最优潮流在未来电力系统中可能的应用

读书报告
最优潮流在未来电力系统中可能的应用
科目:电力系统运行与控制学号:姓名:
1、最优潮流的基本概念及主要方法
最优潮流(Optimal Power Flow,OPF)就是当系统的结构参数及负荷情况给定时,通过对某些控制变量的优化,所能找到的在满足所有指定约束条件的前提下,使系统的某一个或多个性能指标达到最优时的潮流分布[1]。

由于最优潮流一个典型的有约束非线性规划问题,研究人员对其进行了大量的研究,就如何改善算法的收敛性能、提高计算速度等目的,提出了最优潮流计算的各种方法,取得了不少成果。

最优潮流算法按照所采用的优化方法的不同可以大致分为经典优化方法和智能优化方法。

最优潮流的经典优化方法主要是指传统的运筹学优化方法[2]。

其中比较经典的算法有:梯度类算法、牛顿法和内点法。

这类算法的特点是以一阶或二阶梯度作为寻找最优解的主要信息。

经典数学优化方法依赖于精确的数学模型,但精确的数学模型比较复杂,难以适应实时控制要求,而粗略的数学模型又存在较大误差。

因此,基于对自然界和人类本身的有效类比而获得启示的智能优化方法成为新的研究重点,其中以遗传算法、模拟退火方法和粒子群算法等为代表。

本文主要探讨经典优化方法中的内点法在未来电力系统中的应用。

2、内点法及其应用
2.1 内点法的基本思想
1984年,AT&T贝尔实验室数学家Kar-markar提出了内点法,其基本思想是:给定一个可行的内点,使其沿着可行方向出发,求出使目标函数值下降的后继内点,沿另一个可行方向求出使目标函数值下降的新内点,如此重复直至得到最优解。

其特征是迭代次数和系统规模无关。

目前,内点法已被广泛应用于电力系统最优潮流问题的研究,其计算速度和处
理不等式约束的能力均超过了求解非线性规划模型的牛顿算法[3]。

随后又有很多学者对其计算速度和精度进行了改进。

文献[4]提出了原一对偶路径跟踪内点
法,它在保持解的原始可行性和对偶可行性的同时,沿一条原一对偶路径寻到
最优解,而在此过程中能始终维持原始解和对偶解的可行性,该方法可以很好地继承牛顿法的优点,且计算量小。

其结果与原对偶内点法OPF的结果相比,计算速度快、收敛性好、处理病态问题能力强,在最优潮流问题处理不等式约束以及迭代收敛方面显现出较明显的优势。

文献[5]提出的基于对数障碍函数的原一对偶内点法,将变量不等式约束通过松弛因子变为等式约束,并将松弛因子以对数障碍函数的形式引入目标函数,形成一个无约束的扩展目标函数。

内点法不需要试验迭代,因此该方法编程比牛顿法要简单,易于实现。

在文献[6]中,通过将中间变量转移,扩展目标函数在满足Kuhn-Tucker条件下,得出与牛顿法同样形式的方程式,作者提出了原始变量和对偶变量可以取不同的迭代步长。

该方法有较好的数值稳定性和计算精度,也显示了很强的处理不等式约束的能力。

与其他方法相比,内点法求解最优潮流的优势是在可行域内部向最优解逼近,
无需估计起作用的约束集的困难:广泛应用的原一对偶内点算法收敛迅速,鲁棒性强,对初值的选择不敏感。

