发明内容
本发明综合两种方法的优点给出了两种计算方法相结合的无功优化方法,较好解决了离散变量和速度问题,并得到了比较满意的结果。
1 基于原对偶内点法和禁忌搜索计算方法的无功优化方法原理
首先,确定以***有功损耗最小为目标的无功优化数学模型为:
minf(x1,x2,x3) (1)
s.t.h(x1,x2,x3)=0 (2)
x1min≤x1≤x1max
x2min≤x2≤x2max (3)
式(1)中f(x1,x2,x3)为***有功损耗,式(1)为***最小有功损耗,式(2)为等式约束,为每个节点的功率平衡方程。式中的x1和x2为有约束的优化变量,x1为离散变量,包括有载调压变压器分解头党委序列,电容器或电抗器组投入容量序列,变量维数为p;x2是连续变量,包括发电机组的无功出力、可连续无功调节的无功设备组的无功容量和节点电压,变量维数为q。式(3)为不等式约束,分别为x1和x2的约束。x3为无约束的优化变量,由平衡机的有功出力和除平衡节点外的其它节点电压相角构成。
引入松弛变量(su,sl,sh,sw>0),将不等式约束转变成等式约束,引入对数壁垒函数消去松弛变量的非负性约束,并引入拉格朗日乘子向量y,yu,yl,yh,yw,得到拉格朗日函数为:
式中yu,yh<0,yl,yw>0;μ为壁垒参数,且μ≥0。
根据Karush-Kuhn-Tucker最优性条件可得
Ly=-h(x1,x2,x3)=0 (8)
Lyu=x1+su-x1max=0 (9)
Lyl=x1-sl-x1max=0 (10)
Lyh=x2+sh-x2max=0 (11)
Lyw=x2-sw-x2max=0 (12)
Lsu=SuYue1+μe1=0 (13)
Lsl=SlYle1-μe1=0 (14)
Lsh=ShYhe2+μe2=0 (15)
Lsw=SwYwe2-μe2=0 (16)
式中e1,e2分别代表维数为p和q的单位列向量;Yu,Yl,Yh,Yw,Su,Sl,Sh,Sw分别为以yu,yl,yh,yw,su,sl,sh,sw的分量为对角元素的对角阵。
用牛顿法求解式(5)~(16),得到修正方程为:
上式中:
其他情况为
相继求解式(17)~(25),可得到原变量和对偶变量的修正方向Δx1,Δx2,Δx3,Δy,Δsu,Δsl,Δsh,Δsw,Δyu,Δyl,Δyh,Δyw。
下一步进行离散变量的处理,处理方法有两种,一种是归整化处理,一种是利用禁忌搜索计算方法处理。根据它们的特点可以采用如下方式:
优化结束后再将x1归整到最近的离散点上,再进行一次优化计算。因为优化结果已经接近优化解,归整后的优化速度相当快。但是这种方法只能得到一个近似次优解,甚至可能由于归整使原来的次优解成为离散的不可行解,这时候可以转入禁忌搜索计算方法。
1)目标函数和约束
原来目标函数的基础上,加上以电压越界的罚函数
和发电机无功出力越界的罚函数
即为minf′(x
1,x
2,x
3),
式中f(x1,x2,x3)为网损,Nd,Nq分别为负荷节点数和发电机节点数;λ1为负荷节点电压越界惩罚系数;λ2为发电机无功出力越界惩罚系数;Vi为负荷节点i的电压幅值;QGj为发电机j的无功出力;下标max,min分别表示对应变量的上下限。
与原对偶内点法不同,将变量约束分控制变量约束和状态变量约束。
控制变量的约束为:
状态变量的约束为:
式中VGi,Ti,VDi分别为发电机i节点电压、有载调压变压器i的变比和负荷节点i的节点电压;QCi为节点i投入的电容器或电抗器容量,QGi为发电机i的无功出力;下标max,min分别对应变量的上、下限。
2)编码的处理
