坚强智能电网中自愈控制的研究
坚强智能电网中自愈控制的研究[20191213105838]
摘 要
本文是针对智能电网自愈控制中的优化控制部分做的研究。目的是通过对电网中的支路变比，PV节点电压以及节点无功补偿设备容量的调整来实现对智能电网网损值的优化。文中，主要对电力系统的潮流计算以及粒子群优化算法在电网中的运用做了研究。
针对这个电力系统的优化控制，本文选定以电网的有功网损作为优化的目标函数，并且采用粒子群优化算法来对电网中个别支路的变比，个别节点的PV节点电压给定值以及个别节点的无功补偿设备容量进行搜索和寻优从而达到对电网网损值的优化计算。
在通过MATLAB编程仿真后发现，利用粒子群优化算法对电网的有功网损进行优化，可以使网损值较快地收敛到一个较优的网损值，可以使网损值得到了降低，并使电网工作状态得到了优化。但总体来说，利用粒子群优化算法对网损值进行优化得到的结果是令人满意的。
对此结果可以看出，利用一些从其他领域发展而来的算法对电网复杂的计算进行优化，将大大提高计算速度以及计算的准确度。为了日后能够使优化结果更加稳定可靠，还需要在粒子群算法中做更大的改进。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:坚强智能电网,自愈控制,优化,自动恢复
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 智能电网发展概况 1
1.2 自愈控制发展概况 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 本文主要工作 3
第2章 智能电网中的潮流计算 4
2.1 自愈控制与潮流计算的关联 4
2.2 复杂电力系统的潮流计算 4
2.3 牛顿-拉夫逊法 4
2.4 智能电网潮流计算步骤 6
第3章 基于粒子群优化算法的自愈控制 11
3.1 粒子群优化算法介绍 11
3.2 自愈控制中的优化控制介绍 14
3.3 算例的介绍 15
第4章 MATLAB程序设计及结果分析 19
4.1 MATLAB简介 19
4.1.1 MATLAB简介 19
4.1.2 MATLAB的特点 19
4.2 智能电网网损优化程序流程图 22
4.3 通过粒子群算法对智能电网网损优化的MATLAB仿真实现 23
4.4 程序结果分析 24
第5章 论文总结与展望 26
参考文献 27
致 谢 29
附 录 30
MATLAB源程序 30
毕 业 设 计（英文翻译） 39
一、英文原文 40
二、中文翻译 44
第1章 绪论
1.1 智能电网发展概况
在这个飞速发展的时代，无论是日常生活，工业生产，国防工程都一刻离不开稳定持续的供电。看似轻微短暂的停电，小则造成老百姓日常生活的极大不便，重则造成重大经济损失，甚至会导致各行各业陷入一片瘫痪。为此，一个可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的电网成为了我们稳定发展和生活中的不可缺少的一环。
因此，可想而知，智能电网对人们日常生活的意义是极其的重要。
建设智能电网对我国电网发展的重大意义主要归结为以下的5点：
（1）日常所用的电能的可靠性和电能质量将因为电网的智能化而得到大大的提高。
（2）电力设备、人身和网络安全等方面将因为智能电网的自愈和自动保护而得到很好的保障。这主要归功于智能电网拥有对自身持续自我监测的能力，并且能够在可能危及其可靠性以及人身与设备安全的情况将要发生前提前做出预判，并能够及时做出相应的应急对策来应对紧急情况，从而使得充分地保障了系统的安全稳定运行。
（3）智能电网的高效和智能分配的优点可以大大提高能源利用效率。电网的智能化可以通过引导终端用户与电力公司进行互动，通过信息通信和自动控制技术完成对需求侧的管理，同时可以大大降低峰荷需求，极大地减少了能源使用总量和能量损失，对生态环保和提高资源利用效率具有重要意义。
