一種基于wams的改進遺傳算法的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS和能量管理系統(tǒng)EMS實時信息的改進遺傳算法的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，包括：步驟S1：從電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS中實時獲取電網(wǎng)量測信息；步驟S2：從能量管理系統(tǒng)EMS中獲取當(dāng)前時間斷面的能量管理系統(tǒng)EMS中的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)及運行斷面信息，并形成包含所有負(fù)荷節(jié)點等效導(dǎo)納的全網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣；步驟S3：對電網(wǎng)無功優(yōu)化的控制變量進行混合編碼；步驟S4：建立適應(yīng)度函數(shù)；步驟S5：執(zhí)行選擇算子；步驟S6：執(zhí)行交叉和變異算子；步驟S7：確定收斂速度和收斂終止判據(jù)。本發(fā)明對傳統(tǒng)遺傳算法進行改進，從多方面改進以改善傳統(tǒng)遺傳算法在無功優(yōu)化方面的不足，提高收斂速度和解的質(zhì)量，避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解問題。
【專利說明】-種基于WAMS的改進遺傳算法的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置 方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)智能調(diào)度支持系統(tǒng)電網(wǎng)運行狀態(tài)評估與預(yù)警領(lǐng)域的配置方 法，具體講涉及一種基于WAMS的改進遺傳算法的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會、經(jīng)濟及電力工業(yè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)逐漸發(fā)展成大規(guī)模、遠距離、特高壓 交直流互聯(lián)及新能源的接入比例加大等，增加了電網(wǎng)運行的不確定性。而受端電網(wǎng)主要以 負(fù)荷集中地區(qū)為中心，通過周邊聯(lián)絡(luò)線與遠距離廣義發(fā)端電源相連，進而實現(xiàn)電能的供需 平衡。由于能源和負(fù)荷中心區(qū)域分布不匹配，以及環(huán)境等因素的制約，受端系統(tǒng)內(nèi)部電源支 撐不足，大量電能需從遠方進行遠距離傳輸，受端系統(tǒng)規(guī)模迅猛增大且其復(fù)雜度越趨復(fù)雜。
[0003] 20世紀(jì)80年代以來，國際上多個大型電力系統(tǒng)相繼發(fā)生多起電壓持續(xù)偏低、電壓 崩潰事件，造成巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，電壓穩(wěn)定已逐漸成為國際電工學(xué)界關(guān)注的焦 點，對運行環(huán)境下的受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的在線監(jiān)控提出了更高的要求。目前，用于電力系統(tǒng) 靜態(tài)電壓穩(wěn)定和動態(tài)電壓穩(wěn)定仿真的數(shù)值算法比較成熟，引起仿真結(jié)果與真實系統(tǒng)不吻合 的原因主要是系統(tǒng)中元件模型與參數(shù)的不準(zhǔn)確。另外，根據(jù)數(shù)學(xué)建模和仿真的分析方法發(fā) 現(xiàn)，受電網(wǎng)模型、參數(shù)以及數(shù)值計算等因素的制約，在應(yīng)用規(guī)模、速度及可靠性等方面很難 適應(yīng)電壓穩(wěn)定在線實時評估的要求。
[0004] 廣域測量系統(tǒng)（Wide Area Measurement System，WAMS)能夠?qū)崿F(xiàn)廣域電網(wǎng)真實運 行狀態(tài)的同步實時測量，為基于WAMS量測軌跡信息的受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在線評估提供了 新的機遇。對于物理動態(tài)恢復(fù)特性和對外表象而言，電壓穩(wěn)定問題主要聚焦于受端電網(wǎng)，具 有一定的局部特征。電壓失穩(wěn)（或崩潰）可能發(fā)生在正常運行狀態(tài)的某一小擾動，或者發(fā) 生在大擾動過渡過程中，如何有效地利用WAMS量測軌跡信息，實現(xiàn)受端電網(wǎng)正常狀態(tài)和大 擾動狀態(tài)的電壓穩(wěn)定評估是當(dāng)前電力工程界研究的熱點。
[0005] 電力系統(tǒng)無功優(yōu)化就是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓、有載調(diào)壓變壓器分接頭和無功補 償設(shè)備的投退目的是在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)電力系統(tǒng)有功損耗最小 且保持良好的電壓。為此，無功優(yōu)化是一個多目標(biāo)、多變量、多約束的混合非線性尋優(yōu)問題 [1-2]。近年來，廣大學(xué)者對該問題進行了大量的研究。提出了很多算法，且智能算法在該 領(lǐng)域成為了研究熱點，主要有遺傳算法、免疫算法、粒子群優(yōu)化算法、混合算法等。
