電力系統(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)度研究綜述

郝莉春

【摘 ?要】無功優(yōu)化是關(guān)系到電力系統(tǒng)能否安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個核心問題。電力系統(tǒng)無功優(yōu)化直接關(guān)系到電力公司的經(jīng)濟(jì)效益和供電效率。利用無功優(yōu)化調(diào)度，能夠優(yōu)化電網(wǎng)的無功潮流分布。大大的降低電網(wǎng)的有功損耗和電壓的損耗。從根本上緩解電壓質(zhì)量問題，對于電力系統(tǒng)的安全具有重要意義，受到國內(nèi)外電力學(xué)者和研究人員的充分重視。本文對無功優(yōu)化調(diào)度的計(jì)算和控制進(jìn)行了深入討論，提出了尋優(yōu)質(zhì)量，離散變量處理，求解效率動態(tài)優(yōu)化調(diào)度及其協(xié)同優(yōu)化方法等關(guān)鍵性問題。

【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng);無功優(yōu)化調(diào)度;研究

一、電力系統(tǒng)無功優(yōu)化問題概述

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)度問題是指在電力系統(tǒng)無功電源較為充足的情況下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端的電壓，調(diào)整變壓器抽頭變比，改變無功補(bǔ)償裝置的出力等措施來調(diào)整無功潮流。從而使系統(tǒng)電壓值能夠達(dá)到合格值。同時(shí)把全網(wǎng)有功損耗降到最小。電力系統(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)度問題有時(shí)也被稱為電力系統(tǒng)無功優(yōu)化控制，或者電壓無功優(yōu)化控制，無功優(yōu)化潮流問題等。

電壓質(zhì)量是衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。在各種電能質(zhì)量問題中，電壓波動過大產(chǎn)生的危害是最大的。它不止會影響電氣設(shè)備的性能，它會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定和運(yùn)行安全。利用無功優(yōu)化調(diào)度，能夠優(yōu)化電網(wǎng)的無功潮流分布。大大的降低電網(wǎng)的有功損耗和電壓的損耗。從根本上緩解電壓質(zhì)量問題。保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。無功優(yōu)化調(diào)度在保證現(xiàn)代電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性雙面的作用不可小視。

從筆者的觀點(diǎn)來看，電力系統(tǒng)無功優(yōu)化調(diào)度，分為靜態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度和動態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度。靜態(tài)無功優(yōu)化調(diào)度是指不考慮控制設(shè)備是否允許連續(xù)調(diào)整的情況下，只追求對于電壓水平和網(wǎng)損的無功優(yōu)化。而動態(tài)的無功優(yōu)化調(diào)度是指在無功優(yōu)化過程中，為了適應(yīng)負(fù)荷的動態(tài)變化，而加上對控制變量的每日允許操作次數(shù)限制的考慮。還要考慮到電力系統(tǒng)各種不同的負(fù)荷水平和運(yùn)行狀態(tài)下所產(chǎn)生的各種調(diào)度結(jié)果的相關(guān)聯(lián)系。所以動態(tài)優(yōu)化比靜態(tài)優(yōu)化問題要復(fù)雜一些。靜態(tài)優(yōu)化一般是停留在理論層面的，而動態(tài)優(yōu)化往往是在實(shí)際生活中的。

二、無功優(yōu)化的幾種常用計(jì)算方法

無功優(yōu)化的求解方法主要有非線性規(guī)劃法，線性規(guī)劃法，混合整數(shù)，動態(tài)規(guī)劃法等常規(guī)方法。以及像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，專家系統(tǒng)方法遺傳算法等非常規(guī)性方法。這些方法在無功優(yōu)化的求解方面各有利弊，下面來一一進(jìn)行分析。

1.非線性規(guī)劃法。非線性規(guī)劃法是最先被運(yùn)用到電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中的一種算法。因?yàn)闊o功優(yōu)化本身便是具有非線性的特點(diǎn)的。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是既能夠保證電力系統(tǒng)的安全性又能夠?qū)崿F(xiàn)他的經(jīng)濟(jì)性，還能提高電能質(zhì)量。非線性規(guī)劃法的運(yùn)算操作形式是，首先設(shè)定一個目標(biāo)函數(shù)。然后把節(jié)點(diǎn)功率平衡作為等式的約束條件。然后再通過引入松弛變量的方法發(fā)布董事的約束條件轉(zhuǎn)換成等式的約束條件。那么這個復(fù)雜的無功優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)換成了一個非線性代數(shù)方程組求解的問題。

