多目标自趋优的智能电网
多目标自趋优的智能电网[20191213105854]
摘要
随着社会的发展，科技水平不断提高，人们的生活水平也有了很大的提高，各种用电设备层出不穷，不断呈现出多样化和普及化的趋势，居民生活用电量不断增加，与此同时，随着我国工业化进程的不断推进，工业快速发展，然而工业的发展离不开电，这就使得用电量大大增加。我国煤炭资源丰富，这为我国的发电模式已火力发电为主奠定了基础，加大火力发电的力度有利于解决用电量增加的问题，但是，火力发电还存在一个严重的弊端，即在火力发电过程中会产生环境污染而且会大量消耗不可再生的煤炭资源。因此仅仅依靠火力发电已经不再符合绿色发展的理念，目前大多数国家都在积极发展风电、水电、核电等对环境影响较小的发电方式，特别是水利发电，已经在整个发电模式中占有相当的分量。本文以水力发电和火力发电组成的发电模式为研究研究对象，在满足用户侧功率需求的前提下，以火力发电煤耗最小、水力发电出力最大为目标建立多目标优化模型，从而找到最合适的发电组合方式，既能满足用户用电需求，又能做到经济效益最好、环境污染最少。本文主要是采用加权法将两个目标函数化为一个，利用层次分析法确定各自的权重，最后利用粒子群算法求出最优解，通过对结论的分析发现，仿真结果符合此次设计的要求，对水利火力联合发电起到了比较好的优化作用，从而也说明了建立的优化模型是正确的。
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关键字:字火力发电；水力发电；多目标优化；粒子群算法。
目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文的主要工作 2
第2章 智能电网概述 3
2.1 智能电网简介 3
2.2 智能电网的提出及发展历程 4
2.3 智能电网的发展目标 6
2.4 学术研究 7
2.4.1基础结构子系统 7
2.4.2管理子系统 7
2.4.3保护子系统 8
2.5 技术支持 8
2.5.1通信技术 8
2.5.2量测技术 8
2.5.3设备技术 9
2.5.4控制技术 9
2.5.5支持技术 9
2.6 主要特征 10
2.6.1智能电网是自愈电网 10
2.6.2智能电网激励和包括用户 11
2.6.3智能电网将抵御攻击 11
2.6.4提供满足21世纪用户需求的电能质量 12
2.6.5将减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件 12
2.6.6容许各种不同类型发电和储能系统的接入 12
2.6.7将使电力市场蓬勃发展 13
第3章 基于智能电网的水火电发电特性及其调度模型 14
3.1 水力发电特性及其调度模型的研究 14
3.1.1 水电机组输出功率特性 14
3.1.2 水电站水库相关特性 14
3.1.3 水电站优化调度模型研究 15
3.2 火力发电特性及其调度模型的研究 16
3.2.1 火力发电的煤耗特性 16
3.2.2 火力发电机组优化调度模型的研究 16
3.3 本章小结 16
第4章 粒子群优化算法 18
4.1 粒子群优化算法简介 18
4.2 粒子群优化算法优化过程 18
4.3 粒子群优化算法数学模型 19
4.4 粒子群优化算法参数分析 20
4.5 本章小结 20
第5章 基于智能电网的多目标（水火电）系统优化调度 21
5.1 多目标优化调度模型的建立 21
5.1.1 目标函数 21
5.1.2 约束条件 22
5.2 多目标优化问题的求解方法及分析 22
5.2.1 利用加权法简化多目标优化问题 22
5.2.2 算例分析及描述 26
5.2.3 优化调度结果分析 27
5.3 本章小结 28
第6章 MATLAB程序设计及结果分析 29
