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多目标二级电压控制研究

贠志皓  
【摘要】: 二级电压控制是分级电压控制中非常重要的一环,不仅承上启下,而且能协调控制区域内无功资源,其性能优劣直接影响电压无功控制效果。随着电力系统的发展和技术进步,二级电压控制的目标逐渐增多。例如,由于分区及电压等级间耦合日益紧密,除完成传统的主导节点电压和发电机无功功率分配控制目标以外,还需对不同电压等级、相邻区域间耦合紧密的重要节点和关键节点进行调控,同时区域内发电机与并联电容器、电抗器等无功补偿设备之间的最佳协调也要考虑。因此,研究实现多目标控制方法以及相应控制系统对于解决二级电压控制工程实际中出现的多目标问题具有重要的理论价值和实际意义。借助多目标优化理论中较为成熟的线性目标规划,本文对二级电压多目标控制方法进行了深入研究,设计开发了二级电压多目标控制系统,并应用于工程实际,主要研究工作及取得成果如下: 1、建立了基于线性目标规划的二级电压多目标控制模型,应用单纯形法求解,给出了算法所需存储空间和收敛特性分析以确保满足实时控制要求,并借鉴实用原则实现了发电机与其他无功补偿设备协调完成二级电压多目标控制。 根据二级电压控制单次调控需要完成的多个目标,以主导节点、重要节点电压和发电机无功功率按额定无功容量比例分配为例,将多目标规划中应用较为广泛的线性目标规划引入二级电压控制领域。首先只考虑发电机为控制措施,利用灵敏度分析建立二级电压控制的线性目标和约束。通过偏差变量的加入和目标优先级的定义,将问题转化为线性目标规划模型,并根据运行状态确定各目标优先级顺序。应用单纯形法求解,完成主导节点、重要节点电压和发电机无功功率按额定无功容量分配的控制目标。对求解算法所需存储空间和收敛特性分析表明该算法能够满足实时控制的要求。经仿真验证,该方法可按优先级顺序兼顾各目标优化,获得较好的多目标控制效果。 控制区域内无功补偿设备与发电机协调控制也是二级电压控制研究中的重要内容。在只含发电机的线性目标规划模型中,加入各种无功补偿设备相对控制目标与约束的灵敏度分析,建立二级电压多目标控制的混合整数线性目标规划模型。如果利用分枝定界法直接求解,计算量大且可靠性差,不宜应用于在线实时控制。因此,借鉴相关文献提出的实用原则,电容器、电抗器作为基础的无功补偿,优先进行投切,发电机和调相机无功出力作为动态电压支撑和连续调节变量,主要在离散设备不具备控制能力的情况下进行电压无功调节。离散设备不具备控制能力主要指两种情况:一是没有控制手段,包括所有控制设备都已经完成投切(如所有电容器都已经投入,但仍需要额外的无功支撑)以及受到动作次数或时间间隔限制,控制设备此时无法继续投切;二是控制手段仍然具备,但是在当前状态下不具备动作条件。这主要由电容器、电抗器的离散性质决定,其容量一般来说是一个相对较大的数值,一旦投切对电网无功注入的影响是一个阶跃量,可能导致投切后母线电压或功率因数超出期望范围,因此无法进行投切。根据此原则,优先控制并联电容器、电抗器等无功补偿设备,即先确定离散变量的取值,再实时修改约束条件和目标值,将问题转化为求解只包含发电机的线性目标规划模型。仿真结果表明,该方法可行有效,能够协调发电机与并联电容器、电抗器等无功补偿设备完成二级电压多目标控制。 2、考虑各次调控间的相互影响,结合动态规划建立基于线性目标规划的多目标多阶段决策优化二级电压控制模型,并借鉴实用原则协调发电机与其他无功补偿设备,以实现多目标多阶段二级电压优化控制。 实际二级电压控制是一个连续运行控制系统,各次调控之间互相联系影响,其多目标控制效果不能单一考虑某次调控,而应从整个控制过程出发,实现多目标过程控制效果最优。基于这一出发点,应用动态规划与线性目标规划相结合,求得二级电压多目标过程控制的最优决策序列,从而达到控制过程的多目标综合优化控制。为此,首先对控制过程进行阶段划分,再定义各阶段状态和决策变量以及阶段间状态转移方程,然后确定对应的多阶段控制目标形式。在只考虑发电机作为控制措施的情况下,建立基于线性目标规划的多目标多阶段决策优化二级电压控制模型,求得多阶段最优决策序列,完成多目标多阶段优化控制。仿真结果表明,该方法过程控制效果要优于单阶段多目标控制的累计效果。 对于并联电容器、电抗器等无功补偿设备与发电机的协调控制,在只含发电机的多目标多阶段决策优化二级电压控制模型基础上,加入各种无功补偿设备在各阶段相对控制目标与约束灵敏度分析,建立混合整数的多目标多阶段决策优化二级电压控制模型。再根据实用原则,首先确定各阶段并联电容器、电抗器等无功补偿设备动作状态,然后修正各阶段约束条件和目标,将混合整数的多目标多阶段二级电压控制模型转化为只含发电机的多目标多阶段决策优化控制模型,从而避免求解混合整数线性目标规划,协调发电机与其他无功补偿设备完成二级电压多目标过程优化控制。 3、在控制方法和系统结构充分考虑控制区域结构变化的基础上,设计实现了对于各种控制区域结构具有较强适应性的二级电压多目标控制系统,邹县电厂运行结果表明该系统运行稳定可靠,控制效果显著。 系统设计中,首先提出二级电压多目标控制模型中目标与约束的扩展方法,保证工程实际中二级电压多目标控制方法的通用性。控制系统结构采用上、下位机加光纤网络通讯模式。以高性能工控机作为上位机确保大量数据处理及在线实时多目标优化计算。下位机采用先进嵌入式软硬件平台完成数据采集、处理与存储及发电机和其他无功补偿设备的控制操作,其台数可根据控制区域内可控机组及无功补偿设备数量灵活配置。光纤通讯网络可确保远距离数据传输的快速可靠。基于这一设计,该二级电压多目标控制系统通用性强,功能完备,稳定可靠,可应用于各种结构的二级电压控制区域。 根据山东电网自动电压控制系统的实施要求,开发的邹县电厂二级电压多目标控制系统已投入运行。该系统由一台上位机和六台下位机加专用光纤通讯网络组成,通过调度数据网可获取调度中心三级电压控制下发的目标值。根据目标值协调厂内六台机组(四台300MW机组和两台600MW机组),实现了500kV和220kV母线电压控制以及机组无功功率按额定容量比例分配的目标。该系统具有高精度数据采集、系统参数与控制模式设置、多目标控制决策、越限报警、数据记录浏览、图表显示和数据库调用等功能。实施和未实施二级电压控制的高峰、低谷和平段负荷典型时段控制效果对比与运行结果表明,该系统运行安全、稳定、可靠,控制效果显著。


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