試析電力系統(tǒng)綜合節(jié)能的有功與無(wú)功功率協(xié)調(diào)優(yōu)化策略

劉啟會(huì)

摘 要：將有功功率和無(wú)功功率交替優(yōu)化，會(huì)產(chǎn)生更多的能耗。利用梯度法限制原初的控制變量，建立有功和無(wú)功功率的優(yōu)化協(xié)調(diào)模型，將找到優(yōu)解。將網(wǎng)損所產(chǎn)生的費(fèi)用平攤到每個(gè)發(fā)電機(jī)上，可降低發(fā)電費(fèi)用。本文將就電力系統(tǒng)綜合節(jié)能的有功和無(wú)功功率的協(xié)調(diào)優(yōu)化進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)優(yōu)化；智能電網(wǎng)；有功功率；無(wú)功功率

中圖分類號(hào)：TM731 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

電力的傳輸、配電等環(huán)節(jié)，都是電力工業(yè)中會(huì)產(chǎn)生能源消耗的地方，解決這一損耗始終是我國(guó)節(jié)能降耗的首要問題。為了解決一次能源的損耗降低發(fā)電的成本，需要優(yōu)化有功功率的損耗。而需要解決二次能源的消耗降低網(wǎng)絡(luò)的損耗，需要優(yōu)化無(wú)功功率的損耗。在設(shè)計(jì)節(jié)能模型的過程中，需要同時(shí)考慮有功和無(wú)功兩方面，然而兩者的優(yōu)化方向是截然不同的。因此，如何讓兩者達(dá)到最佳的平衡狀態(tài)，成為了模型設(shè)計(jì)中最大的問題。像過去在計(jì)算優(yōu)化時(shí)往往采用交替優(yōu)化有功和無(wú)功的方法，但這會(huì)產(chǎn)生問題，如無(wú)法保確電機(jī)所發(fā)出的功率一定處于其功率圓里的特定區(qū)域，所以我們需要新的方法。

1有功和無(wú)功的優(yōu)化概要

二十世紀(jì)三十年代，由研究多臺(tái)火電機(jī)組如何分配負(fù)荷起，人們開始探討對(duì)電力系統(tǒng)的有功進(jìn)行優(yōu)化，以便節(jié)約能耗減少成本。以優(yōu)化數(shù)學(xué)作基，提出的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配法，至今被認(rèn)為是種經(jīng)典方法，進(jìn)入設(shè)計(jì)者的考慮。

但是，由于電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，不難發(fā)現(xiàn)僅僅依靠有功優(yōu)化是不夠的。由傳輸路長(zhǎng)所導(dǎo)致的網(wǎng)損難以表達(dá)和計(jì)算；無(wú)法具體反映各輸元件上的功率分布等問題，影響了電力系統(tǒng)的節(jié)能問題。根據(jù)數(shù)學(xué)優(yōu)化理論，有功功率優(yōu)化調(diào)度時(shí)，考慮到了潮流方程和輸電元件的限制，成為最優(yōu)潮流問題。

對(duì)有功功率進(jìn)行了大量的研究后，為了達(dá)到綜合的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益，我們利用專家規(guī)則、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、優(yōu)先順序等方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行工程化的算法，建立了調(diào)控約束功率的模型，來(lái)優(yōu)化調(diào)度工程。

另一方面，針對(duì)無(wú)功功率的優(yōu)化，在約束條件下對(duì)控制變量的優(yōu)化，來(lái)降低電網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用，在保證電壓穩(wěn)定性的同時(shí)減少網(wǎng)損。發(fā)電機(jī)的輸出功率會(huì)有一部分，是有功網(wǎng)損，但是可以通過對(duì)無(wú)功率的優(yōu)化，來(lái)減少有功網(wǎng)損的消耗。根據(jù)對(duì)無(wú)功功率優(yōu)化的模型進(jìn)行分析研究，問題也被簡(jiǎn)單分開成，電容器的投切以及變壓器的分接頭調(diào)節(jié)。

采用替代節(jié)點(diǎn)支路以及修正算法，對(duì)調(diào)節(jié)變壓器分接頭和投切電容器的先后進(jìn)行調(diào)節(jié)。而另一方面，針對(duì)多區(qū)域電力系統(tǒng)的優(yōu)化問題，學(xué)界提出了優(yōu)化解耦算法，基于近似牛頓方向以及GMREs的算法。

上述都是傳統(tǒng)的方法，借由自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)以及自動(dòng)電壓控制技術(shù)的發(fā)展，綜合考慮電力系統(tǒng)的有功和無(wú)功功率的協(xié)調(diào)優(yōu)化成為課題，需要設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)于有功和無(wú)功功率協(xié)調(diào)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，以及更為迅捷的求解算法。

2優(yōu)化協(xié)調(diào)模型運(yùn)算路徑

在確定發(fā)電成本的限縮范圍的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)，并且用現(xiàn)有機(jī)組的函數(shù)來(lái)表示目標(biāo)函數(shù)。通過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，可以限縮原初網(wǎng)損。由于上述的消耗對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)損耗不會(huì)有太大差別，所以用體系內(nèi)的原初二次能源替代一次能源，可以限縮原初體系成本，再將這些網(wǎng)損分配到設(shè)定的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的固有發(fā)電成本，就可以算出精確的總體成本。