6.1 MATLAB仿真工具简介 29
6.2 程序设计 29
6.3 结果分析 33
第7章 总结与展望 35
7.1 论文总结 35
7.2 进一步研究工作的展望 35
参考文献 36
致谢 38
附录 39
英文原文 43
译文 49
第1章 绪论
1.1课题背景及意义
当今社会，国民经济的增长及人民生活质量水平的提高已经离不开对能源的需求，特别是对煤炭资源的需求。中国能源研究会在《中国能源发展报告（2012）》中指出，2011年，中国煤炭和天然气的消费比重有所提高，石油和非石化的比重有所下降。2011年，中国煤炭消费总量34.25亿吨，占一次能源消费总量的68.8%。而世界煤炭消费总量占一次能源消费总量的比重不到30%。世界一次能源消费以石油天然气为主，然而中国石油天然气消费比重仅为22%。另外国家统计局公布的2012年统计公报显示，我国2012年的煤炭消费总量比上年增长了2.5%。中国已经成为一个能耗大国，特别是对煤炭资源的消耗，而我国电力系统是高煤耗的产业，火力发电不但对煤炭资源消耗巨大，而且对环境也有一定程度的污染；相对火力发电来说，水力发电在节能环保方面有着巨大的优势，我国水力资源丰富，可供发电用的水资源也相对较多，虽然目前水力发电在我国还不是最主要的发电方式，但水力发电已经形成了一定的规模，在力求水力发电出力最大的同时可相对减少火力发电的出力，这样既能保证发展的需要又能减少对煤炭资源的消耗和对环境的污染。从国家统计局发布的2012年主要工业产品产量及其增长速度（表2）的数据中我们很容易看到2102年火电发电量为38554.5亿千瓦小时，比上年增长0.6%；水电发电量为8608.5亿千瓦小时，比去年增长23.2%。从以上数据我们也不难看出，我国电力行业以火力发电为主，但水力发电增速较快，火力发电和水力发电之间的协调形成的多电源电力系统对优化能源结构有着重要的影响和深远的意义。
表1.1 国家统计局数据
产品名称 单位 产量 比上年增长%
发电量 亿千瓦小时 49377.7 4.8
其中：火电 亿千瓦小时 38554.5 0.6
水电 亿千瓦小时 8608.5 23.2
核电 亿千瓦小时 973.9 12.8
1.2国内外研究现状
进入21世纪以来，随着社会经济的发展和技术的进步，以及人们对于电力系统要求的不断提高，智能电网这一概念应运而生，并在近期成为全球电力行业研究的和讨论的热点。智能电网起源于国外，目前，北美和欧洲已经在智能电网的概念、技术研究和工程实践中展开了大量工作，其他国家也都在积极研究发展智能电网，我国也在智能电网方面进行了大量的研究，2006年，IBM在中国发布了智能电网白皮书，2007年华东电网也开始关注智能电网[1,2,3]。单就水火电力系统来说国内外学者对其优化调度问题展开了一系列的研究工作，许多数学模型及优化算法被应用到水火电力系统当中，通过合理分配水火电发电机组的出力，使得整个电力系统达到最优的运行模式，既能充分合理利用水资源，减少水电站无故弃水，又能大幅提高火电厂燃煤效率，节约火电的煤耗成本。以往水火电系统调度一般火电厂运行成本作为优化对象，以火电厂的运行成本最低作为优化的目标。然而随着社会的发展，资源节约和环境保护的问题越来越受到人们的关注和重视，许多电力方面的研究者们逐渐认识到水力发电的重要性，将火力发电和水力发电结合起来，以水力发电出力最大、无故弃水量最小和火力发电煤耗最小、运行成本最低为目标建立多目标优化调度模型，采用遗传等算法作为处理方法，以此来解决多目标优化问题[4]。
1.3 本文的主要工作
首先分别对火力发电和水力发电进行研究分析，分别确立火力发电的煤耗特性和水力发电的功率输出特性，并分别建立函数表达式，分析影响火力发电煤耗及水利发电输出功率的因素，确定约束条件，以火力发电煤耗最小和水力发电出力最大为目标建立多目标优化模型，利用加权法对多目标优化模型进行转换，将多目标优化问题转换为单目标优化问题，其中各目标的权重利用层次分析法来确定，最后利用粒子群算法对算例进行求解并分析结果，确定最优的联合发电方式。