[0006] 遺傳算法由于其原理簡單，操作方便，也無需進行求導(dǎo)求逆等數(shù)學(xué)運算，特別適合 處理一下非線性多目標(biāo)優(yōu)化問題。為此，在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化中得到了廣泛的應(yīng)用。然而， 傳統(tǒng)的遺傳算法在電力系統(tǒng)無功優(yōu)化過程中仍存在一些不足，如收斂速度慢，出現(xiàn)早熟現(xiàn) 象以及形成局部最優(yōu)解等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于WAMS的改進遺傳算法的電 網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，本發(fā)明對傳統(tǒng)遺傳算法進行改進，包括編碼方式、群體選擇、適 應(yīng)度函數(shù)、交叉和變異以及收斂判據(jù)等方面。從多方面改進以改善傳統(tǒng)遺傳算法在無功優(yōu) 化方面的不足，提高收斂速度和解的質(zhì)量，避免出現(xiàn)局部最優(yōu)解問題。
[0008] 本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0009] 本發(fā)明提供一種基于WAMS的改進遺傳算法的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其改 進之處在于，所述方法基于電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS和能量管理系統(tǒng)EMS的實時信息，所述 方法包括下述步驟：
[0010] 步驟S1 :從電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS中實時獲取電網(wǎng)量測信息；
[0011] 步驟S2 :從能量管理系統(tǒng)EMS中獲取當(dāng)前時間斷面的能量管理系統(tǒng)EMS中的電網(wǎng) 結(jié)構(gòu)、參數(shù)及運行斷面信息，并形成包含所有負(fù)荷節(jié)點等效導(dǎo)納的全網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣；
[0012] 步驟S3 :對電網(wǎng)無功優(yōu)化的控制變量進行混合編碼；
[0013] 步驟S4 :建立適應(yīng)度函數(shù)；
[0014] 步驟S5:執(zhí)行選擇算子；
[0015] 步驟S6 :執(zhí)行交叉和變異算子；
[0016] 步驟S7 :確定收斂速度和收斂終止判據(jù)。
[0017] 進一步地，所述步驟S1中，從電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS中實時獲取電網(wǎng)各向量測量 單元PMU(PMU是向量測量單元的英文簡稱，可以安裝在發(fā)電廠和變電站，本專利中僅僅是 取在電廠安裝點的PMU數(shù)據(jù)）安裝站點的動態(tài)量測信息。
[0018] 進一步地，所述步驟S2中，從能量管理系統(tǒng)EMS中取得同時包含電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參 數(shù)及運行潮流斷面的QS數(shù)據(jù)文件，進行潮流計算，以獲得完整的計及負(fù)荷等效導(dǎo)納的網(wǎng)絡(luò) 導(dǎo)納矩陣，為后續(xù)計算電壓跌落越限節(jié)點的戴維南等效參數(shù)做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；
[0019] 電網(wǎng)無功容量優(yōu)化以降低全網(wǎng)網(wǎng)損為目標(biāo)，實現(xiàn)電壓水平的穩(wěn)定和電力系統(tǒng)的經(jīng) 濟運行，目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型表達式如下所示：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于WAMS的改進遺傳算法的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述方 法基于電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS和能量管理系統(tǒng)EMS的實時信息，所述方法包括下述步驟： 步驟S1 :從電網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS中實時獲取電網(wǎng)量測信息； 步驟S2 :從能量管理系統(tǒng)EMS中獲取當(dāng)前時間斷面的能量管理系統(tǒng)EMS中的電網(wǎng)結(jié) 構(gòu)、參數(shù)及運行斷面信息，并形成包含所有負(fù)荷節(jié)點等效導(dǎo)納的全網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣； 步驟S3 :對電網(wǎng)無功優(yōu)化的控制變量進行混合編碼； 步驟S4 :建立適應(yīng)度函數(shù)； 步驟S5 :執(zhí)行選擇算子； 步驟S6 :執(zhí)行交叉和變異算子； 步驟S7 :確定收斂速度和收斂終止判據(jù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述步驟S1中，從電 網(wǎng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)WAMS中實時獲取電網(wǎng)各向量測量單元PMU安裝站點的動態(tài)量測信息。