在已設(shè)定的無(wú)損架構(gòu)下，根據(jù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的路徑，去分配原初的負(fù)荷，并且遵循發(fā)電成本限縮的原則，重新平攤有功功率。為了計(jì)算出最優(yōu)的分配路徑，首先要剔除其他因素簡(jiǎn)化模型，單純考慮有功平衡的方程，忽略已產(chǎn)生的有功網(wǎng)損。

二次函數(shù)包括在發(fā)電成本之內(nèi)，在有功功率的框架下，體系的固有有功損耗十分特殊。根據(jù)總體限縮原則，限縮發(fā)電成本，需要把原初有功網(wǎng)損分布在各個(gè)機(jī)組內(nèi)，在減少發(fā)電消耗的同時(shí)節(jié)省電能，達(dá)到低耗能的效果。

根據(jù)上述的運(yùn)算方法，可以得到現(xiàn)有網(wǎng)損的微增率。而最優(yōu)態(tài)勢(shì)的優(yōu)化值，即是上面所說(shuō)的有功功率和微增率之和，這是單純考慮有功的平衡方程所得到的結(jié)果。在這一基礎(chǔ)上，再考慮真實(shí)態(tài)勢(shì)，我們就能夠進(jìn)一步優(yōu)化這一計(jì)算的精確性。通過建立模型歸納綜合，我們可以確立目標(biāo)函數(shù)，在總體范圍內(nèi)的發(fā)電成本，將成為優(yōu)化的數(shù)值。總體成本中包含了原初的煤耗，這也就是節(jié)能。

3優(yōu)化協(xié)調(diào)建模中的梯度法

通過建立數(shù)學(xué)模型來(lái)協(xié)調(diào)優(yōu)化有功功率及無(wú)功功率，其中常用也是最為簡(jiǎn)單快捷的方法就是梯度法。梯度法可以直觀的反映模型，但由于梯度法并不像牛頓法那樣，擁有二階收斂的優(yōu)越性。因此，當(dāng)梯度法在最優(yōu)態(tài)勢(shì)下使用，在其端點(diǎn)附近會(huì)受限縮影響，產(chǎn)生振蕩而無(wú)法收斂。

需要注意，梯度法在優(yōu)化算法的初期有著很快的收斂性，因此我們可以分段處理，在運(yùn)算初時(shí)使用梯度法，在接近優(yōu)解即端點(diǎn)時(shí)再用不等式約束、節(jié)點(diǎn)支路交換、牛頓法等方法進(jìn)行收斂。通過如牛頓法一類的算法，來(lái)解決二階的收斂問題，這樣就能明確優(yōu)解的收斂性。

但是借由牛頓法收斂將損失一部分收斂速度，并且為了補(bǔ)充這一部分的收斂成效，我們引入了不等式約束。通過不等式約束集，在梯度法無(wú)法收斂的近優(yōu)解端收斂，補(bǔ)償收斂成效。約束不等式的同時(shí)，我們可以替換固有的節(jié)點(diǎn)和支路，用來(lái)重新整理變量，便于接下來(lái)的建模。

節(jié)點(diǎn)和支路的替換，有其固有的原則。視原初無(wú)功為預(yù)設(shè)的有功功率，將其當(dāng)做控制變量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓超過了預(yù)設(shè)的范圍，所求的電壓幅值即是邊界值。根據(jù)這樣的原則整理替換節(jié)點(diǎn)。對(duì)無(wú)功注入下的功率進(jìn)行討論，不可任意更換節(jié)點(diǎn)，確保體系的原初電壓不受影響。與節(jié)點(diǎn)相類似的，支路替換也有著相應(yīng)的模式。節(jié)點(diǎn)替換是用來(lái)穩(wěn)定電壓幅，而支路替換是為了穩(wěn)定被約束破壞的電流幅。這里，我們不再對(duì)支路替換進(jìn)行展開。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是解耦最優(yōu)潮流計(jì)算或是其他潮流計(jì)算，都有其局限性，然而隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)行計(jì)算速度不斷加快，對(duì)電力系統(tǒng)的模型計(jì)算也越來(lái)越迅速?？梢詫?duì)有功功率和無(wú)功功率的優(yōu)化進(jìn)行協(xié)調(diào)計(jì)算，使電網(wǎng)運(yùn)行過程中的綜合耗能達(dá)到最低，起到節(jié)能低耗的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫偉卿，王承民，張焰，俞國(guó)勤，祝達(dá)康. 電力系統(tǒng)綜合節(jié)能的有功與無(wú)功功率協(xié)調(diào)優(yōu)化[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，（7）

[2] 姚勇. 電力系統(tǒng)綜合節(jié)能的有功與無(wú)功效率協(xié)調(diào)優(yōu)化分析[J].科技與企業(yè)，2014，（7）

[3] 秦明璞. 電力系統(tǒng)綜合節(jié)能的有功與無(wú)功效率協(xié)調(diào)優(yōu)化問題現(xiàn)狀[J].吉林畫報(bào)·新視界，2012，（3）

[4] 樊鐵鋼，張勇傳. 有功于無(wú)功功率最優(yōu)實(shí)時(shí)定價(jià)新方法[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2000，（4）