（4）智能电网的形成将对环境保护和可持续发展做出不少贡献。智能电网之所以公认为“绿色环保”。这主要是因为智能电网本身支持分布式可再生能源的无缝接入以及鼓励电动车辆等的推广和使用，从而减少燃油发动机的使用以达到大量减少温室气体的排放的目的。
（5）智能电网的形成还将带来大量直接经济效益。首先，智能电网的智能化将会使得电网处于最经济最高效的运行方式。智能电网除了自身所带来的包括削减运行费用和提高资产利用率等直接经济效益外，其科技技术的综合性极高，涉及到各方各面的技术，因此它还能振兴国民经济，带动众多产业联合发展，并为解决就业问题贡献出一份力量。如今，各大企业家已经开始加快把新技术引进到电能的生产、分配、存储和应用当中去，这为许多相关的电子信息，仪器仪表类等科技行业提供了广大的市场空间。
1.2 自愈控制发展概况
自愈控制主要是解决“供电不间断的问题”，也就是在无需或仅需少量人为干预情况下，监测电网的实时运行状态，预测电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患。具有自愈能力的智能配电网将具有更高的供电可靠性、更高的电能质量、支持大量的分布式电源的接入、支持用户能源管理（需求侧管理）、提高电网资产利用率、对配电网及其设备进行可视化管理、实现配电网设备管理、生产管理的自动化、信息化。
智能配电网较传统配电网更加坚强并具有更大的“弹性”，可以有效抵御自然灾害及外力破坏等突发事件给电力系统造成的影响，而这都是因为其拥有强大的“自愈”功能，而这个自愈就是智能配电网最重要的特征。从本质上讲，自愈是智能配电网的“免疫系统”。
目前，国内外学者都在积极探讨具有自愈能力的电网架构、自愈控制体系及控制策略，但是这些研究还未形成统一的系统理论，也没有针对智能配电网展开自愈控制的研究[7]。
1.3 国内外研究现状
美加大停电之后，美国电科院启动了Advanced Distribution Automation（ADA）项目，计划在10~20年内完成智能配电网工程IDG（Intelli-D-Grid）。智能配电网发展目标：
（1）电网自愈，以及顾客与电网的自适应交互，这是最突出的特点，故简称其为自愈电网（SHG）；
（2）故障预测，而不只是对紧急情况作出反应；
（3）运行优化，以使资源和设备得到最好的应用。
为了实现上述目标，针对城市和密集负荷区主要研究和解决一下问题：
（1）研究配电网与分布电源的一体化；
（2）提高可靠性和电能质量；
（3）缩短停电恢复时间；
（4）研究配电网与用户侧系统的协调（互动）；
（5）降低运行费用；
（6）为用户提供更多的用电选择。
项目所涉及技术领域有：
（1）设计新的智能电子设备（IED）；
（2）研究低成本多功能的静态开关设备；
（3）研究智能传感器和监视系统；
（4）研究故障预测系统。
而根据我国城市配电网的现状，我国城市城市配电网自愈控制方法主要如下：根据城市配电网所处的运行状态，实施相应的控制，使城市配电网从当前运行状态向一种更好的运行状态转移。
1.4 本文主要工作
本课题拟在系统学习智能电网相关技术的基础上，针对智能电网自愈控制的实际需求，研究智能电网自愈控制体系、方法和技术，并针对智能电网中自愈控制中的优化控制进行研究分析仿真与试验技术。在本文中，是一个基于粒子群优化算法的对电网最低网损的优化研究，利用matlab编制程序，完成仿真计算，并对结果进行分析。
第2章 智能电网中的潮流计算
2.1 自愈控制与潮流计算的关联
在自愈控制中，有优化控制、预防控制、紧急控制、恢复控制，而在本文的自愈控制中，主要是做了对配电网网损的优化控制，并且将最低网损作为我们优化的目标函数。而要完成网损值的计算，则要对电网进行潮流计算才可以快速和准确地计算出电网的网损值。
2.2 复杂电力系统的潮流计算
电力系统潮流是描述电力系统运行状态的一般术语。它可以分为电力系统的静态潮流、动态潮流等。所谓静态潮流是指电力系统的运行状态是稳态的，在一个时间断面上，计算过程中所有状态变量是不随时间而变化的常量。