第2章 智能电网概述
2.1 智能电网简介
智能电网，就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行[9,10,15]。
智能电网，以双向数字科技创建的输电网络，用来传送电力。它可以侦测电力供应者的电力供应状况，与一般家庭用户的电力使用状况，来调整家电用品的耗电量，以此达到节约能源，降低损耗，增强电网可靠性的目的。智能电网雏型是20世纪产生的，由一些中心发电机向大量用户传输电能的电网的简单升级。在传统电网的基础上，电能的传输拓扑网络更加优化以满足更大范围的各种用电状况，如在用电量低的时段给电池充电，然后在高峰时反过来给电网提供电能。智能电网包含了一个智能型电表基础建设，用于记录系统所有电能的流动。通过智能电表 ，它会随时监测电力使用的状况。智能电网包括超导传输线以减少电能的传输损耗，还具有集成新能源，如风能 ，太阳能 等的能力。当电能便宜时，消费者可以开启某些家用电器，如洗碗机，工厂可以启动在任何时间段都可以进行的生产过程。在电能需求的高峰期，它可以关闭一些非必要的用电器来降低需求。其他的智能电网发展方向包括电网之故障侦测、判断、自动试送电等。智能电网之最基础建设在于电网上的设备由人工在地监测，进化到遥测、遥控，再进化到自动判断调整控制[27]。
现代化的电能网络被许多政府认为是一种能够有效减少能源依赖，减缓全球温室效应的措施。智能计量作为智能电网的一部分，但它本身本不能称为一个智能电网。在美国奥巴马 总统宣布振兴经济方案之中纳入智能电网计划后，已经引起世界各国的重视。
2.2 智能电网的提出及发展历程[27]
智能电网概念的发展有3个里程碑：
第一个就是2006年，美国IBM公司提出的“智能电网”解决方案。IBM的智能电网主要是解决电网安全运行、提高可靠性，其在中国发布了《建设智能电网创新运营管理－中国电力发展的新思路》白皮书，解决方案主要包括以下几个方面：一是通过传感器 连接资产和设备提高数字化程度；二是数据的整合体系和数据的收集体系；三是进行分析的能力，即依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。该方案提供了一个大的框架，通过对电力 生产、输送、零售的各个环节的优化管理，为相关企业提高运行效率及可靠性、降低成本描绘了一个蓝图。是IBM一个市场推广策略。
第二个是奥巴马上任后提出的能源计划，除了以公布的计划，美国 还将着重集中对每年要耗费1200亿美元的电路损耗和故障维修的电网系统进行升级换代，建立美国横跨四个时区的统一电网；发展智能电网产业，最大限度发挥美国国家电网的价值和效率，将逐步实现美国太阳能 、风能 、地热能 的统一入网管理；全面推进分布式能源管理，创造世界上最高的能源使用效率。美国政府的智能电网 有三个目的，一个是由于美国电网设备比较落后，急需进行更新改造，提高电网运营的可靠性；二是通过智能电网建设将美国拉出金融危机的泥潭；三是提高能源利用效率。
摘要
随着社会的发展，科技水平不断提高，人们的生活水平也有了很大的提高，各种用电设备层出不穷，不断呈现出多样化和普及化的趋势，居民生活用电量不断增加，与此同时，随着我国工业化进程的不断推进，工业快速发展，然而工业的发展离不开电，这就使得用电量大大增加。我国煤炭资源丰富，这为我国的发电模式已火力发电为主奠定了基础，加大火力发电的力度有利于解决用电量增加的问题，但是，火力发电还存在一个严重的弊端，即在火力发电过程中会产生环境污染而且会大量消耗不可再生的煤炭资源。