（电力电子与电力传动专业论文）基于混沌模拟退火算法的油田电网区域节能无功优化技术研究.pdf

r e s e a r c ho ft h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o no fo i lf i e l dr e g i o n a l e n e r g y - s a v i n gb a s e d o nc h a o ss i m u l a t e da n n e a f i n ga l g o r i t h m c h e nw e i ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rk a n gz h o n g j i a n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g yh a sb e e np a i dt om o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb y t h eg o v e r n m e n t t h i sr e s e a r c hi sa l s of o c u s e do nm c r e a s i n g l yb ys c h o l a r sa n de x p e r t sf r o m h o m ea n da b r o a d i nt h eo i ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，d u et ot h ep a r t i c u l a r i t yo fi t so w nl o a d ， r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni ss e r i o u s l yu n r e a s o n a b l e p o w e rl o s si sa l s oe x t r e m e l ys e r i o u s ， a n dp o w e rq u a l i t yi sp o o r , r e s u l t i n gi nal o to fw a s t e t h r o u g ht h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o na n dr e a s o n a b l er e a c t i v ep o w e rc o n f i g u r a t i o n ，v o l t a g eq u a l i t yc a n b ei m p r o v e d ，m e a n w h i l el o s si sr e d u c e d t h u s ，r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ni sa ne f f e c t i v e m e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m t h e r e f o r e ，i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt h a te f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l m e t h o d so fr e a c t i v ep o w e r o p t i m i z a t i o na r es t u d i e d c o m b i n e dw i t ha c t u a lx i n s is u b s t a t i o n110 k vd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，t h ec u r r e n t 酊d s t r u c t u r e ， c o m p e n s a t i o ns t a t u sa n dl o a dc o n d i t i o n so fs h e n g l io i l f i e l dd i s t r i b u t i o np o w e rg r i d i sa n a l y z e da n dt h es p e c i f i cm e t h o do fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e a c t i v ep o w e rc o n f i g u r a t i o ni s p r o p o s e d a f t e rt h ec o m p a r i s o no ft h ec o n l m o np o w e rf l o wm e t h o d s ，t h en e w t o n r a p h s o n m e