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1、新能源接入下电力系统最优潮流分析目录摘要1Abstract1第一章 电力系统最优潮流概述11.1 最优潮流的研究意义11.2 最优潮流的概念21.3 最优潮流与潮流计算的区别2第二章 最优潮流的数学模型32.1 最优潮流的数学模型32.2 最优潮流的常用目标函数4第三章 最优潮流的优化方法43.1 传统优化算法43.2 最优潮流的智能优化方法5第四章 智能电网64.1 智能电网的概述64.2电力电子器件在智能电网中应用7第五章 含分布式电源的最优潮流研究75.1分布式电源简述75.2 含分布式电源的最优潮流研究85.2.1 含风电系统的最优潮流85.2.2智能电网配电网的最优潮流9参考文献10
2、摘要最优潮流是一种电力系统分析和优化的有效工具，在系统的安全运行、经济调度、可靠性分析、能量管理以及电力定价等方面得到了广泛的应用。本文介绍了电力系统最优潮流的基本概念和最优潮流的优化方法。同时，结合智能电网阐述了含分布式电源的电力系统最优潮流的研究。本文可以对电力系统最优潮流进行基本认识。关键词：最优潮流；智能电网；优化方法；分布式电源AbstractThe optimal power flow (OPF),considering the system economical efficiency and security, has been commonly used as an effic
3、ient method in the power system analysis and optimization. It is applied widely in power system safety operation, the economic operation, reliability analysis, energy and power management and electricity price,etc.This article introduces the conception and methods of optimal power flow. At the same
4、time, we states the study on the optimal power flow with distributed sources, connected the smart grid. The article is helpful to acknowledge the optimal power flow to some extent.Keywords: OPF ；the smart grid ；optimization method ；distributed sources第一章 电力系统最优潮流概述1.1最优潮流的研究意义电力系统是由发电机、升压变压器、输电线路、降压
5、变压器和负荷端组成，承担着向用户输送、分配电能的任务，而配电网位于电力系统的末端，直接为用户提供电能，故其安全性、可靠性和经济性直接影响着电力系统的整体效益同时也影响着国家的国计民生。电力系统是现代社会中最重要的系统工程之一，为社会生产和人民生活提供了绝大部分能量。由于我国国情的特殊性，我国发电的主要方式主要是火力发电，电能的生产需要耗费大量的燃料，而目前电能在输送、分配和消费过程中存在着大量的损耗。因此如何采取适当措施节约能源，比如采用新能源等，提高整个电力系统的运行效率，优化系统的运行方式，是国内外许多学者一直关注与研究的热点1。电力系统的经济调度优化是电力系统经济运行的基础，该模型是在保
6、证电力系统安全和满足用电需求条件下，在考虑机组本身物理约束的基础上，合理安排各类发电机组的启停调度以及各发电机的有功出力，使电力系统运行的发电费用或燃料总的消耗量达到最小，以取得最好的经济和社会效益，节能调度优化还要保证更少的污染物排放量和较高的能源利用效率。电力系统供电网络优化运营是指当系统的网络拓扑结构和负荷需求为已知的前提下，通过调整控制变量、调整网络中潮流的分布从而实现系统的运营成本最小化目标，也称之为最优潮流问题。该问题能够能将安全运行和最优经济运行等问题综合考虑，统一用数学模型来描述，从而将电力系统对于经济性、安全性以及电能质量三方面的要求完美地统一起来。最初关于电力系统优化运行的
7、研究仅局限于系统的经济性，称为电力系统经济运行或经济调度，随着世界上几次大的电力系统事故后，由于一次大面积停电事故造成的经济损失，可能超过几十年经济调度的收益，因此系统的优化运行首先应该满足系统安全性的要求，在经典的经济调度方法中全面考虑各种安全性约束，而最优潮流作为解决这一问题的理想工具被提出并受到重视。二十世纪年代，随着电力工业重组，电力市场化进程展开，电力工业逐渐解除管制，原先垂直一体化的电力系统被分割为互不隶属、相互独立的经济实体。在电力市场环境驱动下，降低电价、提高运行效率成为人们对电力系统的迫切要求，因此电力系统最优潮流得到进一步发展。世界范围内的电力工业市场化改革给最优潮流的研究
