure 795217DEST_PATH_IMAGE052
 ，
Figure 130383DEST_PATH_IMAGE054
Figure 859305DEST_PATH_IMAGE056
 为发电机i有功出力功率对应的下限和上限值；为发电机i无功功率对应的下限和上限值 ；            
e、线路电流约束：
Figure 357468DEST_PATH_IMAGE060
  ，
Figure 863536DEST_PATH_IMAGE062
 为系统线路电流上限值；                     
f、变压器的视在功率约束：
Figure 79753DEST_PATH_IMAGE064
，为变压器的视在功率上限值；                       
g、关口点功率因数约束： ，为关口点功率因数上限值；                   
h、系统可控设备动作次数约束：，其中，
Figure 319105DEST_PATH_IMAGE074
为系统中某个可控设备的动作，
Figure 978625DEST_PATH_IMAGE076
，N为系统所有可控设备的允许动作个数。
本发明的有益效果在于：本发明基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法，实现对在线无功优化模型和算法的控制效果的测试，为测试现场的无功优化控制方法提供了试验室检测的工具，为无功电压控制方法的研究提供了方法。
附图说明
图1为本发明无功优化控制系统测试结构示意图。
具体实施方式
一种无功电压优化控制方法阐述如下：
首先目标函数：选取系统有功网损最小为目标：
Figure 826496DEST_PATH_IMAGE078
式中，
Figure 751726DEST_PATH_IMAGE003
为发电机节点集合；
Figure 976034DEST_PATH_IMAGE005
为发电机i有功出力功率；
Figure 975214DEST_PATH_IMAGE007
为所有节点集合；
Figure 259565DEST_PATH_IMAGE009
为i节点处有功负荷。
等式约束：潮流功率方程：
Figure 672092DEST_PATH_IMAGE011
                    
式中，
Figure 434511DEST_PATH_IMAGE013
为i节点处无功电源输出；
Figure 68624DEST_PATH_IMAGE015
为系统
Figure 523876DEST_PATH_IMAGE017
节点处无功负荷；
Figure 423699DEST_PATH_IMAGE019
为系统i节点电压幅值和相角；V j ,θ j 为系统j节点电压幅值和相角？；
Figure 989810DEST_PATH_IMAGE021
为节点导纳矩阵中元素幅值和相角。
不等式约束：
1、可调变压器抽头约束：
Figure 324156DEST_PATH_IMAGE025
                              
式中，
Figure 711275DEST_PATH_IMAGE027
为节点
Figure 815497DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 427132DEST_PATH_IMAGE031
之间的可调变压器抽头对应的变压器变比，
Figure 224186DEST_PATH_IMAGE033
为可调变压器集合； 
Figure 833022DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 6515DEST_PATH_IMAGE037
为该变压器抽头档位对应的下限和上限值。
2、可调电容电抗器组投切组数约束：
Figure 954879DEST_PATH_IMAGE039
                   
其中，
Figure 18967DEST_PATH_IMAGE043
、为该可调电容电抗器组投切组数及上限值，S C 为可调电容电抗器集合。 
3、系统各节点电压约束：
Figure 517130DEST_PATH_IMAGE047
   V i 和 为节点
Figure 239416DEST_PATH_IMAGE050
电压对应的下限和上限值。     
4、电源点的有功功率及无功功率约束：
Figure 489131DEST_PATH_IMAGE052
 ，
Figure 677667DEST_PATH_IMAGE054
Figure 987426DEST_PATH_IMAGE056
 为发电机i有功出力功率对应的下限和上限值；为发电机i无功功率对应的下限和上限值 。             
5、线路电流约束：
Figure 111557DEST_PATH_IMAGE060
  ，
Figure 138287DEST_PATH_IMAGE062
 为系统线路电流上限值。     
6、变压器的视在功率约束：
Figure 618947DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 911388DEST_PATH_IMAGE066
为变压器的视在功率上限值。  
7、关口点功率因数约束：
Figure 768486DEST_PATH_IMAGE068
 ，
Figure 587406DEST_PATH_IMAGE070
为关口点功率因数上限值。                   
8、系统可控设备动作次数约束：                            
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
为某个可控设备的动作，
Figure 956388DEST_PATH_IMAGE080
，N为系统所有可控设备的允许动作个数。
上述模型是一个最优化问题，一般模型描述如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE081
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE083
：目标函数；
Figure DEST_PATH_IMAGE085
：n维向量，也称为决策变量；
Figure DEST_PATH_IMAGE087
：等式约束条件；
Figure DEST_PATH_IMAGE089
：不等式约束条件。
针对上述模型的求解，采用了互补约束求解方法，该方法与常规的非线性规划方法的不同在于以往的非线性混合整数规划方法大多采用原始-对偶内点法内嵌罚函数方法或遗传算法来求解，而本方法将混合整数规划问题转换为互补约束，用现代内点法求解。
互补约束的数学规划问题的数学描述为：
Figure 807057DEST_PATH_IMAGE090
     
