一种基于多目标优化的电网自动电压控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统的电网自动电压控制(avc)技术，具体涉及一种基于多目标优化的电网自动电压控制方法及系统，用于协调离散、连续无功资源，达到降低电网开关类设备动作次数、降低网损等多个优化控制目标。
背景技术：
：自动电压控制(automaticvoltagecontrol，avc)系统是现代电网电压、无功控制的主要系统，通过对电网无功资源的自动调控，提高电网电压质量、降低网损，保证电网安全经济优质运行。现代电网无功电压资源包括电源侧的各类并网机组、动态无功补偿设备与电网侧的动态无功补偿设备、并联电容\电抗器、变压器分接头等。从控制特性上，可分为连续无功资源(并网机组和动态无功补偿设备)与离散无功资源(并联电容\电抗器和变压器变比)两大类。早期的avc系统只能单独对其中一类资源进行统一协调控制。随着电网规模的不断扩大，电网结构日益复杂，电网侧动态无功补偿设备(如svc、svg、statcom、调相机等)不断增加，要求新一代avc系统能对全网无功资源开展统一控制。avc系统面临离散、连续无功源协调优化控制问题。从控制设备类型上，连续无功资源和离散无功资源也是不同的，连续无功资源的控制设备均为电子类设备，期望值调整对其损耗很小，调整次数对设备寿命的影响基本可忽略不计；离散无功资源的控制设备均为断路器、变压器分接头等开关类设备，期望值调整对其损耗较大，动作次数直接影响设备寿命。故，从设备使用成本考虑，应尽量减小离散无功资源期望值的调整次数。传统avc系统中目前最主流的控制模式为三级控制模式，即整个控制系统分为三个层次：三级、二级电压控制为各级电网调控中心主站集中控制，控制时间常数一般是分钟级；三级电压控制根据状态估计结果，按全网最优经济为目标，计算得到各区域中枢母线电压期望值；二级电压控制将电网分为若干区域，根据scada实时采样数据，按中枢母线电压实时值与期望值偏离最小为目标，计算得到各无功资源的状态期望值；一级电压控制为无功资源就地控制，控制无功或母线电压跟踪期望值。这种模式优点是控制层级清晰、优化目标明确、技术成熟，最大的不足是没有考虑对离散无功资源的控制。传统avc系统中对离散无功资源的控制一般依靠所在变电站九区图控制模式及地区电网类九区图控制模式，根据目标电压和无功的缺、盈，控制离散无功资源调整。当某个离散无功资源调整次数过多、过密时，闭锁相应的控制设备，以限制调整次数。这种模式优点是控制方法简单，最大的不足是优化效果较差，无减低网损的功能。因此，亟需一种以综合降低开关类设备动作次数和网损为优化目标的协调离散、连续无功资源的自动化电压控制(avc)方法。现有涉及电网自动电压控制的方法不少，但没有在协调离散、连续无功资源基础上综合降低开关类设备动作次数和网损的多目标优化控制方法。如申请号为201310111454.1的中国专利文献公开了一种基于avc系统的无功电压优化方法及装置，采用原对偶内点法、分支界定法及电压校正控制模型法来处理离散、连续无功源协调优化控制问题，未考虑降低开关类设备动作次数的目标；如申请号为201410057500.9的中国专利文献公开了一种地区电网avc控制方法，考虑历史经验和未来变化趋势，闭锁调整过多的离散无功资源控制设备，限制单个离散无功资源期望值调整次数，未涉及离散、连续无功源协调控制，也未考虑多目标优化；如申请号为201510079849.7的中国专利文献公开了一种avc系统的控制方法，将连续无功资源离散化后作为离散无功资源参与优化控制，优化目标只考虑单一目标，未考虑含降低开关类设备动作次数的多目标优化。技术实现要素：本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于多目标优化的电网自动电压控制方法，能够协调控制离散/连续无功资源的多优化目标电网自动电压控制，可综合降低开关类设备动作次数和网损，以实现电网最优经济运行。