t h o di su s e da sp o w e rf l o wc a l c u l a t i o no ft h es u b j e c t a f t e rp o w e rf l o wa n a l y s i s ，t h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e di nt h i s p a p e r b a s e do np r e v i o u ss t u d i e s ，r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nm o d e lo fd i s t r i b u t i o np o w e r g r i di se s t a b l i s h e d ，a n dc h a o t i cs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi su s e da st h eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fc h a o so p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n ds i m u l a t e da n n e a l i n g a l g o r i t h m t h ee r g o d i c i t yo fc h a o si sa p p l i e dt od e t e r m i n et h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo fs i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m ，a n dd i s t u r b a n c ec r i t e r i aa r ee s t a b l i s h e db yc h a o t i cp e r t u r b a t i o n t h e n s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi su s e dt oa c h i e v et h eg l o b a lo p t i m a lo rn e a ro p t i m a l ，w h i mi s p r o g r a m m e db yv c + + t h ed a t ao fr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o ns h o w st h i sa l g o r i t h mh a s b e t t e rc o n v e r g e n c e ，h i g h e rp r e c i s i o n , m o r ea c c u r a t er e s u l t s ，s oi t sv e r yr e a s o n a b l ea n d e f f e c t i v ef o rt h i ss u b je c t k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n , c h a o so p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ，c h a o t i cs i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m 1 u 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 一繇一 脚州口年乡月乡日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 豫蜀丕 指导教师签名： 日期：冽1 7 年6 月弓日 日期：加d 年石月多e t 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究背景和意义 第一章绪论弟一早三百y 匕 电力系统是一个由电能生产、输送、分配和使用过程及其所涉及的全部设备的总体 构成的统一系统，主要包含发电厂、输电、配电网络及用户三个部分。其中，配电网是 其重要组成部分，直接向用户供应和分配电能【l 】。配电网是与用户相联系的接口，其供 电可靠性直接影响用户的电能质量。在电力系统中，可靠性主要是由电压和频率两个指 标决定【2 】，频率的控制与系统有功功率的控制密切相关，而电压控制则取决于对系统电 网的无功功率的控制。合理对系统进行无功优化，能够有效地维持系统电压水平，提高 电压稳定性，减少网络损耗，避免电压严重崩溃造成的系统瓦解，防止灾难性事故的发 生。因此，为了加强电网运行的安全性，做好系统电网无功功率的控制是关键。 由运行统计数字所得，电力系统中1 0 k v 及以下的配电网约占电能损耗的6 5 ，3 5 k v 的电力网中约消耗1 0 ，l l o k v 及以上电压等级的高压电网中约消耗2 5 。