因此仅仅依靠火力发电已经不再符合绿色发展的理念，目前大多数国家都在积极发展风电、水电、核电等对环境影响较小的发电方式，特别是水利发电，已经在整个发电模式中占有相当的分量。本文以水力发电和火力发电组成的发电模式为研究研究对象，在满足用户侧功率需求的前提下，以火力发电煤耗最小、水力发电出力最大为目标建立多目标优化模型，从而找到最合适的发电组合方式，既能满足用户用电需求，又能做到经济效益最好、环境污染最少。本文主要是采用加权法将两个目标函数化为一个，利用层次分析法确定各自的权重，最后利用粒子群算法求出最优解，通过对结论的分析发现，仿真结果符合此次设计的要求，对水利火力联合发电起到了比较好的优化作用，从而也说明了建立的优化模型是正确的。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:字火力发电；水力发电；多目标优化；粒子群算法。
目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文的主要工作 2
第2章 智能电网概述 3
2.1 智能电网简介 3
2.2 智能电网的提出及发展历程 4
2.3 智能电网的发展目标 6
2.4 学术研究 7
2.4.1基础结构子系统 7
2.4.2管理子系统 7
2.4.3保护子系统 8
2.5 技术支持 8
2.5.1通信技术 8
2.5.2量测技术 8
2.5.3设备技术 9
2.5.4控制技术 9
2.5.5支持技术 9
2.6 主要特征 10
2.6.1智能电网是自愈电网 10
2.6.2智能电网激励和包括用户 11
2.6.3智能电网将抵御攻击 11
2.6.4提供满足21世纪用户需求的电能质量 12
2.6.5将减轻来自输电和配电系统中的电能质量事件 12
2.6.6容许各种不同类型发电和储能系统的接入 12
2.6.7将使电力市场蓬勃发展 13
第3章 基于智能电网的水火电发电特性及其调度模型 14
3.1 水力发电特性及其调度模型的研究 14
3.1.1 水电机组输出功率特性 14
3.1.2 水电站水库相关特性 14
3.1.3 水电站优化调度模型研究 15
3.2 火力发电特性及其调度模型的研究 16
3.2.1 火力发电的煤耗特性 16
3.2.2 火力发电机组优化调度模型的研究 16
3.3 本章小结 16
第4章 粒子群优化算法 18
4.1 粒子群优化算法简介 18
4.2 粒子群优化算法优化过程 18
4.3 粒子群优化算法数学模型 19
4.4 粒子群优化算法参数分析 20
4.5 本章小结 20
第5章 基于智能电网的多目标（水火电）系统优化调度 21
5.1 多目标优化调度模型的建立 21
5.1.1 目标函数 21
5.1.2 约束条件 22
5.2 多目标优化问题的求解方法及分析 22
5.2.1 利用加权法简化多目标优化问题 22
5.2.2 算例分析及描述 26
5.2.3 优化调度结果分析 27
5.3 本章小结 28
第6章 MATLAB程序设计及结果分析 29
6.1 MATLAB仿真工具简介 29
6.2 程序设计 29
6.3 结果分析 33
第7章 总结与展望 35
7.1 论文总结 35
7.2 进一步研究工作的展望 35
参考文献 36
致谢 38
附录 39
英文原文 43
译文 49
第1章 绪论
1.1课题背景及意义
