電力系統(tǒng)運(yùn)行中潮流穩(wěn)定計算新思路分析

楊雨熹

摘要： 電力系統(tǒng)潮流計算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的一種基本電氣計算，它的任務(wù)是根據(jù)給定的運(yùn)行條件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)確定整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，其在電力系統(tǒng)運(yùn)行中占據(jù)舉足輕重的作用。而過去的計算方式不僅計算方式較為固定，其便捷性和準(zhǔn)確性也亟待完善?；诖?，本文提出了一種新的潮流穩(wěn)定的計算方法，即混沌粒子群優(yōu)化算法。通過將混沌粒子群優(yōu)化算法運(yùn)用到電力系統(tǒng)中進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)該算法不僅收斂性相對較好，該算法所得結(jié)果還具有較高的有效性和準(zhǔn)確性。

Abstract： Power flow calculation is a basic electrical calculation to study the steady state operation of power system. Its task is to determine the operating status of the entire system according to given operating conditions and network structure， which occupies a pivotal role in the operation of the power system. In the past， the calculation method was not only a relatively fixed calculation method， but also its convenience and accuracy need to be improved. Based on this， this paper presents a new stable power flow calculation method， namely chaotic particle swarm optimization algorithm. The chaotic particle swarm optimization algorithm is applied to the power system and tested. It is found that the algorithm not only has relatively good convergence， but also has high validity and accuracy.

關(guān)鍵詞： 電力系統(tǒng)；混沌粒子群算法；潮流穩(wěn)定計算；L指標(biāo)；新思路

Key words： power system；chaotic particle swarm algorithm；power flow stability calculation；L index；new idea

中圖分類號：F416.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0229-03

0 引言

電力系統(tǒng)潮流計算的結(jié)果是電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算和故障分析的基礎(chǔ)。常規(guī)粒子群優(yōu)化算法在過往很長時間內(nèi)在電力系統(tǒng)運(yùn)行中都發(fā)揮著重要作用，但隨著科技的不斷進(jìn)步和完善，人們發(fā)現(xiàn)在該算法中存在弊端，即該算法很容易早熟從而使得系統(tǒng)陷入局部最優(yōu)解，影響最終的計算結(jié)果準(zhǔn)確性。為解決上述問題，本文提出了一種新的潮流計算方法，即混沌粒子群優(yōu)化算法，混沌粒子群優(yōu)化算法主要是利用L指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對電壓的穩(wěn)定約束，通過觀察L指標(biāo)，可分析出當(dāng)前電力系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定過程。本質(zhì)上可視為在常規(guī)的最優(yōu)潮流（OPF）中加入一個不等式的相應(yīng)約束形式（即L指標(biāo)），形成含電壓穩(wěn)定約束的最優(yōu)潮流（VSCOPF）。將混沌粒子群優(yōu)化算法運(yùn)用到系統(tǒng)之中進(jìn)行測試，證實(shí)該算法在收斂性、準(zhǔn)確性、有效性等方面都具有明顯優(yōu)勢。

1 潮流計算的意義及應(yīng)用

在電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和規(guī)劃方案研究中，在比較運(yùn)行方式或規(guī)劃供電方案優(yōu)劣中潮流計算發(fā)揮著不可或缺的作用。此外，在實(shí)時監(jiān)控電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)方面，潮流計算的作用也不可或缺。因此，潮流計算是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、最基本和最重要的一種電氣運(yùn)算，其主要被應(yīng)用在以下四個方面：一是在電網(wǎng)規(guī)劃階段，利用潮流計算可準(zhǔn)確判斷出規(guī)劃電源容量及接入點(diǎn)，將網(wǎng)架規(guī)劃合理，同時確定最佳補(bǔ)償方案；二是在編制年運(yùn)行方式時，在預(yù)計負(fù)荷增長及新設(shè)備投運(yùn)基礎(chǔ)上，通過采用典型方式進(jìn)行潮流計算，可將電網(wǎng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)暴露出來，將容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)提供調(diào)度員，便于相關(guān)工作人員更好的控制相關(guān)參數(shù)；三是正常檢修及特殊運(yùn)行方式下的潮流計算，用于日運(yùn)行方式的編制，指導(dǎo)發(fā)電廠開機(jī)方式，有功、無功調(diào)整方案及負(fù)荷調(diào)整方案，有利于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行；四是預(yù)想事故、設(shè)備退出運(yùn)行對靜態(tài)安全的影響分析及作出預(yù)想的運(yùn)行方式調(diào)整方案[1]。