合理进行无 功优化，配置无功补偿，主要目的就是为了在保证系统安全可靠的前提下有效的减少配 电网网络损耗，由于目前油田负荷自身的特点，严重的无功不足，因此做好无功优化对 油田经济效益的提高以及节约能源都具有重要意义。 1 1 1 油田配电网存在的问题 油田配电网为户外架空辐射网，接线方式一般为多分支辐射式单向供电，其供电负 荷主要是抽油机负荷和以三相异步电动机为动力的机采系统及油气集输系统，其余部分 负荷为注水系统和照明负荷等【3 】。 这种系统的负荷导致油田配电网主要存在以下问题： ( 1 ) 目前在油田中普遍采用的是游梁式抽油机，此类抽油机平衡性差，负载波动 很大，因此电动机的额定容量配置过大，而实际运行负荷长期处于低负荷率2 0 0 o , - , 3 0 左右，导致整体配电网长时间低效运行，整体电网平均功率因数很低，大约在0 4 o 5 之间。由抽油机的工作状态特性决定电动机具有较大的起动转矩，造成“大马拉小车 的现象，同样的情况在配电变压器中也存在。 ( 2 ) 油田配电网一般包含供电网中的6k v 、1 0k v 、3 5k v 馈电线路、变压器以及 3 8 0 2 2 0 v 低压线路，负荷分散节点多，供电面积大，配电距离长，线路的总量大、分支 多，配电变压器数量多，使得配电网的网络结构薄弱，运行方式极不灵活，最终导致大 第一章绪论 量无功功率在配电网中流动，使得负荷功率因数很低，网络损耗偏高。 由于上述油田配电网和油田抽油机负荷的特点及复杂性，使得油田配电网的无功补 偿问题一直难度较大。 1 1 2 配电网无功优化研究的意义 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，用户对供电质量的要求也越 来越高。特别是随着社会电气信息化的高速发展，越来越要求电网安全、稳定、经济的 运行。如果将电力工业的投资按照发电、输电、配电三部分进行分配，如表1 1 所剥4 1 ， 可以看出，在电力建设方面，发达国家的电网投资( 包括输电投资和配电投资) 要大于 发电投资，而配电网的投资又大于输电网投资；而我国却恰恰相反，对于发电的投资远 远大于对电网的投资，这说明我国对电厂的建设明显强于对电网的建设，同时，这种不 合理的投资比例，致使我国在高峰负荷期间，主设备满载过载现象，中低压配电网配电 设备事故频繁发生。这一现状导致电力行业的供电质量和效率都存在严重不足，同时网 络损耗也日益增多，而配电网无功优化就是解决这些问题的有效方法之一，从而达到降 损节能，提高经济效益的目的。 表1 - 1 发达国家与我国发电、输电、配电投资比例表( 1 9 9 1 1 9 9 5 年) t a b l e l - 1i n v e s t m e n tr a t i oo fp o w e rg e n e r a t i o n ，t r a n s m i s s i o n ，a n dd i s t r i b u t i o no fd e v e l o p e d c o u n t r i e sa n dc h i n a ( 1 9 9 1 - 1 9 9 5 ) 国家发电投资：输电投资：配电投资 美国 1 ：0 4 3 ：0 7 0 英国 1 ：0 4 5 ：0 7 8 法国 1 ：0 6 7 ：1 6 0 中国 l ：0 2 3 ：0 2 0 从理论方面分析，一是配电网多是单电源供电，无功功率经长距离传输势必增加有 功损耗；二是电网容量的增加导致无功需求增大，无功容量不足导致电压水平低下，配 电设备利用率低。下面给出一简单例子进行具体分析： 设负荷为最+ q 工，额定电压为u ，线路电阻为尺，线路电抗为x ，补偿无功容 量为q c ，那么 补偿前压降为 u ：p t r + q l x( 1 1 ) u n 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 补偿前有功损耗为 补偿后压降为 补偿后有功损耗为 们= 警尺 u：2 p l r + ( q l - - q c ) x u a 只：丝! 垒墨二望2 ：尺 2 u n ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) 由上式显然可得，u 2 a u 。，必 必，可见通过补偿无功功率需求，既可以提 高电压质量，同时又可以减小有功功率损耗，但是对于实际电网而言，补偿多少才算最 佳，如何调节变压器分接头的位置进行补偿，还需要具体分析。特别是油田电网，作为 大型电力用户，由于油田负荷本身的特点，无功功率更是严重不足，而且由于无功负荷 波动大，无功补偿不能动态调节，过补偿和欠补偿问题非常突出。因此，对配电网进行 合理有效的无功功率优化，对油田电网的安全经济可靠运行有着重要的意义。 1 2 配电网无功优化的研究现状及其发展 配电网无功优化实际属于最优无功调度问题，是指在电力系统网络结构和负荷给定 的情况下，通过调节控制变量( 如电容器的安装及投切组数、变压器分接头的位置等) ， 在满足配电网潮流约束和电压约束的限定下，达到改善系统各节点电压水平和减少电网 网损的目的【5 1 。