摘 要

电能，已然成为人们日常生活中最为重要的能源之一。随着大众对电能的需求日益剧增，电力网络也在飞速地发展和壮大，其结构也日趋复杂。电网公司不仅要负责为大众提供充足电力供应，还应确保其供电质量可靠。电能质量的好坏，主要取决于电压、频率和波形这三项指标，其中电压水平又是由电力系统中的无功功率所决定。但由于电源分布的不均衡，局部尤其是地区级电网中的无功不足的情况时有发生，电压质量问题日益突出，急需解决。

本文以某地级市电力系统的电压无功为研究背景，在采集和分析该市电网实时数据的基础上，对地区级电网的无功优化等相关问题进行了深入的研究，并以能达到实际应用为目的进行无功的优化设计。首先明确目标函数，且在此基础上解决无功优化算法选取与改进的问题；然后通过自动电压控制（AVC）系统，提出无功优化控制的实现方法；再根据某地级市电网实际运行数据仿真计算，并对比应用效果，得出新的优化方案策略；最后总结并评价地区级电网电压无功优化的整体设计方案。

算法上对简单遗传算法进行了寻优方式的改进，通过计算结果的对比，发现它更利于电网达到无功潮流的最优。提出了基于AVC系统分层分区的电压控制策略实现优化算法，并观测其控制效果，发现它在控制补偿设备时更加科学、合理、有效。

本文提出了使用改进后的遗传算法对电力系统展开分析研究，并将其成功应用于地级市电网当中，具有一定的创新性，在解决电网无功优化问题上取得了良好的效果，并值得参考、借鉴和推广。

关键词：地区电网，电压无功控制，无功补偿，改进遗传算法

ABSTRACT

Electrical power becomes one of the most important energy in our daily life. With the increasing public demand for electricity power, electricity network is rapidly develop and grow, and its structure has become much more complex. Under this circumstance, grid companies not only responsible for supplying adequate power to the public, but also have to guarantee the quality of their electricity power. The basic measure of the power quality is to judge the power voltage, frequency and waveform these three indicators. And the stability of voltage is determined by the reactive power in power system. However,reactive power in regional grid insufficient occurred due to the uneven distribution of power. So, voltage quality has become an increasingly prominent issue, which need to be resolved immediately.

Research of reactive, in this paper, has been done according to one regional grid’s real-time data, which can help us achieve the purpose of optimizing the voltage and reactive power, then make optimal designs to fulfill the practical application. Firstly explicit the objective function, and then solve the problem of optimization algorithm selection and improve it. Secondly, in order to achieve the role of reactive compensation, we need to propose an appropriate control strategy and make the optimal allocation according to the AVC system, which could control multiple capacitors’ switching or change the tap position of transformers in substations and electricity lines. Thirdly, to design an better reactive power system, simulation and calculate must be done to come out the most optimal solution based on actual operating parameters in the chosen regional gird. Finally, obtain the the overall design scheme of voltage and reactive power optimization in regional power grid after some analysis and summary, then observe the effect of its application.

The author use an improved genetic algorithm to analyze power system. After comparing the calculation results, we sure that this improved algorithm is much more suitable for making the grid to reach the state of optimal reactive power flow. In the phase of control strategy, the author put forward an AVC system based on hierarchical partition theory to implement this algorithm, which is more scientific, rational and effective to the compensation equipment, after some observations.

This paper proposes the use of improved genetic algorithm to analyze power system, and successfully applied to regional grid, which has a certain degree of innovation. This newly algorithm has achieved great results in reactive power optimization area, so it will be worth considering and promoting.

Key Words:Regional Power Grid ，AVC ，Reactive Compensation ，Improved Genetic Algorithm