2 潮流穩(wěn)定計算新思路分析

潮流計算作為電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、最基本和最重要的一種電氣運(yùn)算，其重要性不言而喻，但近年來人們發(fā)現(xiàn)常規(guī)的潮流計算已無法適應(yīng)新時期電力系統(tǒng)的需求，最優(yōu)潮流（OPF）越來越受到關(guān)注和重視。早在上世紀(jì)60年代最優(yōu)潮流（OPF）就被第一次提起，且其從被提出到現(xiàn)在一直是相關(guān)研究人員的重要課題。對于最優(yōu)潮流而言，其主要內(nèi)容如下：當(dāng)已經(jīng)給定了相關(guān)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及所負(fù)荷的情況，通過優(yōu)化其控制變量，并找出適應(yīng)性較強(qiáng)且能各種指定的約束條件。在當(dāng)前的電力市場環(huán)境下，充分考慮系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。因此，在最優(yōu)潮流計算中必須充分考慮電壓穩(wěn)定。當(dāng)前狀況下，最優(yōu)潮流問題的解決方法包含內(nèi)容繁多，大致可分為兩類，即人工智能的方法以及傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法，其中人工智能方法主要包括有模擬退火法、遺傳算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等；傳統(tǒng)數(shù)學(xué)方法主要有線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、非線性規(guī)劃以及動態(tài)規(guī)劃等[2]。

基于此，本文提出了一種新的潮流穩(wěn)定的計算方法，即混沌粒子群優(yōu)化算法。利用了混沌運(yùn)動的遍歷性、隨機(jī)性以及對初值的敏感性等特性，根據(jù)早熟判斷機(jī)制，在基本粒子群算法陷入早熟時，進(jìn)行群體的混沌搜索。數(shù)值仿真結(jié)果表明該方法能跳出局部最優(yōu)，進(jìn)一步提高了計算精度和收斂速度，以及全局尋優(yōu)能力。

3 進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定約束的最優(yōu)潮流的考慮

3.1 電壓穩(wěn)定L指標(biāo)

對于電壓穩(wěn)定的L指標(biāo)而言，其最早是由Kennedy J在1986年提出的，電壓穩(wěn)定L指標(biāo)能夠一定程度上估計運(yùn)行點(diǎn)的電壓穩(wěn)定的裕度，正因?yàn)槿绱耍?jīng)常被用在量化操作中，是一種有效的量化方法[3]。L指標(biāo)在當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行中具有諸多明顯優(yōu)勢，它能夠直觀的反映出相關(guān)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)的距離表現(xiàn)，其值的變化范圍在0-1之間，其中0是在不帶負(fù)荷狀態(tài)下；1是在電壓崩潰狀態(tài)下。通過計算所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的L指標(biāo)最大值，能夠?qū)ο到y(tǒng)的全局電壓穩(wěn)定程度做出合理判斷?；诖?，L指標(biāo)作為一個不等式的相應(yīng)約束形式，可將其加入到常規(guī)的最優(yōu)潮流（OPF）中。L指標(biāo)的相應(yīng)計算公式如下：

描述：在這一式子中，（1）式主要指的是在相應(yīng)的系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)j處所形成的相應(yīng)的等值電壓；而Fij主要指的是在相應(yīng)的混合矩陣中H的子矩陣。

所包含的相應(yīng)元素：

描述：在這個式子中，LI主要指的是在相應(yīng)的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電流向量，而LV指的是在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓向量；與之相對應(yīng)，VG指的是在發(fā)電機(jī)的節(jié)點(diǎn)處電壓的向量，VL指的是在發(fā)電機(jī)的節(jié)點(diǎn)處電流的向量；而ZLL，KGL，F(xiàn)LG，YGG為混合矩陣H的子矩陣。