由于配电网的拓扑结构自身的特点，配电网的无功优化也有其与众不同 的方法。 配电网的无功优化是一个混合非线性规划问题，其变量多、约束条件多，控制变量 连续型和离散型相混合，这就导致无功优化过程相当复杂【6 】。几十年来国内外很多专家 和学者对此开展了大量的研究工作，除了常规的无功优化方法，近年来通过对人类和自 然界的类比，更是提出了一些新兴的启发式人工智能算法及改进算法，如遗传算法、禁 忌搜索算法、模拟退火算法、蚁群算法、混沌算法等，但到目前为止，仍然尚无一种公 认的快速完善可行的方法，因此对于无功优化方法的研究与应用，特别是人工智能方法， 还需要继续努力积极的进行研究。 3 第一章绪论 1 2 1 常规的无功优化方法 电力系统常规的无功优化方法主要有：线性规划法、非线性规划法、混合整数规划 法、动态规划法。这类算法的研究及发展时间较长，理论完整、方法成熟，在实际问题 中已经有直接应用，取得了不错的效果。但是配电网无功优化属于大型非线性整数规划 问题，目标函数、约束条件的复杂性，控制变量的多维化，使得常规优化方法在解决这 类问题时具有较大的局限性，易丢失最优解，而且误差较大【8 】。 ( 1 ) 线性规划法( l m e a rp r o g r a m m i n g ，简称l p ) 。线性规划法是求一组非负的变 量( x l ，x ：，x 。) r ，它们在满足一组线性等式或不等式约束的条件下，使线性目标函数达 到最大值或最小值。那么，这种方法应用在电力系统无功优化中，需将非线性的目标函 数和约束条件局部逐次线性化，其优点是计算速度快、收敛性高，处理各种约束条件简 单方便，但由于把实际问题模型做了近似线性处理，使其计算结果与实际问题往往误差 较大。下面给出线性规划法的矩阵标准型，采用向量形式表示。 记系数c = 0 l ，巳) r ，非负约束条件x = ( x 17 7 毛) r 0 ，6 = ( b l ，b m ) r ， 彳= a l la 1 2 a 2 1a 2 2 a ，”1a ，w 2 口l n 口2 n 口枷 删牛刍 ( 2 ) 非线性规划法( n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 。1 9 5 1 年，数学家h w k u h n 和 a w t u c k e r 发表的关于最优性条件( 后被称为k u h n t u c k e r 条件) 的论文标志着非线性 规划法的诞生，成为2 0 世纪5 0 年代的新兴学科。这种方法主要是指目标函数和约束条 件至少有一个是未知量的非线性函数，在一组等式或者不等式约束的条件下，求一组变 量( ，x ：，x n ) 7 使目标函数达到极值。在无功优化中，由于问题自身就是非线性的，所 以这种方法最先被应用到无功优化领域中。但是，由于目标函数和约束条件本身具有很 大的非线性，根据k u h n t u c k e r 条件所建立的非线性方程组，在实际情况中无法联立求 解，致使这种方法失去在精度上的优势，更常遇到计算速度慢、收敛性差等缺点。 ( 3 ) 混合整数规划法( m i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n g ) 。混合整数规划法主要是解决 优化变量的离散性问题。在配电网无功优化中，既有连续变量，又有离散变量，如可投 切电容器的组数和可调变压器分接头，都是整数变量。要采用混合整数规划法解决这个 问题，就需要先确定问题中的整数变量，再用线性规划法协调处理问题中的连续变量。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 采用这种方法可以减少网损，提高精度，并减少控制变量的调节次数，但其劣势就是计 算时间会随维数的增加而增加，若系统维数过多，计算时间甚至会爆炸性的增加。 ( 4 ) 动态规划法( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 。动态规划法是解决多阶段决策过程最 优化问题的一种方法。2 0 世纪5 0 年代，美国数学家r b e l l m a n 等人根据一类多阶段决 策问题的特点建立了解决过程类问题的新方法一动态规划法。在工程技术、工业生产等 多个领域的实际问题中，相对线性规划和非线性规划，动态规划要更加方便有效。但动 态规划并没有一个标准的表达式，而是针对具体问题有具体的数学表达，因此动态规划 没有统一的处理格式，必须依据问题本身的特点来处理。在无功优化问题中，往往以时 间或者空间将问题分为多个相互联系的阶段，在每个阶段中正确的选择状态变量和决策 变量，从而选取一个最优策略，使满足预定标准而达到最优效果。 表1 - 2 四种常规无功优化算法比较 t a b l e l - 2 c o m p a r i s o no f f o u rk i n d so fc o n v e n t i o n a lr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s 初值要求计算速度收敛特性全局最优 线性规划法有较快较好 否 非线性规划法有较慢较差 否 混合整数规划法有较慢较好否 动态规划法有较快较好否 传统的常规优化算法是初级阶段的优化方法，存在一定的局限性：单点运算方式大 大限制了计算效率的提高；向改进方向移动限制了跳出局部最优的能力；停止条件只是 局部最优性的条件；对目标函数和约束函数的要求限制了算法的应用范围。