2.2 内点法在计算分区电网最大供电能力(TSC)中的应用
随着我国经济的快速发展,用电负荷逐年攀升,同时为适应不断增长的用电需求,电网规模也不断扩大。

未来的电网结构,应满足分层分区的原则[7]。

合理分区,以受端系统为核心,将外部电源连接到受端系统,形成一个供需基本平衡的区域,并
经联络线与相邻区域相连。

随着高一级电压电网的建设,下级电网应逐步实现分区运行,相邻分区之间互为备用。

科学合理地评估分区电网最大供电能力对于电网规划与运行具有巨大的经济价值和现实意义。

一方面研究TSC可以指导电网规划部门正确评价分区电网现状,分析制约分区电网供电能力的薄弱环节,通过进一步优化现有网架结构,挖掘已有电网在更高负载水平下运行的巨大潜力;另一方面,研究TSC可以为电网运行部门提供分区电网的供电裕度,为能否安排某一项电气设备检修提供依据,有利于科学地制定用电负荷高峰时段有序用电方案,确保电网运行的安全性与可靠性?
文献[8]建立了分区电网的TSC非线性最优化模型,将TSC作为目标函数,广义参数化潮流方程作为等式约束条件,发电机、输电线路、变压器的安全运行作为不等式约束条件,同时约束条件还将关键输电断面稳定限额引入,间接在TSC中考虑了分区电网的N-1/N-2约束,TSC计算模型更加符合电网运行实际,
采用非线性内点法求解?
2.3 内点法在含有新能源的电力系统最优潮流中的应用
近年来,太阳能、风能、燃料电池等新能源成为研究热点,新能源发电具有投资省、发电方式灵活、与环境兼容等优点,它与电网联合运行可以提高系统的经济性、安全性、可靠性和灵活性,并且满足了可持续发展的要求,也大大减轻了环保的压力。

然而新能源接入传统电网也有着很多不确定的因素,为了根据这些随机因素对电力系统的影响,准确的获取系统准确的潮流状态,不确定潮流计算问题逐渐应运而生。

目前,电力系统不确定性潮流问题分为 3 种:模糊潮流、概率潮流和区间潮流。

区间潮流分析研究的仅是新能源等不确定性因素引入后对系统的影响,不考虑系统应对随机因素的主动调节作用,所得到的潮流分布可能是处于不安全状态。

文献[9-10]研究了新能源系统区间经济调度问题,但并未考虑系统的非线性潮流分布。

文献[11]提出电力系统的区间最优潮流(interval optimal power flow,IOPF)问题,将之应用于含新能源的交直流混联系统,并采用区间优化方法进行求解。

IOPF 可定性和定量分析新能源区间不确定性对电力系统最优潮流的影响,用以研究新能源与系统内其他调度资源的协调配合潜力。

首先,将交直流系统最优潮流计算问题采用非线性规划模型表达,在该模型下考虑系统节点负荷功率、新能源发电出力等的区间不确定性,建立区间最优潮流计算的非线性区间优化模型。

然后,根据区间匹配和区间极值取值等原理,将该区间规划问题转化为两个确定性的非线性优化问题,并采用现代内点算法加以求解,从而得到区间最优潮流待求变量边界信息。

通过IEEE14、118 和300 节点标准系统的计算结果表明,与蒙特卡罗模拟结果对比,所
提出方法不仅具备较高的求解精度,对IOPF 目标函数区间半径和区间均值的计算
误差不超过9%和0.8%,同时实现容易、计算效率高,适于求解大规模系统、多区间变量的区间最优潮流问题。

参考文献
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[2]CarpentierJ.contributiona’aletudedudispatehinge·eonomique[J].B ulletindel.societ
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[3]刘明波,王晓村.内点法在求解电力系统优化问题中的应用综述[J].电网技术,
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[4]Wu Y C,Debs A S,Marsten R E.A direction linear predietor-eorrector
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[5]GranvilleS. Optimal reactive dispatch through interior point method[J].IEEE
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[8]刘盛松,秦旭东,汪志成. 基于最优潮流分区电网最大供电能力研究及其应
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[9]Wang Y,Xia Q,Kang C Q.Unit commitment withvolatile node injections by
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[10]陈建华,吴文传,张伯明,等.安全性与经济性协调的鲁棒区间风电调度方
法[J].中国电机工程学报,2014,34(7):1033-1040.
[11]鲍海波,韦化,郭小璇. 考虑新能源的交直流系统区间最优潮流[J]. 中国电
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