其中
Figure 355850DEST_PATH_IMAGE092
 称为互补约束条件，其逻辑关系如下：
Figure 381575DEST_PATH_IMAGE094
，
Figure 648608DEST_PATH_IMAGE096
，
Figure 581929DEST_PATH_IMAGE098
进一步展开可得到如下表达：
这里C1（x）、C2（x）为互补约束的函数、g(x)为不等式约束的函数、h(x)为等式约束的函数。
①且
Figure 431122DEST_PATH_IMAGE102
；
②且
Figure 922463DEST_PATH_IMAGE106
 ；
③
Figure 649111DEST_PATH_IMAGE100
 且
Figure 813376DEST_PATH_IMAGE108
；
若优化问题的最优解满足条件①和②则称其满足了严格互补条件；满足条件③称其满足非严格互补条件。
互补约束的求解方法：
在上述模型采用松弛法进行转化，即引入松弛参数
Figure 55001DEST_PATH_IMAGE110
，在每次迭代后进行更新，随
Figure DEST_PATH_IMAGE112
变小而逐渐趋于0。原模型转化为：
Figure 782655DEST_PATH_IMAGE113
    在求解过程中还需将互补约束因子加速，一种是互补互补约束因子的加速，另一种是变量约束上下限的紧缩。
    互补约束因子的加速：
 
Figure 160546DEST_PATH_IMAGE115
    
式中，
Figure 433396DEST_PATH_IMAGE117
是互补约束变量，
Figure 896738DEST_PATH_IMAGE119
松弛因子，是相应的互补约束变量个数。
变量约束上下限的紧缩，即在计算的过程中将整型变量连续化，当其接近其整数解时按照给定的策略将约束的上下限以靠近的整数解为中心紧缩，使其加速逼近整数解。
    在传统的最优潮流模型中引入操作次数限制后，原非线性规划问题由于0-1离散变量的引入变成了混合整数规划问题，具有非线性、不连续、控制变量的离散性等特点，对其精确求解十分困难。鉴于此，数学模型中的操作次数限制约束可以转化为互补约束，再利用现代内点算法求解。
    本模型转换为互补约束模型，需对操作次数限制约束做如下变换：
Figure 191639DEST_PATH_IMAGE123
                  
其中，
Figure 369811DEST_PATH_IMAGE125
 保证了控制变量状态
Figure 586029DEST_PATH_IMAGE127
的取值只能为0或1。
    为了保证算法的收敛性，引入松弛参数
Figure DEST_PATH_IMAGE128
，并将0-1离散变量
Figure DEST_PATH_IMAGE130
做连续化处理：
Figure DEST_PATH_IMAGE131
     
至此，含互补约束的模型构造完毕。操作次数限制约束用互补约束策略进行处理，转化成常规的非线性规划问题，可采用现代内点算法来求解。现代内点算法具有计算速度快、收敛性好、鲁棒性强等优点，在电力系统优化问题中获得了广泛应用。
基于实时仿真系统的无功电压优化控制方法可分为四步：
1）在实时仿真系统中构建实时电网仿真系统模型；
2）在实时仿真系统中编写批处理程序，从实时运行界面中输出运行数据；
3）无功优化计算程序包读取运行数据，进行优化计算，输出计算结果，如：变压器分接头档位和电容器/电抗器组的投切组数的设置；
4）在实时仿真系统中编写批处理程序接受并执行无功优化程序包传回的变压器分接头的档位、电容器/电抗器组投切的设置，在运行界面上做相应的动作，改变系统运行状态，形成闭环运行。