电力系统潮流是指系统中所有运行变量或参数的总体，它包括各个节点（母线）电压的大小和相位、各个发电机和负荷的功率及电流以及各个线路和变压器等元件所通过的功率、电流和其中的损耗。电力系统潮流计算是电力系统规划、设计和运行中最基本和最经常的计算，其任务是根据给定的有功负荷、无功负荷，发电机发出的有功功率及发电机节点电压有效值，计算出系统中其他节点的电压、各条支路中的功率以及功率损耗等。
因为电力系统可以用等值电路模拟，所以潮流计算的基础是电路计算。所不同的是，在电路计算中，给定的量是电压和电流，而在潮流计算中，给定的量是电压和功率，而不是电流。因此必须以电流为桥梁建立起电压和功率之间的关系，并直接应用电压和功率进行潮流计算。
（1） 判断系统中所有的母线（或节点）电压是否在允许的范围内。
（2） 判断系统中所有元件（如线路、变压器等）有没有出现过负荷。甚至当系统结线发生改变（如因为元件检修等原因）时，有无过负荷现象。
（3） 作为电力系统其它计算的基础，比如电力系统稳定的计算[2]。
2.3 牛顿-拉夫逊法
牛顿-拉夫逊法是一种求解非线性方程的数值解法，由于便于编写程序用计算机求解，应用较广。
下面以一元非线性代数方程的求解为例，来说明牛顿-拉夫逊法的基本思想。
设欲求解的非线性代数方程为
(2.1)
设方程的真实解为 ，则必有 。用牛顿-拉夫逊法求方程真实解 的步骤如下：
首先选取余割合适的初始估值x0作为方程f(x)=0的解，若恰巧有f(x0)=0，则方程的真实解即为 = 若 ，则做下一步。
取 为第一次的修正估值，则
(2.2)
其中 为初始估值的增量，即 。
设函数 具有任意阶导数，即可将上式在x°的邻域展开为泰勒级数，即： (2.3)
若所取的|Δx0|足够小，则含(Δx0)2的项及其余的一切高阶项均可略去，并使其等于零，即：
(2.4)
故得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2.5)
从而 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2.6)
可见，只要 ，即可根据上式求出第一次的修正估值 ，若恰巧有 ，则方程的真实解即为 。若 ，则用上述方法由 再确定第二次的修正估值 。如此反复叠代下去，直到求得真实解 为止。
需要指出的是，用牛顿-拉夫逊法求解非线性代数方程时，巧妙地设定一个合适的初始值是十分重要的，若初始值设定的合适，不但可以保证迭代收敛（即向真实值逼近），而且可使迭代次数减少。相反，若初始值设定的不合适，则不但要增加迭代次数，而且还可能迭代发散（即远离真实值）或者循环（即在真实值附近往复变化）。为解决此问题，可在叠代前先粗略画出函数 是曲线，在该曲线与 轴的焦点附近设定合适的初始估值会有裨益[9]。
2.4 智能电网潮流计算步骤
电力系统潮流计算是电力系统运行和规划中最基本和最经常的计算，其任务
是在已知某些运行参数的情况下，计算出系统中全部的运行参数，一般来说，各
个母线所供负荷的功率是已知的，各个节点电压是未知的（平衡节点除外），可
以根据网络结构形成节点导纳矩阵，然后由节点导纳矩阵和网络拓扑结构列写功
率方程，由于功率方程里功率是已知的，电压的幅值和相角是未知的，这样潮流
计算的问题就转化为求解非线性方程组的问题了。为了便于用迭代法解方程组，
需要将上述功率方程改写成功率平衡方程，并对功率平衡方程求偏导，得出对应
的雅可比矩阵，给未知节点赋电压初值，一般为额定电压，将初值带入功率平衡
方程，得到功率不平衡量，这样由功率不平衡量、雅可比矩阵、节点电压不平衡
量（未知的）构成了误差方程，解误差方程，得到节点电压不平衡量，节点电压
加上节点电压不平衡量构成新的节点电压初值，将新的初值带入原来的功率平衡
方程，并重新形成雅可比矩阵，然后计算新的电压不平衡量，这样不断迭代，不
断修正，一般迭代三到五次就能收敛。