2 0 世纪7 0 年代，最优化方法的发展陷入了低谷【9 j 。 1 2 2 现代人工智能优化算法 随着人们对最优化方法要求的提高，针对传统的常规方法的不足，人们提出了一些 新的需求：对目标函数和约束函数表达的要求必须更为宽松；计算的效率比理论上的最 优性更重要；算法随时终止能够随时得到较好的解；对数据的质量要求更加宽松。这些 需求促进了最优化方法的发展，遗传算法、禁忌搜索算法、模拟退火算法、蚁群优化算 法、粒子群优化算法等现代启发式人工智能优化算法应运而生【9 】。 ( 1 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 。2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，美 国密歇根大学的j h h o l l a n d 教授提出遗传算法，这种优化方法是模仿生物种群中优胜 劣汰的自然选择机制，通过种群中优势个体的繁衍进化来实现优化功能的随机搜索方 5 第一章绪论 法。其基本思想是根据问题的目标函数构造一个适值函数，利用特殊的编码方法对染色 体进行编码表示问题的解( 每个解对应一个染色体) ，多个解构成一个种群，对种群进 行评估、遗传运算、选择，经多代繁殖，获得适应值最好的个体作为问题的最优解。遗 传算法的优势在于随机性、高度并行性和自适应性，而且对初值无要求，通用性强。鉴 于遗传算法的这些优势，在无功优化中应用广泛，但收敛较慢、精度较低、实时性差的 缺点却使得遗传算法不利于实用，所以单一的算法在应用时仍需改进，或与其他智能算 法结合。 ( 2 ) 禁忌搜索算法( t a b us e a r c h ，简称t s ) 。禁忌搜索算法是继遗传算法之后出 现的又一种启发式优化算法，最早于1 9 7 7 年由g l o v e r 提出。这种算法主要是模仿人类 记忆功能，使用t a b u 表来封锁已经搜索过的区域来避免迂回搜索，同时解放禁忌区域 中的一些较好状态，进而保证搜索的多样性，从而达到全局最优。基本思想就是在搜索 过程中将近期的搜索过程放在禁忌表中，阻止算法重复进入，有效地防止了循环搜索。 该搜索算法最大的特点是可以接受劣解，这样就可以避免陷入局部最优。在电力系统无 功优化中，禁忌搜索算法也得到了广泛的应用，虽然这种算法寻优能力强，但是其搜索 性能很大程度上依赖于初始解的选择，而且直接影响到算法的收敛速度。 ( 3 ) 模拟退火算法( s i m u l a t e d a n n e a l i n g ，简称s a ) 。早在1 9 5 3 年，n m e t r o p o l i s 就提出了模拟退火算法的思想，但并没有引起反响，直到1 9 8 2 年，k i r k p a t r i c k 等人提 出了现代的模拟退火算法，并成功应用在组合优化问题中。这种算法主要是模仿热力学 中高温物体的物理退火过程。基本思想是由一个给定的初始高温开始，利用具有概率突 跳特性的m e t r o p o l i s 抽样策略在解空间中随机进行搜索，伴随温度的不断下降重复抽样 过程，最终得到问题的全局最优解。模拟退火算法收敛速度快，计算结果比较精确，能 够以较大的概率跳出局部最优，达到全局最优，使得这种算法在无功优化中的优越性越 来越大。 ( 4 ) 蚁群优化算法( a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ，简称a c o ) 。2 0 世纪9 0 年代初， m d o r i g o 等人提出蚁群优化算法。这种算法主要是模仿蚂蚁群体利用信息素相互传递来 实现路径优化的机理，通过记忆路径信息素的变化来解决组合优化问题。这种算法是采 用人工蚂蚁的行走路线来表示待求问题可行解的一种优化算法。每只蚂蚁在解空间中独 立搜索可行解，当遇到新的路口时，随机挑选一条路径前行，并释放与路径信息相关的 信息素。后继蚂蚁就会以相对较大的概率选择信息素较多的路径，形成正反馈机制，最 终整个蚁群在正反馈的作用下集中到最优解的路线上，这是蚁群算法的基本思想。蚁群 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 算法寻优能力强，具有较好的鲁棒性，其优势在配电网无功优化中也有了大量的应用， 但是由于该算法搜索时间较长，容易出现停滞现象，且收敛性对初始化参数的设置较敏 感，该算法还需要进一步改进。 ( 5 ) 混沌优化算法( c h a o so p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，简称c o a ) 。混沌学的研究开 始于2 0 世纪6 0 年代。9 0 年代末，一些学者首次将混沌序列引入优化算法并成功的应用 到组合优化问题中。混沌现象是存在于非线性系统中的一种普遍的貌似无规则且随机的 现象，有着精致的内在结构，具有遍历性、随机性、“规律性”等特点。