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 无功优化现状及趋势 1

第2章 无功优化模型及算法 3

2.1 无功优化的数学模型 3

2.1.1 目标函数 3

2.1.2 约束条件 3

2.2 无功优化的算法分析 4

2.3 算法选用和改进 6

2.3.1 某地区电网的运行现状 6

2.3.2 算法的比较与选用 6

2.3.3 遗传算法的改进 7

第3章 AVC系统的设计与应用 10

3.1 AVC系统介绍 10

3.2 AVC系统的控制原理 10

3.3 AVC系统的组成与特点 11

3.3.1 AVC系统的组成 11

3.3.2 分区分层 13

3.4 AVC系统的设计与实施方法 14

3.4.1 设计思路 14

3.4.2 实施方法 15

第4章 地区电网的电压无功优化 18

4.1 基于地级市电网的无功优化分析 18

4.1.1 潮流计算 18

4.1.2 改进遗传算法的无功优化 20

4.1.3 计算结果分析 22

4.2 优化方案的制定 23

4.3 电压优化的应用效果 24

4.3.1 无功优化成果 24

4.3.2 地级市电网无功优化的效果分析 27

第5章 结论 28

参考文献 29

附录 30

致谢 35

第1章 绪论

1.1 目的及意义

随着人类文明的进步，人民物质文化水平日益提高，社会主义市场经济体制也在不断改革与完善。在这样的背景之下，我国电力负荷需求与日俱增，发电量越来越大，电网所覆盖的版图也在急剧扩张，为满足电网的各项发展要求，新能源、分布式电源、清洁能源等等高新发电技术随之换代升级；智能电网、超高压、特高压、直流输电等等尖端技术也相映成趣的蓬勃向前……然而，在一片繁荣景象的背后，却有许多我们容易忽视，或者选择性忽视的弊端——化石能源的浪费、发电污染以及局部地区电能质量的低劣等等。

电能质量通过三个指标来体现：电压、频率和波形。其中电压的稳定是本文最终所要追求和实现的东西。可以想象一下，若是用电设备，比如一个大型电机，长时间在一个欠电压的环境下工作，它一定难以发挥出原有的工作效率，这样不仅损伤机器本身，也会给生产带来损失；再比如，电压出现偏移，则各电气设备会在非额定电压下运行，会损害设备性能，也会危及电网运行的安全稳定，甚至造成系统的崩溃，导致大面积的停电。历史上著名的的纽约大停电、法国大停电等大型停电事故其原因都是由于无功不足引发电压偏移所导致的，带来了不可估量的经济损失。

为了提高电压质量，我们只能通过无功优化来实现了。电压无功优化问题是一个不仅关乎到解决电网供需关系之间矛盾的问题，更是如何改善电网运行的经济效益、倡导节能减排的关键问题。地区级电网是一个能将高压输电网和低压配电网紧密联系的电网单元，是连通用户与电力网之间的桥梁，所以地区级电网的电压无功优化问题事关重大。然而，正是由于地区级电网的重要性和复杂性，它所辖的各级变电站中都需要相应的元件和设备配合多级AVC系统来完成电压的无功补偿。最近几年以来，计算机及通信技术在电力系统的引入，以及智能电网在国内的蓬勃发展，调度自动化系统已在国内大部分地区电力网中成功引入，为电压无功的实时控制创造了条件。在得到高度重视的地区级电网中做好电压无功优化，不仅能给用户提供高质量的电能，更能保护用电设备、减少电网运行不必要的损失，起到节约资源、保护环境的作用。所以积极开展地区电网无功优化的相关研究是历史的必然^[1,2]。

1.2 无功优化现状及趋势

一百年来，电能为人类文明带来了光明与繁荣。随着大众对电能的需求日益剧增，电力网络正在飞速地发展和壮大，其结构也日趋复杂。在这样的电力环境之下，电网公司的主要任务已经慢慢变成了在为大众提供充足电力供应的前提下确保供电质量的安全可靠。

电压无功优化问题是一个不仅关乎到解决电网供需关系之间矛盾的问题，更是如何改善电网运行的经济效益、倡导节能减排的关键问题。国家“十二五”规划出台后，各省、市供电公司积极响应政策的号召，都在积极提高电网电压的合格率和供电质量，力争满足各类企业和用户的更高用电要求。

电网公司对电力系统长期的运行所总结出的经验表明，无功功率欠补偿或者无功设备缺乏有效的控制调节手段，均可造成设备运行故障，甚至电网电压崩溃。因而在电网的建设和实际运行过程中，普遍对地区级220kV～110kV的系统电压无功问题给予了充分重视，所以无功的规划科学合理，起到很好的运行效果。但是在有些方面，仍然存在不足之处。如有些地区110kV以下的电力系统存在着无功源配置不足的情况；还有一些厂站中的无功设备建成后长期放置没有使用，投入的资金难以物尽其用；更有些变电站在负荷小、电压高运行时也新装了大量的无功补偿装置，形成容量过剩的浪费。这些问题还需要进一步深化改革和完善，以适应竞争日趋激烈的能源市场。