2.線性規(guī)劃法。無功優(yōu)化雖然是一個非線性問題，但是我們可以對其進(jìn)行線性化之后再進(jìn)行研究。通過線性規(guī)劃的方法對無功優(yōu)化進(jìn)行計(jì)算，具有加快計(jì)算速度，使各種約束條件處理簡單化。線性規(guī)劃法因其較為簡單便捷，所以得到了較快的發(fā)展。它具有速度快收斂性好算法穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但是在進(jìn)行無功規(guī)劃優(yōu)化時(shí)需要對目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)進(jìn)行線性化處理。這便是一個非常容易出問題的環(huán)節(jié)。如果選取或處理的不合適，很有可能會引發(fā)震蕩或收斂緩慢。在把無功優(yōu)化的線性規(guī)劃模型確定好之后，它的求解方法一般采用具有指數(shù)時(shí)間復(fù)雜性的單純形法，或者是這一形法的各種變形。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室于1984年提出內(nèi)點(diǎn)法。內(nèi)點(diǎn)法具有迭代次數(shù)變化少，魯棒性和收斂特性較好的特點(diǎn)，很多專家學(xué)者在應(yīng)用中證實(shí)它比單純形法更具有優(yōu)越性。人們越來越多地開始采用內(nèi)點(diǎn)法來解決無功優(yōu)化問題。

3.混合整數(shù)算法。非線性和線性規(guī)劃法雖然各有各自的優(yōu)點(diǎn)。但是在實(shí)際應(yīng)用中它們都難以反映出變壓器分接頭變化以及電容器組，電抗器投射的離散特性。為了解決這個問題，便有學(xué)者發(fā)明了混合整數(shù)規(guī)劃方法。在一般的線性規(guī)劃問題中，最優(yōu)解是分?jǐn)?shù)和小數(shù)的情況很多，但是對于具體的問題來說，他一般要求某些變量的解必須要是一個整數(shù)。把規(guī)劃中的變量限制為整數(shù)，稱為整數(shù)規(guī)劃。這個方法能夠有效的解決優(yōu)化計(jì)算中變量的離散性問題。它的原理是通過分支定界法，不斷的定系縮小范圍，使得結(jié)果越來越接近于最優(yōu)解。但是這一算法也存在一些弊端。它的計(jì)算時(shí)間屬于非多項(xiàng)式的類型。隨著計(jì)算維度的不斷增加，計(jì)算時(shí)間也會快速增長，這樣在實(shí)際操作中便難以及時(shí)有效的反映問題，所以混合整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化算法應(yīng)當(dāng)向著更好的適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)模，加強(qiáng)實(shí)用化這個方面不斷發(fā)展。

4.人工智能方法。上面提到的三種算法的共同缺陷是他們都存在著無法找到全局最優(yōu)解的可能性。而且傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法一般都需要依賴于非常精確的數(shù)學(xué)模型。這就造成了這一問題的復(fù)雜性，從而導(dǎo)致它難以被實(shí)時(shí)控制。基于這一原因和人們受自然界和人類本身的啟發(fā)。人工智能方法開始逐漸被研究并應(yīng)用到電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中。例如專家系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等都是一些較為具有代表性的人工智能方法。專家系統(tǒng)方法是指在結(jié)合上其它方法的基礎(chǔ)上，依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置出初始值，然后不斷的調(diào)整控制參數(shù)的大小，選舉出一個比較好的解，將專家系統(tǒng)應(yīng)用于無功優(yōu)化，有利于結(jié)合上運(yùn)行人員的專業(yè)知識，從而增加功能性。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又被人稱為連接機(jī)制模型，它是一個由大量簡單元件廣泛連接而形成的，被用來模擬人腦行為的一個十分復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

三、無功優(yōu)化的領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題及發(fā)展動態(tài)

1.存在的關(guān)鍵性問題。筆者認(rèn)為目前無功優(yōu)化領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵性問題有五點(diǎn)。一是選擇哪種算法可以求出最優(yōu)解，二是我們是否能夠直接處理離散控制變量，不再采用連續(xù)化假設(shè)的方法，三是在電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí)，優(yōu)化算法的巡游速度能否趕上實(shí)時(shí)計(jì)算的需求，四是如何解決好控制設(shè)備動作次數(shù)的限制問題，五是在大規(guī)模電網(wǎng)中無功優(yōu)化調(diào)度如何更好的實(shí)現(xiàn)對于全局的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

2.國內(nèi)外關(guān)于這些問題的研究現(xiàn)狀。就目前國內(nèi)外的發(fā)展情況來看，現(xiàn)在學(xué)者們研究的問題大多是針對選擇何種優(yōu)化算法可以求得最優(yōu)解的，當(dāng)然，這一研究也取得了較大的成果。而對于不采用連續(xù)化假設(shè)直接處理離散控制變量來說，只有進(jìn)化算法和內(nèi)點(diǎn)算法能夠解決這一問題。就目前所存在的算法來看，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，優(yōu)化算法的速度是難以趕上實(shí)時(shí)計(jì)算的需求的，這一點(diǎn)還需要我們不斷加大研究力度。

總結(jié)

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化問題是一個非常重要的問題。無功優(yōu)化對于電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重大意義。但是這一領(lǐng)域內(nèi)還有許多關(guān)鍵性問題尚未解決，我們應(yīng)當(dāng)加大對他們的重視性和研究力度。以求實(shí)現(xiàn)對于全局的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。

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（作者單位：國網(wǎng)太原供電公司）