本发明综合考虑了降低开关类设备动作次数和降低网损等多个优化目标，仅通过一次全局优化就有效地实现了离散、连续无功资源统一协调优化，优化效率极高，且建立在传统avc系统基础上，便于实施。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：本发明提供一种基于多目标优化的电网自动电压控制方法，实施步骤包括：1)获取电网的实时状态数据和状态估计结果；2)将电网中全部连续无功资源的期望值按可调范围离散化，与离散无功资源一起，参与电网自动电压控制；3)综合考虑降低开关类设备动作次数和网损，将电网自动电压优化控制问题转化一个带边界条件的多目标离散变量优化问题的数学模型；4)求解所提出的多目标离散变量优化问题的数学模型得到最优解；5)将最优解中各离散无功资源状态值作为期望值，以遥控指令的形式，直接遥控并联电容、电抗器断路器合/分，以及变压器分接头位置变化；6)将最优解中各区域中枢母线电压值作为期望值进行二级电压控制求解，得到各连续无功资源的期望值，以遥调指令的形式下发各发电厂和动态无功补偿设备执行。优选地，步骤2)中的连续无功资源包括并网机组和动态无功补偿设备，可调范围是指当前时刻连续无功资源可以调节的范围。优选地，步骤3)中带边界条件的多目标离散变量优化问题的数学模型如式(1)和(2)所示；式(1)和(2)中，f(x,y,z,λ)为多目标函数，x为作为控制变量的离散量形式的无功资源期望值，y为并联电容、电抗器断路器状态，y＝0表示断路器断开，y＝1表示断路器闭合，z为有载可调变压器的变比，λ为综合目标权重因子；λ1、λ2、λ3分别为网损、并联电容/电抗器断路器投/切次数和变压器变比变化次数的权重因子，ploss为网损，ykn,t为节点n上编号为k的并联电容/电抗器组在t时刻的断路器状态，ykn,t-1为节点n上编号为k的并联电容/电抗器组在t-1时刻的断路器状态，zml,t为节点号m、l之间有载可调变压器t时刻的变比，zml,t-1为节点号m、l之间有载可调变压器t-1时刻的变比，n为有并联电容/电抗器接入的节点号；k为n节点上接入并联电容/电抗器组的编号；m、l为有载可调变压器两端的节点号；t、t-1分别为当前控制时刻和前一时刻；g(x,y,z)为等式边界条件；h(x,y,z)为不等式边界条件，hmin为不等式边界条件的下边界，hmax为不等式边界条件的上边界。优选地，网损、并联电容/电抗器断路器投/切次数和变压器变比变化次数的权重因子λ1、λ2、λ3取值比例为：λ1:λ2:λ3＝单位网损成本:单次断路器投/切成本:单次分接头变化成本。优选地，网损ploss的数学函数表达式如式(3)所示；式(3)中，ploss为网损，i、j为电网支路ij两端的节点号，gij为电网支路ij的支路电导，vi、vj分别为节点i、j的电压幅值，θi、θj分别为节点i、j的相角。优选地，等式边界条件g(x,y,z)的数学模型如式(4)所示；式(4)中，pi为节点i有功功率总和，含注入功率和输出功率，以注入为正；vi为节点i的电压幅值，gij为电网支路ij的支路电导，θij为电网支路ij的相角，bij为电网支路ij的支支路电纳；xi,t为节点i注入无功期望值总和，含连续无功资源期望值和离散无功资源期望值，以注入为正；qi为节点负荷无功功率总和，以输出为正；vj为节点j的电压幅值，xn,t为节点n并联电容/电抗器无功期望值总和，ykn,t为节点n上编号为k的并联电容/电抗器组在t时刻的断路器状态，vn为节点n电压幅值；bkn为节点n上编号为k的并联电容/电抗器支路电纳，vm为节点号m的电压幅值，vl为节点号l的电压幅值，zml,t为节点号m、l之间有载可调变压器t时刻的电压。