随着计算机的更新换代和网络技术的迅猛发展，基于能量管理系统（EMS）与配网自动化系统(SCADA)的各类高级应用软件被电网运用到日常生产当中。SCADA可以轻松做到以前靠人工很难完成的各项任务：如在线的实时负荷预测，发、输电计划的分配，最优潮流的计算等等。因此利用SCADA系统提供的实时电网参数来进行电压无功优化控制已经在国内外部分许多地区得以应用并取得良好效果。

目前，地区级电网中都配备有VQC电压无功补偿装置来对电容器投切或者变压器分接头档位进行本地调节^[3,4]。但是VQC这种方式只能解决单一变电站的电压质量问题，而很难实现对于地区级的电压无功水平的控制。为解决电网整体的电压水平问题，在众多国内外专家学者的不懈努力之下，地区级电网无功电压自动控制系统(AVC)应运而生！在国际上，AVC是新型的控制模式，其方案可依据电网规模和系统复杂程度分为一、二、三级电压控制^[5]。欧美发达国家多是采用法国的三级电压控制和德国的二级电压控制这两种技术。而国内则是根据各地实际情况的差别，合理规划建设，二级和三级并存，取长补短博采众长。

总而言之，人们对电力系统无功优化问题的研究历程十分漫长且卓有成效，它是在漫长的发展过程中，不断推陈出新、日益成熟起来的。但是由于电网的复杂性和地区差异性，使得优化算法在使用时必须根据电网环境的不同，各自调整和工程创新，求出最优解。近些年来，由于资源环境的制约，构建环境友好型的绿色发输电系统逐渐成为电网未来的规划和发展方向。以更少的资源投入、更轻微的污染物排放换得更多的产出，才能为国家创造出更大的经济和政治效益。

第2章 无功优化模型及算法

2.1 无功优化的数学模型

2.1.1 目标函数

电网无功优化的模型通常分为两种：即经典的数学优化模型和基于电力市场实际情况下的数学优化模型。在制定目标函数时应兼顾电压质量和电网运行的经济性。可以将目标函数写成下面的形式:

（2.1）

其中是指系统中的有功网损。

2.1.2 约束条件

无功优化计算中的约束条件主要包括等式约束与不等式约束：

（1）等式约束:即描述电力系统的非线性方程，将式中电压相量用极坐标形式表示，分解得到实部和虚部:

（2.2）

（2.3）

（2）不等式约束条件：

来自节点电压的约束：

（2.4）

变压器变比的约束条件：

（2.5）

设备投切动作次数上限的约束：

（2.6）

发电机出力约束：

（2.7）

关口功率因数的约束：

（2.8）

电容器和电抗器补偿容量的约束。并联的电容器能向系统发出无功功率以达到补偿作用；而电抗器则不能发出无功，它却可以通过吸收系统中的多余的无功功率，来调节无功的潮流。电容器发出的无功和电抗器所吸收的无功都会受到端电压的影响，并且无功的发出量或吸收量在数值上都是与端电压的平方成正比的。

另外，由于支路电流主要受有功功率的影响，而本文在进行无功优化时，电网的有功功率认为已经确定下来，所以不会受到支路电流的大小约束。

2.2 无功优化的算法分析

世界各国针对无功优化提出了许多算法，大致可分为传统的数学优化算法和人工智能算法。传统的数学优化方法依赖于精确的数学模型，但精确的数学模型过于复杂难以适应实时控制要求。最近一段时间以来，基于对自然界生物类比获得的智能算法受到人们的广泛关注。下面简单介绍几种有代表性的方法。

1. 遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithm）是一种具有自适应能力的基于全局优化的概率搜索算法，它的产生源于人类对生物在自然环境中遗传和进化过程的一种模拟，并因此将自然生物的遗传和选择机制引入到数学理论当中^[7]。

由于电网无功优化计算的复杂程度，许多传统的数学方法不容易得出完全符合电网实际运行要求的全局最优解，所以只能“望而却步”。而遗传算法则凭借其良好的收敛性和广泛的适用性的特点，让复杂的数学计算过程不再困扰常规的优化求解，因此很适合用来解决全网无功优化的相关问题。

遗传算法是通过染色体编码技术，将从初始种群当中按一定规则提取出的编码，编译成类似于染色体中基因序列的样子。再经过选择、交叉、变异这三个基因进化的步骤，生成新的个体，并往复运行，直到最终得到了最适合个体优化目标的基因，从而求解最优。

遗传算法的整体执行流程如图2.1所示。

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