3. 如權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述步驟S2中，從能 量管理系統(tǒng)EMS中取得包含電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、參數(shù)及運行潮流斷面的QS數(shù)據(jù)文件，進行潮流 計算，以獲得完整的計及負(fù)荷等效導(dǎo)納的網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納矩陣，為后續(xù)計算電壓跌落越限節(jié)點的 戴維南等效參數(shù)做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備； 電網(wǎng)無功容量優(yōu)化以下式（1)目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型表達式所示的降低全網(wǎng)網(wǎng)損為目標(biāo)， 實現(xiàn)電壓水平的穩(wěn)定和電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行：
(1)； 式中，為系統(tǒng)的有功功率損耗；Ng為支路數(shù)；gk為支路k的電導(dǎo)；Ui為負(fù)荷節(jié)點i的 電壓幅值；θ u為負(fù)荷節(jié)點i與j之間的相位角； 選取發(fā)電機端電壓、無功補償容量以及有載調(diào)壓變壓器分接頭檔位作為控制變量，選 取發(fā)電機無功出力和節(jié)電電壓幅值作為狀態(tài)變量；所有的狀態(tài)變量都必須滿足變量約束條 件，當(dāng)狀態(tài)變量超出上下限值時通過罰函數(shù)的引入對目標(biāo)函數(shù)進行處理，其表達式為：
(2)； 式中：λν*節(jié)點電壓越界罰系數(shù)；AQ為發(fā)電機輸出無功功率的越界罰系數(shù)；
7節(jié)點電壓的越界罰函數(shù)：
為發(fā)電機輸出無功功率的 越界罰函數(shù)；△ \、ν?ΜΧ、νωη分別表示在一個給定的"代"中，第i個節(jié)點電壓與均值的偏差 值、最大節(jié)點電壓、最小節(jié)點電壓；△ 分別表示在一個給定的"代"中，第i個 發(fā)電機輸出無功功率與均值的偏差值、發(fā)電機輸出的最大無功功率、發(fā)電機輸出的最小無 功功率； 約束方程，包括等約束和不等約束方程；其中，等約束方程為節(jié)點的潮流平衡方程式， 表達式如下： (3)； 式中，Pi、Qi分別為節(jié)點i的注入有功功率和無功功率；分別為節(jié)點i和j的電壓 幅值；Bp ^以及δ u分別為節(jié)點i和j之間的電導(dǎo)、電納和電壓相位角差；j e i表示所 有節(jié)點與節(jié)點i相連的節(jié)點； 不等約束方程包括狀態(tài)變量的不等約束方程和控制變量的不等約束方程； 則狀態(tài)變量的不等約束方程為：
(4)； 工、T，wGi 兒兀力；QGimin和QGimax分別表示發(fā)電機無功出力的上限和下限；V di 為負(fù)荷節(jié)點電壓幅值；Vdimin和Vdimax分別表示負(fù)荷節(jié)點電壓幅值的上限和下限； 控制變量的不等約束方程為：
(5)； 式中，Vei為發(fā)電機端電壓；QCi為節(jié)點i上的無功補償容量；Tti有載調(diào)壓變壓器分接頭 檔位； 采用P-Q分解法進行潮流計算。
4. 如權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述步驟S3中，采取 實數(shù)和整數(shù)混合編碼方式，即電網(wǎng)無功優(yōu)化的控制變量中，發(fā)電機的機端電壓是連續(xù)變量， 采用實數(shù)編碼，節(jié)點無功補償量以及有載調(diào)壓變壓器分接頭均為離散變量，采用整數(shù)編碼。
5. 如權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述步驟S4中，采用 倒數(shù)方法建立適應(yīng)度函數(shù)，即：
(6)； Γ/χ/ΛΗ/?/叉1&，f (X)為目標(biāo)函數(shù)，Z為經(jīng)驗估計最小值，K為放大倍數(shù)，1為防 止分母為0。
6. 如權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述步驟S5中，采用 錦標(biāo)賽法和最優(yōu)保存法相結(jié)合的混合選擇策略；首先，通過錦標(biāo)賽在N個隨機個體中將最 優(yōu)的個體得以選出，然后進行最優(yōu)個體的保存，將父代中適應(yīng)度最大的個體代替子代中適 應(yīng)度最差的個體，使優(yōu)勢個體基因得以延續(xù)。
7. 如權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述步驟S6中，采用 新的交叉和變異方式，即交叉概率Pc和變異概率Pm，交叉概率和變異概率的改變隨著適應(yīng) 度自動變化，表達式如下： (7) ,
(8) ； 式中：為種群中的最大適應(yīng)度值；fP為種群中的平均適應(yīng)度值；f。為交叉?zhèn)€體的適 應(yīng)度值；fm為變異個體的適應(yīng)度值；Pea為所產(chǎn)生的第一個交叉概率值、P&為所產(chǎn)生的第二 個交叉概率值、P ml為所產(chǎn)生的第1個變異概率值、Pm2為所產(chǎn)生的第2個變異概率值。
8.如權(quán)利要求1所述的電網(wǎng)無功容量優(yōu)化配置方法，其特征在于，所述步驟S7中，所述 收斂速度根據(jù)禁忌查詢表的方式，建立染色體查詢表，對每代種群進行染色體查詢、存儲， 防止相同染色體進行重復(fù)潮流計算，用于提高收斂速度；采用平均適應(yīng)度值判斷法作為終 止判定準(zhǔn)則，保證輸出全局最優(yōu)后才終止結(jié)束，即：
(9)； 其中，ε根據(jù)實際問題的適應(yīng)度值進行確定；戶"分別表示第η代和n-1代的 平均適應(yīng)度值，η為自然數(shù)。
【文檔編號】G06N3/12GK104112237SQ201410305713
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】熊浩清, 黃訓(xùn)誠, 廖鷹, 陳軍, 孫冉, 姚峰, 李志恒 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)河南省電力公司