牛顿一拉夫逊（简称牛顿法)在数学上是求解非线性代数方程式的有效方法。
摘 要
本文是针对智能电网自愈控制中的优化控制部分做的研究。目的是通过对电网中的支路变比，PV节点电压以及节点无功补偿设备容量的调整来实现对智能电网网损值的优化。文中，主要对电力系统的潮流计算以及粒子群优化算法在电网中的运用做了研究。
针对这个电力系统的优化控制，本文选定以电网的有功网损作为优化的目标函数，并且采用粒子群优化算法来对电网中个别支路的变比，个别节点的PV节点电压给定值以及个别节点的无功补偿设备容量进行搜索和寻优从而达到对电网网损值的优化计算。
在通过MATLAB编程仿真后发现，利用粒子群优化算法对电网的有功网损进行优化，可以使网损值较快地收敛到一个较优的网损值，可以使网损值得到了降低，并使电网工作状态得到了优化。但总体来说，利用粒子群优化算法对网损值进行优化得到的结果是令人满意的。
对此结果可以看出，利用一些从其他领域发展而来的算法对电网复杂的计算进行优化，将大大提高计算速度以及计算的准确度。为了日后能够使优化结果更加稳定可靠，还需要在粒子群算法中做更大的改进。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:坚强智能电网,自愈控制,优化,自动恢复
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 智能电网发展概况 1
1.2 自愈控制发展概况 2
1.3 国内外研究现状 3
1.4 本文主要工作 3
第2章 智能电网中的潮流计算 4
2.1 自愈控制与潮流计算的关联 4
2.2 复杂电力系统的潮流计算 4
2.3 牛顿-拉夫逊法 4
2.4 智能电网潮流计算步骤 6
第3章 基于粒子群优化算法的自愈控制 11
3.1 粒子群优化算法介绍 11
3.2 自愈控制中的优化控制介绍 14
3.3 算例的介绍 15
第4章 MATLAB程序设计及结果分析 19
4.1 MATLAB简介 19
4.1.1 MATLAB简介 19
4.1.2 MATLAB的特点 19
4.2 智能电网网损优化程序流程图 22
4.3 通过粒子群算法对智能电网网损优化的MATLAB仿真实现 23
4.4 程序结果分析 24
第5章 论文总结与展望 26
参考文献 27
致 谢 29
附 录 30
MATLAB源程序 30
毕 业 设 计（英文翻译） 39
一、英文原文 40
二、中文翻译 44
第1章 绪论
1.1 智能电网发展概况
在这个飞速发展的时代，无论是日常生活，工业生产，国防工程都一刻离不开稳定持续的供电。看似轻微短暂的停电，小则造成老百姓日常生活的极大不便，重则造成重大经济损失，甚至会导致各行各业陷入一片瘫痪。为此，一个可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的电网成为了我们稳定发展和生活中的不可缺少的一环。
因此，可想而知，智能电网对人们日常生活的意义是极其的重要。
建设智能电网对我国电网发展的重大意义主要归结为以下的5点：
（1）日常所用的电能的可靠性和电能质量将因为电网的智能化而得到大大的提高。
（2）电力设备、人身和网络安全等方面将因为智能电网的自愈和自动保护而得到很好的保障。这主要归功于智能电网拥有对自身持续自我监测的能力，并且能够在可能危及其可靠性以及人身与设备安全的情况将要发生前提前做出预判，并能够及时做出相应的应急对策来应对紧急情况，从而使得充分地保障了系统的安全稳定运行。
（3）智能电网的高效和智能分配的优点可以大大提高能源利用效率。电网的智能化可以通过引导终端用户与电力公司进行互动，通过信息通信和自动控制技术完成对需求侧的管理，同时可以大大降低峰荷需求，极大地减少了能源使用总量和能量损失，对生态环保和提高资源利用效率具有重要意义。
（4）智能电网的形成将对环境保护和可持续发展做出不少贡献。智能电网之所以公认为“绿色环保”。这主要是因为智能电网本身支持分布式可再生能源的无缝接入以及鼓励电动车辆等的推广和使用，从而减少燃油发动机的使用以达到大量减少温室气体的排放的目的。