优选地，不等式边界条件h(x,y,z)的数学模型如式(5)所示；式(5)中，和分别为编号为p的无功资源上、下限，xp,t为t时刻作为控制变量的编号为p的无功资源期望值，xp,t-1为t-1时刻的作为控制变量的编号为p的无功资源期望值，△xp为编号为p的无功资源调节步长；和分别为节点号m、l之间有载可调变压器的变比上、下限，zml,t为t时刻节点号m、l之间有载可调变压器的变比，zml,t-1为t-1时刻节点号m、l之间有载可调变压器的变比，△zml为节点号m、l之间有载可调变压器的变比调节步长，分别为节点i的电压上、下限，vi为节点i的电压幅值。优选地，步骤4)中求解所提出的多目标离散变量优化问题的数学模型得到最优解采用的算法为遗传算法、人工神经网络法、专家系统、模糊优化法、禁忌搜索法、模拟退火算法、模糊理论法、多智能体优化法中的一种或者两种及两种以上的算法的组合算法。优选地，步骤6)中进行二级电压控制求解的数学模型如式(6)和(7)所示；式(6)和(7)中，vp和分别为中枢母线实时电压和目标电压，cpg为连续无功资源对中枢母线的灵敏度系数矩阵，δqg为连续无功资源无功调整期望值，r和h为权重系数，θ为无功协调向量；qg、分别为连续无功资源当前无功出力、无功上限和下限，vc、vcmax、分别为关键母线当前电压、电压上限和下限，ccg为连续无功资源对关键母线的灵敏度系数矩阵，cvg为连续无功资源对控制母线的灵敏度系数矩阵，为每次控制母线电压最大调节量。本发明还提供一种基于多目标优化的电网自动电压控制系统，包括计算机设备，所述计算机设备被编程以执行本发明前述基于多目标优化的电网自动电压控制方法的步骤。本发明基于多目标优化的电网自动电压控制方法具有下述优点：本发明将连续无功资源期望值离散化，与离散无功资源一起，参与电网自动电压控制；将电网自动电压优化控制问题转化一个带边界条件的多目标离散变量优化问题，按人工智能算法，得到最优解；将最优解中各离散无功资源期望值固化，同时，将最优解中各区域中枢母线电压，进行二级电压控制求解，得到各连续无功资源的期望值。本发明综合考虑了降低开关类设备动作次数和降低网损等多个优化目标，可通过各目标权重因子的调整，在满足电压质量的前提下达到电网最优经济运行的目标；仅通过一次全局优化就有效地实现了离散、连续无功资源统一协调优化，且便于人工智能算法运用，优化效率极高；控制方法建立在传统avc系统基础上，无需增加新的系统与硬件，也没有改变传统avc控制模式，便于实施。附图说明图1为现有的电网—ieee-14节点标准系统模型结构示意图。图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。具体实施方式下文将以图1所示典型电网—ieee-14节点标准系统模型为例，对本发明基于多目标优化的电网自动电压控制方法及系统进行进一步的详细说明。参见图1，其中1号节点与上级电网连接，为平衡节点，所有节点为p、q节点，各节点电压幅值上、下限(标幺值)分别为1.1、0.9，2号、14号节点有并网机组，5号节点有动态无功补偿设备，3号、6号、8号节点有并联电容器组，所有变压器均为无载调压变压器，电网模型参数和初始状态(0时刻)具体如表1所示，电阻、电抗、电纳、电压幅值、有功、无功数据均为标幺值，电压相角为幅度，有功、无功均已注入节点为正。表1.线路支路参数。表2.变压器支路参数。首端节点号末端节点号电阻电抗变比470.00.209121490.00.556181560.00.252020.95表3.并网机组及动态无功补偿设备参数。节点号无功初始值无功上限无功下限步长20.40.4-0.40.850.10.1-0.10.2140.10.1-0.10.2表4.并联电容器组参数。节点号组数每组无功总无功初始投入组数初始无功320.10.220.2620.10.210.1820.10.210.1表5.节点初始负荷功率。表6.电网初始潮流状态。