L指標(biāo)由0到1的過程就是一個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)逐漸的向相應(yīng)的靜態(tài)電壓崩潰的過程，所以要想確保系統(tǒng)全局的穩(wěn)定，保證系統(tǒng)不出現(xiàn)崩潰，必須保證負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的L指標(biāo)值小于1[4]。

3.2 含電壓穩(wěn)定約束的OPF

在常規(guī)的最優(yōu)潮流的不等式約束條件的基礎(chǔ)上，加入相關(guān)的代表電壓穩(wěn)定約束的L指標(biāo)，形成含電壓穩(wěn)定約束的最優(yōu)潮流計算。

4 案例分析

為檢驗(yàn)電力系統(tǒng)潮流計算的效果十分符合標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)期，應(yīng)開展必要的仿真測試，具體測試過程是通過IEEE4以及IEEE30這兩個系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，結(jié)果如表1、表2。

分析上述兩個表格可知，L的上限值并不是一成不變的，它能夠結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況而對其進(jìn)行指定；×表示系統(tǒng)不存在相應(yīng)的最優(yōu)解；F主要是指相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電所需的費(fèi)用；Lmax主要指的是在所有的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)之中的L指標(biāo)的最大值。L指標(biāo)值和系統(tǒng)的安全性存在明顯的正比關(guān)系，可以說通過觀察L指標(biāo)值能夠大致判斷出系統(tǒng)的安全水平，L指標(biāo)值越高（趨向1），系統(tǒng)的穩(wěn)定性就越差，反之，則系統(tǒng)的安全性更高。此外，在分析上述表格時人們還發(fā)現(xiàn)，盡管系統(tǒng)的安全水平會因?yàn)長值的縮小而大大提高，但同時該階段的發(fā)電費(fèi)用也會大大提高，在這種情況下，一旦L低于某一個值，其系統(tǒng)的發(fā)電費(fèi)用將出現(xiàn)劇烈變化，如此一來很難得到系統(tǒng)的最優(yōu)解，電壓穩(wěn)定約束被束之高閣，不具備了實(shí)際意義。因此，對于電壓穩(wěn)定指標(biāo)L來說，應(yīng)該適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行對其的控制，使其在某一個范圍之內(nèi)[5]。

如下所示，表3以及表4主要為相應(yīng)的混沌粒子群算法與相關(guān)的牛頓算法的比較結(jié)果。

對比分析上述兩表發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的計算方式相比，人們更容易接受混沌粒子群算法，因?yàn)樵撍惴ǖ贸龅挠嬎憬Y(jié)果其精確度更高、發(fā)電費(fèi)用更低、網(wǎng)損較低等，正是因?yàn)樵撍惴ň邆涞倪@些優(yōu)勢，不僅大大降低了發(fā)電費(fèi)用和網(wǎng)損，還有效提高了計算結(jié)果的說服力。

5 結(jié)語

本文主要將L指標(biāo)作為電壓穩(wěn)定指標(biāo)，并建立了一種用混沌粒子群優(yōu)化算法來求解含系統(tǒng)的仿真測試，這種方法主要是將L指標(biāo)來作為對于電壓的穩(wěn)定約束，而對于L指標(biāo)來說，它可以反應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定程度。我們主要將它作為一個不等式的相應(yīng)約束形式加入到常規(guī)的最優(yōu)潮流（OPF）中，這樣一來，就形成了含電壓穩(wěn)定約束的最優(yōu)潮流（VSCOPF）。本文主要將這種新型的混沌粒子群優(yōu)化算法和傳統(tǒng)的算法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)混沌粒子群優(yōu)化算法與傳統(tǒng)算法相比，具有計算結(jié)果精確度更高、發(fā)電費(fèi)用更低、網(wǎng)損較低等優(yōu)勢，憑借這些優(yōu)勢，混沌粒子群優(yōu)化算法應(yīng)用在電力系統(tǒng)中發(fā)揮了不可或缺的作用，具有良好的收斂性以及實(shí)效性。

參考文獻(xiàn)：

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