（5）智能电网的形成还将带来大量直接经济效益。首先，智能电网的智能化将会使得电网处于最经济最高效的运行方式。智能电网除了自身所带来的包括削减运行费用和提高资产利用率等直接经济效益外，其科技技术的综合性极高，涉及到各方各面的技术，因此它还能振兴国民经济，带动众多产业联合发展，并为解决就业问题贡献出一份力量。如今，各大企业家已经开始加快把新技术引进到电能的生产、分配、存储和应用当中去，这为许多相关的电子信息，仪器仪表类等科技行业提供了广大的市场空间。
1.2 自愈控制发展概况
自愈控制主要是解决“供电不间断的问题”，也就是在无需或仅需少量人为干预情况下，监测电网的实时运行状态，预测电网运行状态，及时发现、快速诊断和消除故障隐患。具有自愈能力的智能配电网将具有更高的供电可靠性、更高的电能质量、支持大量的分布式电源的接入、支持用户能源管理（需求侧管理）、提高电网资产利用率、对配电网及其设备进行可视化管理、实现配电网设备管理、生产管理的自动化、信息化。
智能配电网较传统配电网更加坚强并具有更大的“弹性”，可以有效抵御自然灾害及外力破坏等突发事件给电力系统造成的影响，而这都是因为其拥有强大的“自愈”功能，而这个自愈就是智能配电网最重要的特征。从本质上讲，自愈是智能配电网的“免疫系统”。
目前，国内外学者都在积极探讨具有自愈能力的电网架构、自愈控制体系及控制策略，但是这些研究还未形成统一的系统理论，也没有针对智能配电网展开自愈控制的研究[7]。
1.3 国内外研究现状
美加大停电之后，美国电科院启动了Advanced Distribution Automation（ADA）项目，计划在10~20年内完成智能配电网工程IDG（Intelli-D-Grid）。智能配电网发展目标：
（1）电网自愈，以及顾客与电网的自适应交互，这是最突出的特点，故简称其为自愈电网（SHG）；
（2）故障预测，而不只是对紧急情况作出反应；
（3）运行优化，以使资源和设备得到最好的应用。
为了实现上述目标，针对城市和密集负荷区主要研究和解决一下问题：
（1）研究配电网与分布电源的一体化；
（2）提高可靠性和电能质量；
（3）缩短停电恢复时间；
（4）研究配电网与用户侧系统的协调（互动）；
（5）降低运行费用；
（6）为用户提供更多的用电选择。
项目所涉及技术领域有：
（1）设计新的智能电子设备（IED）；
（2）研究低成本多功能的静态开关设备；
（3）研究智能传感器和监视系统；
（4）研究故障预测系统。
而根据我国城市配电网的现状，我国城市城市配电网自愈控制方法主要如下：根据城市配电网所处的运行状态，实施相应的控制，使城市配电网从当前运行状态向一种更好的运行状态转移。
1.4 本文主要工作
本课题拟在系统学习智能电网相关技术的基础上，针对智能电网自愈控制的实际需求，研究智能电网自愈控制体系、方法和技术，并针对智能电网中自愈控制中的优化控制进行研究分析仿真与试验技术。在本文中，是一个基于粒子群优化算法的对电网最低网损的优化研究，利用matlab编制程序，完成仿真计算，并对结果进行分析。
第2章 智能电网中的潮流计算
2.1 自愈控制与潮流计算的关联
在自愈控制中，有优化控制、预防控制、紧急控制、恢复控制，而在本文的自愈控制中，主要是做了对配电网网损的优化控制，并且将最低网损作为我们优化的目标函数。而要完成网损值的计算，则要对电网进行潮流计算才可以快速和准确地计算出电网的网损值。
2.2 复杂电力系统的潮流计算
电力系统潮流是描述电力系统运行状态的一般术语。它可以分为电力系统的静态潮流、动态潮流等。所谓静态潮流是指电力系统的运行状态是稳态的，在一个时间断面上，计算过程中所有状态变量是不随时间而变化的常量。