本发明采用十进制整数编码,且利用映射方法,事先将与各码值对应的实际参数放入一个专门的数组;离散变量可根据其实际数组列出全部可能取值,连续变量则按一定精度要求进行离散化处理,这样简化了解码过程,节省了很多计算时间。
3)交叉操作
针对混合编码采用启发式算术交叉。假设矢量X表示种群中的某一个体,X的各个分量为控制变量的编码值。设父代两个体为X1、X2,且目标函数值f(X1)<f(X2),则子代X1=(X1+X2)/2,X2=X1-a(X2-X1)),a为区间[0,1]的随机数。X′2中的某一分量越界时取该分量的边界值(可由对应控制变量的约束条件确定)。由于得到的X′1,X′2中的分量不一定都为整数,因为采用十进制整数编码时,故将将「x-0.5,x+0.5](x为整数)之间的数化整为x。
4)变异操作
考虑到在归整后潮流计算后,有可能会出现约束越界的情况,本发明采用均匀变异以使搜索点可以在整个搜索空间自由地移动,从而尽快进入可行解区域。均匀变异的具体操作过程如下。假设有一个体为X=(x1,x2,...,xk,...,xl),若xk为变异点,其取值范围为[Uk,min,Uk,max]在该点对个体X进行均匀变异操作后,可得到一个新的个体X=(x1,x2,...,x′k,...,xl),其中变异点的新基因值是x′k=Uk,min+r(Uk,max-Uk,min),r为[0,1]范围内的一个随机数。
5)TS移动设计
本发明对十进制整数编码采用单个移动和交换移动的组合策略,其中,交换移动就是两个单个移动的组合。对本发明采用的编码方式的移动设计:①单个移动:随机选取码串的某一位,并进行增1或减1操作。②交换移动:随机选取码串的某两位,并进行增(或减)1和减(或增)1操作。
6)禁忌表
禁忌表是禁忌计算方法的关键所在,禁忌表中允许存取的最大移动数目称为禁忌表的规模,由于禁忌表在每次迭代中都需要更新,且一般采用“先进先出”的管理方式,故采用循环队列作为禁忌表的数据结构。对本发明采用的编码方式:①对单个移动,禁忌表中记录码串的位置,并记录其移动的反方向。②对交换移动,则记录两个码串的位置及其移动的反方向。
7)释放准则
本发明采用的“释放准则”为:如果一个移动作用于当前解后,可以得到一个比以前搜索到的任何解都要好的解,则称该移动满足了释放准则。
8)计算方法终止判据
计算方法的终止判据包括两个方面最大搜索次数目标函数值的比较,达到最大搜索次数或者目标函数值或者当前搜索到的最优值没有改进时,便终止搜索。
由于禁忌搜索计算方法在求解无功优化过程中必须进行电力***潮流计算,同时利用潮流计算结果进行原对偶内点法计算也可以改善初始值的取值范围,从而提高该计算方法的适应性,还可以使原对偶内点法计算迭代收敛次数减少,所以无功优化计算方法首先进行潮流计算,再转入原对偶内点法计算。本发明采用中国电科院***所引进开发的国版BPA电力***分析程序工具PSD-BPA进行潮流计算。
对***用原对偶内点法进行无功优化计算,若内点法计算不收敛,以潮流解为初值进行禁忌搜索计算方法计算,此时的迭代次数设为100次,这样可以保证求得一个比原来潮流解较好的较优解;若内点法计算收敛,则给出一组次优解,再以此次优解进行归整化处理,再进行一次优化计算,若收敛则结束,若不收敛则以此为初值转入禁忌搜索计算方法计算,由于此刻已处于一种次优状态,所以禁忌搜索计算方法的潮流计算收敛速度明显加快,以IEEE30节点的电网为例,如直接采用禁忌搜索计算方法在寻找最优种群时需迭代100多次的计算,在采用综合计算方法(先原对偶内点法后禁忌搜索计算方法)后仅需不足10次即可收敛,节约了大量计算时间。