这种优化方法 的基本思想就是将混沌状态通过线性映射引入到优化变量中，利用混沌运动的遍历性扩 展到优化变量的取值范围，然后利用混沌变量在允许解空间中进行搜索。虽然该方法搜 索效率高，但是其缺陷在于局部搜索能力差，计算准确度差，可以和其他算法结合对待 求问题进行优化。 表l - 3 各种人工智能方法的性能比较 t a b l e l - 3 c o m p a r i s o no nf e a t u r e so fd i f f e r e n ta r t i f i c i a li n t e l l i g e n ta p p r o a c h e s 优势劣势 遗传算法( g a )随机性、并行性和自适应性高；实时性差、精度低、收敛速度 对初值无要求，通用性强慢，易做大量冗余迭代 禁忌搜索算法( t s )寻优能力强，局部搜索能力强，收敛速度对初始值较敏感 可接受劣解 模拟退火算法( s a )全局收敛性好，计算结果较精计算速度慢，搜索方向错误时 确，能以较大概率跳出局部最优易导致收敛早熟 蚁群优化算法( a c o )正反馈机制最终可收敛于最优搜索时间长，易出现停滞现 路径，鲁棒性较好象，收敛性对初始化参数依赖 性大 混沌优化算法( c o a )搜索效率高局部搜索能力差，计算准确度 差 除了上述几种智能算法，还有人工神经网络法( a n n ) 、粒子群优化算法( p s o ) 、 模糊集理论( f s ) 、专家系统法( e s ) 等多种方法，由于现代启发式人工智能算法的独 特优势，这些算法对各个领域各类复杂的优化问题都有很强的适应性，因此在配电网无 功优化中也逐渐得到越来越多的应用，本文对上述几种智能算法做了简单的性能比较， 见表1 3 。 7 第一章绪论 1 3 本文主要工作 本课题属于导师与胜利油田的合作课题。通过阅读研究大量的文献书籍，本文从油 田电网自身的特点出发，以胜利油田辛四变电站1 1 0 k v 区域配电网为研究对象，建立了 无功优化模型，将混沌优化算法与模拟退火算法相结合，对无功优化模型进行求解，并 结合实际电网进行验证，进而实际扩展应用到油田配电网中。本文的主要工作如下： ( 1 ) 对胜利油田辛四变11 0 k v 配电网现有电网结构、补偿现状和负荷情况进行了 分析，进而提出配电网无功补偿配置的具体方法。 ( 2 ) 根据实际电网建立了辛四变ll o k v 配电网无功补偿优化模型。对此模型进行 潮流计算，分析电网潮流分布，利用v c + + 语言编制潮流计算程序。根据理论分析，结 合具体的验证，确定使用牛顿拉夫逊法进行潮流计算。 ( 3 ) 根据潮流分析结果，以模拟退火算法为基础，结合混沌优化算法，对实际电 网进行无功优化设计，确定区域各变电站的无功补偿容量，并用v c + + 语言编程来实现 混沌模拟退火优化算法。 ( 4 ) 将实际电网抽象出的数学模型结合变电站实际运行数据，验证混沌模拟退火 算法的可行性及有效性。 8 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第二章区域电网无功补偿配置和潮流计算方法的研究 合理的配置无功补偿能够有效地维持系统电压水平的稳定，降低电网有功损耗，达 到电网节能的目的，从而提高整体的经济效益。要选择合理的补偿方式、补偿设备和补 偿地点，必须以配电网潮流分布为依据，从而改善电网的无功潮流状况。 2 1 油田区域电网无功补偿配置的研究 胜利油田电网是大型电力用户，由前述的油田电网负荷存在的问题，导致无功功率 严重缺乏，因此需要进行合理的无功补偿。对于本课题而言，因为胜利油田负荷分散点 多、面积大，全部分散就地补偿的方式在管理方面和维护技术方面都有较大的困难，所 以现有的补偿方式是在1 1 0 k v 和3 5 k v 变电所采用多组电容器组集中补偿的方式。由于 各高压补偿容量没有统一进线规划，油田负荷无功波动大，导致现有的补偿方式存在许 多问题。 2 1 1 油田区域电网无功补偿现状 目前大多数油f f l 配电网的无功补偿都存在以下问题： ( 1 ) 单一的补偿方式。在胜利油田调查研究发现，要么在配电网的末端负荷处进 行分散就地补偿，但要全部实施分散就地补偿的方法，就会导致设备利用率低、管理维 护困难。要么就是在变电所采用集中补偿的方式，如本课题的研究对象辛四变1 1 0 k v 区 域配电网。两种补偿方式单一采用，不能有效结合。 ( 2 ) 电容器的补偿能力受到系统电压的限制，无功补偿和系统电压不能有效配合； 投切电容响应速度慢，不能连续频繁的进行投切；分组电容器有级差，不能连续补偿。 电容器的补偿容量与实际供电电压成正比，电压升高会导致补偿容量增大，反过来又会 使电压再升高，从而形成正反馈，对变压器、电动机等设备造成的损耗较大，影响使用 寿命【1 2 】。 ( 3 ) 在3 5 k v 和1 1 0 k v 变电站中的集中无功补偿装置主要采用高压电容器组分组 固定补偿技术，由于负荷波动大，无功补偿容量不能够随着负荷的变化而动态调节，存 在着补偿不足和过补偿的问题，同时在3 5 k v 和1 1 0 k v 变电站无功补偿容量之间没有从 区域统一规划考虑，对补偿地点和补偿容量的选择都不太合理，影响区域节能的效果。 