8、注入了强劲的动力。电力市场的基本原则是公平和公开，最优潮流不仅能为电力市场运营者提供最优决策，而且使这一决策过程更透明、更公平，因此最优潮流在电力市场的阻塞管理、负荷管理，以及实时电价、无功定价、输电定价和可用传输能力等方面得到了广泛应用2。1.2 最优潮流的概念电力系统的最优化运行是指在确保电力系统安全运行、满足用户用电需求的前提下，如何通过调度系统中各发电机组或发电厂的运行，从而使系统发电所需的总费用或所消耗的总燃料达到最小的运筹决策问题3。数学上可将此问题描述为非线性规划或混合非线性规划问题。最优潮流问题是指在满足必须的系统运行和安全约束条件下，通过调整系统中可利用控制手段实现预定目标最
9、优的系统稳定运行状态4。 将电力系统的可靠性与电能质量量化成相应的经济指标，通过一些数学方法最终达到优化资源配置、降低成本、提高服务质量的目的就是最优潮流要实现的目的。所谓的最优潮流就是当系统的结构和参数以及负荷情况给定时，通过优选控制变量所找到的能满足所有指定的约束条件，并使系统的某一性能指标或目标函数达到最优时的潮流分布5。1.3 最优潮流与潮流计算的区别潮流计算式电力系统中最基本的研究课题，无论是进行电力系统的分析、运行还是控制，系统潮流分布都是最基本的考虑因素。基本潮流计算的控制变量是事先给定，其各个支路或是节点的电流电压满足电力系统电压、电流约束即可，即其计算就是求解非线性代数方程组
10、，其解一般是唯一的。最优潮流计算中的控制变量是可变的而且待优选的变量，其数学方程中给出了满足基本约束之外要满足于运行限制有关的大量的不等式约束条件；对于最优潮流的数学模型是非线性规划问题，其求解需要采用最优化方法来解决；由于最优潮流可以自动优选控制变量，因此还可以根据不同或是特定的目标函数来求解问题，对于系统的优化调整具有指导意义。不同的目标函数会有不同的最优解与之配合，因此最优化潮流的潮流计算往往是多解的。显然其不同之处主要体现在以下两个方面：一方面，通过最优潮流计算可指导系统调度员的操作，保证系统在经济、安全、可靠的状态下运行。具体表现为：第一，将所求问题以目标函数和约束函数形式固定下来后
11、，就一定可以求出唯一最优解，并且该结果不受人为因素的影响；第二，最优潮流的寻优过程可以自动识别界约束，在解慢慢趋于最优的过程中可得到网络传输瓶颈信息，这样可以用来对电网的新型规划进行指导；第三，通过在最优点比较最优条件及相关数学模型，可以获得一些重要的灵敏度信息，如改变一些控制变量或松弛一些约束条件对解性能的影响程度，虽然这些信息只是在最优解的附近有效，但仍然能够揭示网络参数之间的一些关系；第四，最优潮流建模时保留了一定的冗余量，若在物理条件不可行的情况下找到解，这将有助于识别造成不可行解的冲突约束，并可为提高物理网络的运行可行性提供解决方案6。另一方面，由于电力市场化进程的不断深入，如何获得
12、综合的最优的经济价值，最优潮流为此提出了新的思路。最优潮流可使电力系统处于最优运行环境下，从而使系统更加安全、稳定、可靠。在约束条件较多的情况下，最优潮流可以通过模糊等一些数学方法把它们整合到同一个价值标准下来进行协调。这不仅满足了电力系统运行经济性、安全性的基本要求，而且可以降低发电成本，协调电厂与电网、电网与用户之间的冲突。第二章 最优潮流的数学模型2.1 最优潮流的数学模型同电力系统无功优化、配电网故障恢复一样，电力系统中最优潮流问题同样也可以用数学公式表达，其数学模型可以表示为： (式2-1)式2-1中：为目标函数；=0为节点平衡方程；为不等式约束条件；u为控制变量，x为控制变量的因变
13、量，包括待求的节点电压。从上式可以看出，电力系统最优潮流计算是一个典型的多约束的问题，综合了目标函数和约束函数的非线性规划问题。通过采用不同的目标函数和选择不同的控制变量，再与相应的约束条件相结合就可以构成适合不同求解目标的最优潮流问题。2.2最优潮流的常用目标函数对于多目标、非线性的最优潮流问题，其最优潮流有多种目标函数，最常用的目标函数有两种： （1）全系统火电机组发电燃料总费用 (式2-2)式中：NG 为发电机的总数，其中包括平衡节点的发电机组；F i (PGi)为第i台发电机组的耗量特性； PG i为发电机组i的有功发电功率。其中机组的耗量特性通常用二次函数表示： (式2-3)式中：
14、ai ，b i ，c i为系数。（2）有功网损 (式2-4)式中：NL表示所有支路的集合。或同文献7一样采用系统有功发电功率之和： (式2-5)第三章 最优潮流的优化方法同其它非线性、多目标、多约束的问题一样，最优潮流的求解算法同样也在不断求新，由传统的经典优化算法逐渐面向人工智能优化算法。3.1 传统优化算法传统的优化算法包括梯度类算法、牛顿法和内点法，正如文献8所指的传统的运筹学优化方法一样，这是最优潮流的经典算法，这类算法都是基于导数的优化方法。(1) 简化梯度法文献4 最早提出了运用简化梯度法来计算最优潮流问题。简化梯度算法主要利用极坐标形式的牛顿拉夫逊潮流程序，采用梯度法沿着控制变量
15、的负梯度方向进行寻优，再用拉格朗日乘子处理等式约束, 用KuhnTucker罚函数处理越限的不等式约束。简化梯度计算法具有一阶收敛性，该方法程序编制简便只要在常规的极坐标牛顿潮流中稍作扩充就可以得到，因此需要的存储量小。它对初始点无特殊要求。但是由于梯度法前后两次的搜索方向总是互相垂直，因此迭代点在向最优点接近的过程中，收敛速度非常慢；另外, 由于要采用罚函数处理不等式约束，其中罚因子的选择对算法的收敛性影响也很大，取得过小不利于消除越界的影响, 取得过大则收敛性容易变差。 (2)牛顿法牛顿算法并不区分状态变量和控制变量，而是利用电力网络的物理特征和稀疏矩阵技术10，同时直接对拉格朗日函数条件进行牛顿法迭代求解。牛顿法的优点在于利用了目标函数的二