当今社会，国民经济的增长及人民生活质量水平的提高已经离不开对能源的需求，特别是对煤炭资源的需求。中国能源研究会在《中国能源发展报告（2012）》中指出，2011年，中国煤炭和天然气的消费比重有所提高，石油和非石化的比重有所下降。2011年，中国煤炭消费总量34.25亿吨，占一次能源消费总量的68.8%。而世界煤炭消费总量占一次能源消费总量的比重不到30%。世界一次能源消费以石油天然气为主，然而中国石油天然气消费比重仅为22%。另外国家统计局公布的2012年统计公报显示，我国2012年的煤炭消费总量比上年增长了2.5%。中国已经成为一个能耗大国，特别是对煤炭资源的消耗，而我国电力系统是高煤耗的产业，火力发电不但对煤炭资源消耗巨大，而且对环境也有一定程度的污染；相对火力发电来说，水力发电在节能环保方面有着巨大的优势，我国水力资源丰富，可供发电用的水资源也相对较多，虽然目前水力发电在我国还不是最主要的发电方式，但水力发电已经形成了一定的规模，在力求水力发电出力最大的同时可相对减少火力发电的出力，这样既能保证发展的需要又能减少对煤炭资源的消耗和对环境的污染。从国家统计局发布的2012年主要工业产品产量及其增长速度（表2）的数据中我们很容易看到2102年火电发电量为38554.5亿千瓦小时，比上年增长0.6%；水电发电量为8608.5亿千瓦小时，比去年增长23.2%。从以上数据我们也不难看出，我国电力行业以火力发电为主，但水力发电增速较快，火力发电和水力发电之间的协调形成的多电源电力系统对优化能源结构有着重要的影响和深远的意义。
表1.1 国家统计局数据
产品名称 单位 产量 比上年增长%
发电量 亿千瓦小时 49377.7 4.8
其中：火电 亿千瓦小时 38554.5 0.6
水电 亿千瓦小时 8608.5 23.2
核电 亿千瓦小时 973.9 12.8
1.2国内外研究现状
进入21世纪以来，随着社会经济的发展和技术的进步，以及人们对于电力系统要求的不断提高，智能电网这一概念应运而生，并在近期成为全球电力行业研究的和讨论的热点。智能电网起源于国外，目前，北美和欧洲已经在智能电网的概念、技术研究和工程实践中展开了大量工作，其他国家也都在积极研究发展智能电网，我国也在智能电网方面进行了大量的研究，2006年，IBM在中国发布了智能电网白皮书，2007年华东电网也开始关注智能电网[1,2,3]。单就水火电力系统来说国内外学者对其优化调度问题展开了一系列的研究工作，许多数学模型及优化算法被应用到水火电力系统当中，通过合理分配水火电发电机组的出力，使得整个电力系统达到最优的运行模式，既能充分合理利用水资源，减少水电站无故弃水，又能大幅提高火电厂燃煤效率，节约火电的煤耗成本。以往水火电系统调度一般火电厂运行成本作为优化对象，以火电厂的运行成本最低作为优化的目标。然而随着社会的发展，资源节约和环境保护的问题越来越受到人们的关注和重视，许多电力方面的研究者们逐渐认识到水力发电的重要性，将火力发电和水力发电结合起来，以水力发电出力最大、无故弃水量最小和火力发电煤耗最小、运行成本最低为目标建立多目标优化调度模型，采用遗传等算法作为处理方法，以此来解决多目标优化问题[4]。
1.3 本文的主要工作
首先分别对火力发电和水力发电进行研究分析，分别确立火力发电的煤耗特性和水力发电的功率输出特性，并分别建立函数表达式，分析影响火力发电煤耗及水利发电输出功率的因素，确定约束条件，以火力发电煤耗最小和水力发电出力最大为目标建立多目标优化模型，利用加权法对多目标优化模型进行转换，将多目标优化问题转换为单目标优化问题，其中各目标的权重利用层次分析法来确定，最后利用粒子群算法对算例进行求解并分析结果，确定最优的联合发电方式。
第2章 智能电网概述
2.1 智能电网简介
智能电网，就是电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行[9,10,15]。
智能电网
现代化的电能网络被许多政府认为是一种能够有效减少能源依赖，减缓全球温室效应
2.2 智能电网的提出及发展历程[27]
智能电网概念的发展有3个里程碑：
第一个就是2006年，美国IBM
第二个是奥巴马
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