9 第二章区域电网无功补偿配置和潮流计算方泫的研究 2 1 2 区域电网无功补偿配置方式的确定 在配电网无功补偿中，首先要确定合适的补偿点，为了使区域电网无功补偿能取得 最好的综合效益，在具体选择无功补偿方式时，根据国家电力系统电压和无功电力技 术导则规定，具体遵循的原则如下n 引： ( 1 ) 总体平衡与局部平衡相结合，以总体平衡为主； ( 2 ) 就地补偿与集中补偿相结合，以就地平衡为主； ( 3 ) 降损与调压相结合，以降损为主。 综合上述无功补偿的原则，根据油田中区配电网分支多、供电面积大、负荷多且分 散的特点，最终确定以下的补偿方式： ( 1 ) 由于油田采油区分布范围广，抽油机位置较分散，综合考虑区域电网的经济 性和安全性，采用分层就地补偿和集中补偿的无功补偿方式。分层就地补偿能较大程度 减少无功功率的传输，从而减少有功损耗，并且分层可以避免不同电压等级的无功相互 流动。在主变电站集中配置较大容量的电容器来进行调节，有利于电压水平的控制。 ( 2 ) 固定补偿和动态补偿相结合，按照电网负荷变化动态调整无功出力。固定补 偿的无功容量部分采用分组电容器固定补偿方式，动态补偿的无功容量部分采用有载调 压器调节电容器端电压来动态调节电容器组的无功补偿容量。在合理的配置固定补偿的 基础上，根据区域电网运行方式的变化，通过在线优化调整区域电网内所有的主变压器 的变比和有载调压无功补偿变压器的变比，合理优化区域电网内的无功功率流动。 n o k v 变电站 图2 - 1区域电网无功补偿系统基本配置图 f i 9 2 1 b a s i cc o n f i g u r a t i o no fr e g i o n a lp o w e rg r i dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ns y s t e m 1 0 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 区域电网无功补偿系统主要包括固定补偿电容器组、动态补偿电容器组、动态补偿 有载调压器、区域无功控制主站装置和区域无功控制子站装置。基本配置如图2 1 所示。 区域无功控制主站装置根据电网运行数据，调整优化电网内各变电站主变压器和有载调 压动态补偿变压器的变比值，并相应的发送调节命令至区域无功控制子站装置实现区域 电网内无功合理的流动，从而保证电网的安全性和经济性。 2 2 配电网潮流计算方法研究 所谓电力系统的潮流，是指系统中所有运行参数的总体，包括各个母线电压的幅值 和相位、各个发电机和负荷的功率和电流，以及各个变压器和线路等元件所通过的功率、 电流和损耗。电力系统潮流计算是电力系统运行和规划中最基本的计算，主要任务就是 在已知某些运行参数( 通常系统中各个母线所供负荷的功率是给定的) 的情况下，计算 出系统中全部的运行参数，从而确定系统运行方式，检查系统元件是否出现过载或过压 现象，为无功补偿设备的配置和系统无功优化提供依据。 在2 0 世纪7 0 年代末之前，配电网的潮流计算都采用手工方法，这时的主要方法是 顺支路法，即传统的前推回代法。这种方法是先假定额定电压为系统电网的节点电压初 始值，然后逆潮流方向从末端向首端计算各支路的功率，再由首端向末端计算各节点的 电压。但随着电力系统的逐步复杂，手工计算又费时又容易出错。随着电子计算机的出 现，配电潮流的计算机方法也渐渐被研究出来，经典的算法有牛顿拉夫逊法、p q 分解 法等，目前这些算法理论基础成熟，已经程序化，应用到实际问题中。 采用计算机的潮流算法，为了保证计算结果的正确，通常要满足一定的要求：计算 方法的收敛性可靠、计算速度快、占用内存量少、计算方便灵活。经典算法一般要根据 网络结构形成节点导纳矩阵，采用这种方法使计算简单，而且对计算机的内存要求也比 较小。 2 。2 1 节点导纳矩阵的原理 节点导纳矩阵是，z 阶方阵，其对角元素y ，j ( i = 1 ，z ) 称为自导纳，非对角元素 r , j ( i = 1 ，刀，其q h i ) 称为互导纳。 n 个节点的系统用节点导纳矩阵表示的电流电压关系的方程为 第二章区域电阿无功补偿配置和潮流计算方法的研究 ，l ： ： i i ： ： i j ： ： j 。 ( 2 1 ) 其中，j 矩阵为节点注入电流组成的向量；矩阵为节点电压组成的向量；j ，矩阵为 网络的节点导纳矩阵。 由式( 2 - 1 ) 可见，如果f j ，则 巧= y f i = 一y 驴 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 表明，互导纳毛在数值上等于仅在节点j 施加单位电压，而其余节点电 压均为零( 即接地) 时，经节点j 注入网络的电流，其值为支路导纳y 豇的负数，即 巧= 一y 。y i 为节点i 和节点之间不接地的支路导纳，负号表示该节点电流流出网络。 同样可见，如果i = ，则 屹= j ，o + e y 岔 ( 2 - 3 ) j = i 式( 2 3 ) 表明，自导纳匕在数值上等于仅在- 1 丁h - 点i 施加单位电压，而其余节点电压 均为零( 即接地) 时，经节点f 注入网络的电流。