节点号电压幅值电压相角节点总有功节点总无功11.0602.324-0.16921.0548-4.19170.1830.306831.0243-11.256-0.9420.060841.0355-8.4829-0.4780.03951.0389-6.94570.1240.08461.0828-11.1623-0.112-0.047771.0738-10.66970081.0862-10.669700.076291.0747-11.803-0.295-0.166101.0688-11.9693-0.009-0.058111.0723-11.6968-0.035-0.018121.0718-11.8108-0.061-0.016131.0719-11.7847-0.135-0.058141.0839-11.5930.0510.05设定1-4时刻负荷及发电机出力变化具体如下：表7.时刻负荷及发电机出力情况。表8.时刻负荷及发电机出力情况。节点号有功负荷无功负荷发电机出力2-0.217-0.203-0.942-0.2/4-0.4780.039/5-0.076-0.016/6-0.112-0.1/700/80-0.1/9-0.295-0.3/10-0.09-0.058/11-0.035-0.018/12-0.061-0.016/13-0.135-0.058/14-0.149-0.050表9.时刻负荷及发电机出力情况。表10.时刻负荷及发电机出力情况。节点号有功负荷无功负荷发电机出力2-0.217-0.093203-0.942-0.1392/4-0.4780/5-0.076-0.2/6-0.112-0.1477/700/80-0.0238/9-0.295-0.166/10-0.09-0.1/11-0.035-0.1/12-0.061-0.016/13-0.135-0.058/14-0.149-0.10如图2所示，本实施例基于多目标优化的电网自动电压控制方法的实施步骤包括：1)获取电网的实时状态数据和状态估计结果；2)将电网中全部连续无功资源的期望值按可调范围离散化，与离散无功资源一起，参与电网自动电压控制；3)综合考虑降低开关类设备动作次数和网损，将电网自动电压优化控制问题转化一个带边界条件的多目标离散变量优化问题的数学模型；4)求解所提出的多目标离散变量优化问题的数学模型得到最优解；5)将最优解中各离散无功资源状态值作为期望值，以遥控指令的形式，直接遥控并联电容、电抗器断路器合/分，以及变压器分接头位置变化；6)将最优解中各区域中枢母线电压值作为期望值进行二级电压控制求解，得到各连续无功资源的期望值，以遥调指令的形式下发各发电厂和动态无功补偿设备执行。本实施例中，步骤2)中的连续无功资源包括并网机组和动态无功补偿设备，可调范围是指当前时刻连续无功资源可以调节的范围。本实施例中，步骤3)中带边界条件的多目标离散变量优化问题的数学模型如式(1)和(2)所示；式(1)和(2)中，f(x,y,z,λ)为多目标函数，x为作为控制变量的离散量形式的无功资源期望值，y为并联电容、电抗器断路器状态，y＝0表示断路器断开，y＝1表示断路器闭合，z为有载可调变压器的变比，λ为综合目标权重因子；λ1、λ2、λ3分别为网损、并联电容/电抗器断路器投/切次数和变压器变比变化次数的权重因子，ploss为网损，ykn,t为节点n上编号为k的并联电容/电抗器组在t时刻的断路器状态，ykn,t-1为节点n上编号为k的并联电容/电抗器组在t-1时刻的断路器状态，zml,t为节点号m、l之间有载可调变压器t时刻的变比，zml,t-1为节点号m、l之间有载可调变压器t-1时刻的变比，n为有并联电容/电抗器接入的节点号；k为n节点上接入并联电容/电抗器组的编号；m、l为有载可调变压器两端的节点号；t、t-1分别为当前控制时刻和前一时刻；g(x,y,z)为等式边界条件；h(x,y,z)为不等式边界条件，hmin为不等式边界条件的下边界，hmax为不等式边界条件的上边界。网损、并联电容/电抗器断路器投/切次数和变压器变比变化次数的权重因子λ1、λ2、λ3取值可按电网经济运行情况灵活调整。