在进行原对偶内点法计算后,变压器分接头和电容器组都有一个确切的最优值,只是这个最优值是连续变量引起而不是由离散变量引起,所以以此最优值为中心确定一个较小的范围,缩小了禁忌搜索计算方法的随机搜索范围,使禁忌搜索计算方法更容易搜索到最优点。
综上所述,原对偶内点法与禁忌搜索计算方法相结合的无功优化方法既具有内点法的计算速度快且不随网络规模的增大而减小的优势,也具有禁忌搜索计算方法的处理离散变量强的优点;同时当原对偶内点法不收敛的情况下,可以通过禁忌搜索计算方法求得比原来潮流计算解较好的一个较优解。因此,对于处理在线无功优化计算是一种比较理想、实用的计算方法。
2基于原对偶内点法和禁忌搜索计算方法的无功优化方法技术步骤
1)输入电网参数,进行PSD-BPA潮流计算;
2)建立无功优化模型;
3)采用原对偶内点法进行无功优化;
4)若原对偶内点法计算方法不收敛,设禁忌搜索计算方法迭代次数K=100,转步骤7;若原对偶内点法计算方法收敛,则进行归整离散化处理;
5)再次用原对偶内点法进行无功优化计算;
6)若原对偶内点法计算方法不收敛,设禁忌搜索计算方法迭代次数K=10;若原对偶内点法计算方法收敛,则综合方法结束;
7)采用禁忌搜索计算方法进行无功优化计算,综合方法结束。
因此,本发明提出一种适合于在线应用的无功优化方法,其特征在于包括以下步骤:
1)输入包括相关负荷,发电机、线路、变压器的相关电网参数,运用潮流计算工具进行潮流计算;
2)建立两种无功优化数学模型:
一是原对偶内点法无功优化数学模型,即
minf(x1,x2,x3) (1)
s.t.h(x1,x2,x3)=0 (2)
x1min≤x1≤x1max
x2min≤x2≤x2max (3)
式(1)中f(x1,x2,x3)为***有功损耗,式(1)为***最小有功损耗;式(2)为等式约束,为每个节点的功率平衡方程,式中的x1和x2为有约束的优化变量,x1为离散变量,包括有载调压变压器分解头档位序列,电容器或电抗器组投入容量序列,变量维数为p;x2是连续变量,包括发电机组的无功出力、可连续无功调节的无功设备组的无功容量和节点电压,变量维数为q,式(3)为不等式约束,分别为x1和x2的约束,x3为无约束的优化变量,由平衡机的有功出力和除平衡节点外的其它节点电压相角构成;
二是禁忌搜索计算方法无功优化数学模型,在原来目标函数的基础上,加上以电压越界的罚函数
和发电机无功出力越界的罚函数
即为minf′(x
1,x
2,x
3),
式中f(x1,x2,x3)为有功损耗,Nd,Nq分别为负荷节点数和发电机节点数;λ1为负荷节点电压越界惩罚系数;λ2为发电机无功出力越界惩罚系数;Vi为负荷节点i的电压幅值;QGj为发电机j的无功出力;下标max,min分别表示对应变量的上下限,
将变量约束分为控制变量约束和状态变量约束:
控制变量的约束为:
状态变量的约束为:
式中VGi,Ti,VDi分别为发电机i节点电压、有载调压变压器i的变比和负荷节点i的节点电压;QCi为节点i投入的电容器或电抗器容量,QGi为发电机i的无功出力;下标max,min分别对应变量的上、下限。
3)对所述原对偶内点法进行无功优化计算;
4)若所述原对偶内点法计算方法不收敛,设无功优化方法中的禁忌搜索计算方法迭代次数为100,转步骤7;若所述无功优化方法中的原对偶内点法计算方法收敛,则进行归整离散化处理;
5)再次用权利要求1所述的无功优化方法中的原对偶内点法进行无功优化计算;
6)若所述无功优化方法中的原对偶内点法计算方法不收敛,设所述无功优化方法中的禁忌搜索计算方法迭代次数为10;若所述原对偶内点法计算方法收敛,则综合方法结束;
7)采用所述禁忌搜索计算方法进行无功优化计算,综合优化方法结束。