数值上等于与节点f 直接相连的所有 支路的导纳( 不管支路导纳是否接地) 之和。 如果节点两端存在变压器且变比为k ，则有 巧2 匕2 一盟k 2 ( 2 - 4 ) 节点导纳矩阵具有如下性质： ( 1 ) 导纳矩阵匕为n 阶复数对称矩阵，其非对角元素和对角元素可分别用式( 2 - 2 ) 和式( 2 3 ) 求出。由于节点之间存在接地支路，所以导纳矩阵通常为非奇异矩阵。 ( 2 ) 匕中的非对角元素乃为互导纳，其值为节点耖之间串联支路导纳的负值。当 1 2 一 糟 唧 哪瓦；k； ；巧；匕； 玩；珞； ；矗；巧；k 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 节点f 和节点歹之间不存在直接相连的支路时，匕= 0 。在实际电网中，导纳矩阵中大 量的非对角元素为0 ，这样的矩阵称为稀疏矩阵。在用计算机进行计算时，可以只存储 稀疏矩阵中的非零元素，从而节省内存。 ( 3 ) 在导纳矩阵中，每个节点所在行和列的元素之和等于该点接地支路的导纳， 若该节点无接地支路，其和为零，利用此性质，可检验形成的节点导纳矩阵是否正确。 2 2 2 牛顿拉夫逊法 牛顿拉夫逊法( n e w t o n r a p h s o n ) ，简称牛顿法，是求解非线性代数方程的一种有 效的迭代计算方法，该方法原理简单、计算也比较简单，而且收敛速度快。下面来阐述 这种方法的原理。 1 ) 牛顿拉夫逊法的基本原理 对于单变量非线性方程 厂( x ) = 0 ( 2 - 5 ) 解此方程时，先设真解为x ( ”，近似解为x 们，两者之间的误差为a x 们，则 x ( ) = x ( o + a x o ( 2 6 ) 将式( 2 6 ) 代入方程( 2 5 ) ，在x o 处展开成泰勒级数，略去a x o 的二次及以上 阶数的各项，只取其线性部分可得 f ( x o ) - i - f ( ) 缸o = 0 ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 称为修正方程，由该方程可得修正量血， 似解，可得 b 一利一器 x ( 1 与准确解之间仍存在误差a x n ，即 用所求得的修正量去修正近 ( 2 8 ) x ( 。) = x ( 1 + a x 1 ( 2 9 ) 为了进一步逼近真解，上述迭代过程可以反复进行，直到得到满足条件的解才终止 迭代过程。那么，迭代收敛判据通常为 i f ( xk , ) i 占。或l a x k l g ： ( 2 1 0 ) 1 3 第二章区域电网无功补偿配置和潮流计算方法的研究 p 一篇 t x 似“，= x 似，+ x 似， 七= 。1 ，2 2 - 1 1 ，z ( x 1 , x ：，_ ) = 0 jw 2 ( x i ，x 2 ： 吒) = ” ( 2 1 2 ) 1 气 z z ， i ： 【l ( x 1 ，x 2 ，x 。) = 0 假设其准确解为x ：”，爰“，“，初始值为们，吐们，x ：，误差为 血：，缸，缸即 = 墨。+ 酬，爰叼= x ：+ 血，q = x + 缸? ( 2 - 1 3 ) 将式i 2 1 3 ) 中各式分别代入方程组( 2 1 2 ) 中，在初始值附近将各式分别展开成 泰勒级数，并略去含有( 酬，酬，耐) 的平方及以上阶次的各项，得 神艄+ 烈衅+ 觥，) ) + 烈衅+ ( 掣片，) + 篓c y x i1 0 酬+ 篆1 0 耐+ + 筹1 0 血= 。o x 2g x n 式( 2 1 4 ) 是关于修正量厶p ，缸罗，缸的线性方程组，称为修正方程组。利 用高斯消去法或三角分解法可解出修正量，然后对初始近似解进行修正得 x y = x p + 酬 i = l ，2 ，n ( 2 - 1 5 ) 如此反复迭代，在进行第k 一1 次迭代时，从求解修正方程组解得修正量 1 4 o o = = h 叫 缸 m 旧 盟瓯识一瓯 + + + + 2 舯2 掣 缸 m 旧 研一阢一魄 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 一a x ，。k ) ，一a z ，2 k ) ，醚n ，并对各变量进行修正 m ) _ ”+ 酬” i = 1 7 2 ，n 式( 2 1 4 ) 和( 2 1 6 ) 也可简写为 f ( x ) = 一a x x + 1 ) = x + 从七) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中，x 和赵分别是由n 个变量和修正量组成的n 维列向量；，( x ) 是由n 个多 元函数组成的n 维列向量；是n 阶方阵，称为雅克比矩阵，其中第玎个元素是第f 个 函数f ( x l , x 2 , , x n ) 对第歹个变量_ 的偏导数厶= 要；上角标尼表示雅克比矩阵的 每一个元素都在点( x ：u ，x ， x 。( o ) 取值。 多维非线性方程组的牛顿法迭代格式可以表示为 丁似2 一唑m 黧后- o ，1 ，2 ，( 2 - 1 9 ) lx “) = x + a x ( 。) 7 当满足收敛判据时，迭