一般情况下，网损、并联电容/电抗器断路器投/切次数和变压器变比变化次数的权重因子λ1、λ2、λ3取值比例为：λ1:λ2:λ3＝单位网损成本:单次断路器投/切成本:单次分接头变化成本。。本实施例中，网损ploss的数学函数表达式如式(3)所示；式(3)中，ploss为网损，i、j为电网支路ij两端的节点号，gij为电网支路ij的支路电导，vi、vj分别为节点i、j的电压幅值，θi、θj分别为节点i、j的相角。优选地，等式边界条件g(x,y,z)的数学模型如式(4)所示；式(4)中，pi为节点i有功功率总和，含注入功率和输出功率，以注入为正；vi为节点i的电压幅值，gij为电网支路ij的支路电导，θij为电网支路ij的相角，bij为电网支路ij的支支路电纳；xi,t为节点i注入无功期望值总和，含连续无功资源期望值和离散无功资源期望值，以注入为正；qi为节点负荷无功功率总和，以输出为正；vj为节点j的电压幅值，xn,t为节点n并联电容/电抗器无功期望值总和，ykn,t为节点n上编号为k的并联电容/电抗器组在t时刻的断路器状态，vn为节点n电压幅值；bkn为节点n上编号为k的并联电容/电抗器支路电纳，vm为节点号m的电压幅值，vl为节点号l的电压幅值，zml,t为节点号m、l之间有载可调变压器t时刻的电压。本实施例中，不等式边界条件h(x,y,z)的数学模型如式(5)所示；式(5)中，和分别为编号为p的无功资源上、下限，xp,t为t时刻作为控制变量的编号为p的无功资源期望值，xp,t-1为t-1时刻的作为控制变量的编号为p的无功资源期望值，△xp为编号为p的无功资源调节步长；和分别为节点号m、l之间有载可调变压器的变比上、下限，zml,t为t时刻节点号m、l之间有载可调变压器的变比，zml,t-1为t-1时刻节点号m、l之间有载可调变压器的变比，△zml为节点号m、l之间有载可调变压器的变比调节步长，vimax、vimin分别为节点i的电压上、下限，vi为节点i的电压幅值。本实施例中，步骤4)中求解所提出的多目标离散变量优化问题的数学模型得到最优解采用的算法为遗传算法、人工神经网络法、专家系统、模糊优化法、禁忌搜索法、模拟退火算法、模糊理论法、多智能体优化法中的一种或者两种及两种以上的算法的组合算法。本实施例中，步骤6)中进行二级电压控制求解的数学模型如式(6)和(7)所示；式(6)和(7)中，vp和分别为中枢母线实时电压和目标电压，cpg为连续无功资源对中枢母线的灵敏度系数矩阵，δqg为连续无功资源无功调整期望值，r和h为权重系数，θ为无功协调向量；qg、qgmax、qgmin分别为连续无功资源当前无功出力、无功上限和下限，vc、vcmax、vcmin分别为关键母线当前电压、电压上限和下限，ccg为连续无功资源对关键母线的灵敏度系数矩阵，cvg为连续无功资源对控制母线的灵敏度系数矩阵，δvhmax为每次控制母线电压最大调节量。本实施例中，按上述实施步骤，可分别计算得到1-4时刻最优解。其中并联电容组1-4时刻动作总次数为10次，1-4时刻ploss分别为0.2101、0.2980、0.2234、0.3007。而使用常规电网自动电压控制方法，计算得到的并联电容组1-4时刻动作总次数为22次，1-4时刻ploss分别为0.2038、0.2860、0.2077、0.2887。可见本实施例所提方法综合考虑了降低开关类设备动作次数和降低网损，在网损增加不多的情况下，大幅度地降低了开关类设备动作次数，减小了电网运维检修费用，实现了电网最优经济运行。本实施例还提供一种基于多目标优化的电网自动电压控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行本实施例前述基于多目标优化的电网自动电压控制方法的步骤。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12