Claims (3)

1.一种基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）在实时仿真系统中构建实时电网仿真系统模型；
2）在实时仿真系统中编写批处理程序，从实时运行界面中输出运行数据；
3）无功优化计算程序包读取运行数据，进行优化计算，输出计算结果； 
4）在实时仿真系统中编写批处理程序，接受并执行无功优化程序包传回的变压器分接头的档位、电容器/电抗器组投切的设置，在运行界面上做相应的动作，改变系统运行状态，形成闭环运行。
2.根据权利要求1所述基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法，其特征在于，所述步骤2）中从实时运行界面中输出运行数据包括输出实时仿真系统的电网运行数据，并调用外部的可执行程序包，得到无功优化控制指令并对电网模型的开关进行控制，输出的数据包括负载的有功和无功、负载处母线电压、电容电抗器组的投切状况、变压器分接头的档位值。
3.根据权利要求1所述基于实时仿真系统的在线无功优化控制方法，其特征在于，所述步骤3）中优化计算包括：
A:首先目标函数：选取系统有功网损                                                最小为目标：
式中，
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE003
为发电机节点集合；
Figure 915857DEST_PATH_IMAGE004
为发电机i有功出力功率；
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE005
为所有节点集合；
Figure 531646DEST_PATH_IMAGE006
为i节点处有功负荷；
B:等式约束：潮流功率方程：
                    
式中，
Figure 559645DEST_PATH_IMAGE008
为i节点处无功电源输出；
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE009
为系统
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE011
节点处无功负荷；
Figure 665529DEST_PATH_IMAGE012
为系统i节点电压幅值和相角；V j ,θ j 为系统j节点电压幅值和相角？；
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE013
为节点导纳矩阵中元素幅值和相角；
C:不等式约束：
a、可调变压器抽头约束：
Figure 855202DEST_PATH_IMAGE014
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE015
 ，                            
式中，
Figure 692708DEST_PATH_IMAGE016
为节点和
Figure 258818DEST_PATH_IMAGE018
之间的可调变压器抽头对应的变压器变比，
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE019
为可调变压器集合； 
Figure 13016DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE021
为该变压器抽头档位对应的下限和上限值；
b、可调电容电抗器组投切组数约束：
Figure 373591DEST_PATH_IMAGE022
 
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE023
                  
其中，
Figure 432813DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE025
为该可调电容电抗器组投切组数及上限值， S C 为可调电容电抗器集合；
c、系统各节点电压约束：
Figure 802615DEST_PATH_IMAGE026
 V i 和 
Figure 2013101818291100001DEST_PATH_IMAGE027
为节点
Figure 880161DEST_PATH_IMAGE017
电压对应的下限和上限值；    
d、电源点的有功功率及无功功率约束：
Figure 677216DEST_PATH_IMAGE028
 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
Figure 489314DEST_PATH_IMAGE030
 为发电机i有功出力功率对应的下限和上限值；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为发电机i无功功率对应的下限和上限值；            
e、线路电流约束：
Figure 662807DEST_PATH_IMAGE032
  ，为系统线路电流上限值；      
f、变压器的视在功率约束：
Figure 562815DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 658947DEST_PATH_IMAGE038
为变压器的视在功率上限值；      
g、关口点功率因数约束：
Figure 370551DEST_PATH_IMAGE040
 ，
Figure 235739DEST_PATH_IMAGE042
为关口点功率因数上限值；  
h、系统可控设备动作次数约束：
Figure 577859DEST_PATH_IMAGE044
，其中，为系统中某个可控设备的动作，
Figure 411003DEST_PATH_IMAGE048
，N为系统所有可控设备的允许动作个数。
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