电力系统潮流是指系统中所有运行变量或参数的总体，它包括各个节点（母线）电压的大小和相位、各个发电机和负荷的功率及电流以及各个线路和变压器等元件所通过的功率、电流和其中的损耗。电力系统潮流计算是电力系统规划、设计和运行中最基本和最经常的计算，其任务是根据给定的有功负荷、无功负荷，发电机发出的有功功率及发电机节点电压有效值，计算出系统中其他节点的电压、各条支路中的功率以及功率损耗等。
因为电力系统可以用等值电路模拟，所以潮流计算的基础是电路计算。所不同的是，在电路计算中，给定的量是电压和电流，而在潮流计算中，给定的量是电压和功率，而不是电流。因此必须以电流为桥梁建立起电压和功率之间的关系，并直接应用电压和功率进行潮流计算。
（1） 判断系统中所有的母线（或节点）电压是否在允许的范围内。
（2） 判断系统中所有元件（如线路、变压器等）有没有出现过负荷。甚至当系统结线发生改变（如因为元件检修等原因）时，有无过负荷现象。
（3） 作为电力系统其它计算的基础，比如电力系统稳定的计算[2]。
2.3 牛顿-拉夫逊法
牛顿-拉夫逊法是一种求解非线性方程的数值解法，由于便于编写程序用计算机求解，应用较广。
下面以一元非线性代数方程的求解为例，来说明牛顿-拉夫逊法的基本思想。
设欲求解的非线性代数方程为
(2.1)
设方程的真实解为 ，则必有 。用牛顿-拉夫逊法求方程真实解 的步骤如下：
首先选取余割合适的初始估值x0作为方程f(x)=0的解，若恰巧有f(x0)=0，则方程的真实解即为 = 若 ，则做下一步。
取 为第一次的修正估值，则
(2.2)
其中 为初始估值的增量，即 。
设函数 具有任意阶导数，即可将上式在x°的邻域展开为泰勒级数，即： (2.3)
若所取的|Δx0|足够小，则含(Δx0)2的项及其余的一切高阶项均可略去，并使其等于零，即：
(2.4)
故得 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2.5)
从而 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (2.6)
可见，只要 ，即可根据上式求出第一次的修正估值 ，若恰巧有 ，则方程的真实解即为 。若 ，则用上述方法由 再确定第二次的修正估值 。如此反复叠代下去，直到求得真实解 为止。
需要指出的是，用牛顿-拉夫逊法求解非线性代数方程时，巧妙地设定一个合适的初始值是十分重要的，若初始值设定的合适，不但可以保证迭代收敛（即向真实值逼近），而且可使迭代次数减少。相反，若初始值设定的不合适，则不但要增加迭代次数，而且还可能迭代发散（即远离真实值）或者循环（即在真实值附近往复变化）。为解决此问题，可在叠代前先粗略画出函数 是曲线，在该曲线与 轴的焦点附近设定合适的初始估值会有裨益[9]。
2.4 智能电网潮流计算步骤
电力系统潮流计算是电力系统运行和规划中最基本和最经常的计算，其任务
是在已知某些运行参数的情况下，计算出系统中全部的运行参数，一般来说，各
个母线所供负荷的功率是已知的，各个节点电压是未知的（平衡节点除外），可
以根据网络结构形成节点导纳矩阵，然后由节点导纳矩阵和网络拓扑结构列写功
率方程，由于功率方程里功率是已知的，电压的幅值和相角是未知的，这样潮流
计算的问题就转化为求解非线性方程组的问题了。为了便于用迭代法解方程组，
需要将上述功率方程改写成功率平衡方程，并对功率平衡方程求偏导，得出对应
的雅可比矩阵，给未知节点赋电压初值，一般为额定电压，将初值带入功率平衡
方程，得到功率不平衡量，这样由功率不平衡量、雅可比矩阵、节点电压不平衡
量（未知的）构成了误差方程，解误差方程，得到节点电压不平衡量，节点电压
加上节点电压不平衡量构成新的节点电压初值，将新的初值带入原来的功率平衡
方程，并重新形成雅可比矩阵，然后计算新的电压不平衡量，这样不断迭代，不
断修正，一般迭代三到五次就能收敛。
牛顿一拉夫逊（简称牛顿法)在数学上是求解非线性代数方程式的有效方法。
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