智能配电网的自愈优化控制
智能配电网的自愈优化控制[20191215170332]
摘 要
随着电力工业的继续发展，在国民经济中电力工业的比重越来越大，智能电网这词渐渐被大多数人知晓。在现代电力建设中，不仅是要求有足够的电能，更要求有更高的电能质量，而这些保证来源于坚强的电力网络。所谓坚强的电网是指电网在遇到干扰或大功率负荷接入或断开时，电网能保证其他用户不受此影响[1]。智能电网不仅在自愈方面有突出优势，在电网快速仿真并建立优化运行区也有显著优势。
智能电网的自愈控制是指电网正常运行下的自我调整和故障时的自我恢复[2]。本文正是从智能电网正常时的自我调整出发，以IEEE14节点为模型，在Matlab上对模型进行了牛顿拉夫逊潮流计算，在确定其初始运行区正常的情况下，对电网自愈实行优化。在优化算法上，本文没有采取传统的穷举算法，因为考虑到发电机端电压调整为连续变量，不适合对其电压变量进行穷举，因此利用了现代人工智能算法中的“粒子群”算法实行了自愈优化，并实现了以最小网络损耗、节点电压越界和发电机无功出力越界三者的加权函数为目标的最优运行区，体现了智能配电网的自愈优化控制。仿真结果显示通过更改电网配置， 的综合损耗有所减小，表明 成功地将电网从正常运行区转移到了优化运行区，实现了研究目标，同时也验证了粒子群算法在智能配电网自愈优化控制中的有效性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:智能配电网；牛顿拉夫逊；粒子群算法；自愈控制
目 录
摘 要 I
ABSTRACT 2
第1章绪论 1
1.1问题的提出及研究意义 1
1.1.1问题提出 1
1.1.2 研究的意义 1
1.2智能电网中自愈优化控制概述 2
1,2,1智能电网概述 2
1.2.2自愈优化控制概述 2
1.3国内外研究现状 3
1.4本文主要研究内容 4
第二章 电力系统潮流计算 5
2.1数学模型 5
2.1.1导纳矩阵的原理及计算方法 5
2.1.2潮流计算的基本方程 8
2.1.3电力系统节点分类 10
2.1.4潮流计算的约束条件 12
2.2牛顿-拉夫逊概述 13
2.2.1牛顿-拉夫逊法基本原理 13
2.2.2牛顿-拉夫逊潮流计算过程 15
2.2.3牛顿-拉夫逊法的程序流程图 20
第三章 基于粒子群算法的自愈优化控制 21
3.1粒子群算法基本原理 21
3.2自愈优化控制 23
3.2.1自愈优化控制数学模型 23
3.2.2粒子群算法求解自愈优化控制的过程 23
3.2.3算法在自愈优化控制中的参数选取 25
第四章 算例及结果分析 26
4.1模型图样及模型解读 27
4.1.1模型图样 27
4.1.2模型解读 27
4.2模型数据 28
4.3运行结果及结果分析 29
4.3.1IEEE14节点模型初始潮流计算结果 29
4.3.2结果分析 30
4.3.3粒子群算法结果 30
4.3.4结果分析 31
第五章 论文总结及展望 32
5.1论文总结 32
5.2论文不足之处 33
5.3今后研究方向 34
参考文献 35
致 谢 35
附录 39
一、英文原文 39
二、英文翻译 47
第1章 绪论
1.1问题的提出及研究意义
1.1.1问题提出
在现代电网研究中，随着智能电网的发展，越来越多的人开始了对智能电网自愈控制的研究，力图建立一个坚强的电力网络。国内智能电网研究起步相对较晚，相比于其他发达国家有明显的落后，电力网络不够坚强，经济性较差，环境友好度不够。在电能质量上，能满足一般负荷的使用情况，但是在电能质量要求高的负荷上，往往需要对电能进行二次优化甚至三次优化。而且在电能输送过程中，输电线路上的越占总损耗的百分之六十以上[3]。如何减小电网损耗，实现以最小网络损耗为目的的最优运行区，成为了众多人研究的方向。在智能电网中，也需要电网在遇到特殊情况时能进行快速仿真并实现自愈。因此在这次毕业设计中，我对 算法进行了研究。
1.1.2 研究的意义
本文以IEEE14节点模型为研究对象，以Matlab为工具，实现了IEEE14节点模型的牛顿拉夫逊潮流计算，并在此基础上，通过设置 、电容补偿器和 为控制变量， 、 、 和网络损耗为状态变量实现了对配电网络的软件仿真和优化控制，并利用现代人工智能算法中的粒子群算法进行优化控制实现。本次研究不仅有利于自己对配电网络运行方式的理解，深入了解智能电网自愈控制模式和运行机理，对于掌握电网相关理论知识有很大作用，而且也对智能算法有了较深入的理解， 和遗传算法、 、 等现代人工智能算法有很多相似之处，驾驭了粒子群算法也有利于对其他 的掌握。
1.2智能电网自愈优化控制概述
1.2.1智能电网概述
智能电网是工业上近三十年的开发成果,智能电网和传统的电网相比，它具有自愈性，电能质量也较高，安全性也较好，并且支持用户互动，同时智能电网对资源的利用率高，在用电管理上和配电信息处理上均采用信息化[4]。
与发达国家相比，我国开始在稍后的时间，智能电网的研究，以及在中国的电网结构的考虑和能源利用的状况，提出了“大目标的坚强智能电网”。国家电网计划分三步走战略逐步推动电网建设。2009~2010年作为电网建造的首个阶段，也称为试点计划阶段，这个阶段的工作重点是对电网的开发进行计划，研究技术和治理准则；2011~2015年为电网建造的第二个阶段，也称电网全面建造阶段，该阶段主要是高压电网建设和城乡配电网建设，智能电网运行控制和服务体系初具规模，关键技术也得到突破和应用；2016~2020年为电网建设的提升阶段，该阶段要求建设全面统一的坚强电网，相关技术和设备达到领先国家水平，在分布电源上实现“即插即用”并普及智能电表的使用[5]。
在智能电网建设中，逐渐形成了智能电网建设的三大目标，即安全可靠、优质高效和灵活互动。智能电网工程建设的工作重点主要是电网网络架构的建设和改造、配电的自动化和信息化、分布电源的接入与控制等。为了适应现代用户对电能质量的要求和优质的配电服务以及满足分布式电源的无扰接入，国内智能电网的发展还有很大的提升空间。
在现代社会中，新能源的不断涌现，不断融合的新技术和保护环境的呼声日益高涨，智能电网已成为现代工业发展的必然要求。为了迎接新的挑战，智能电网的发展成为了世界各国的必然抉择。对中国来说，中国处于快速发展阶段，新兴能源产业还不够成熟，传统能源压力巨大，发展智能电网的也将显得尤为关键和重要[6]。
1.2.2自愈优化控制概述
建筑智能化的配电网络，以实现电力 的安全稳定 ， 和可靠性，以及经济环境成为现代智能电网自愈控制的特点。智能配电网络的进一步发展，结构优化，功能集成，协调预警，分布式电源，故障自愈，相互作用，对可持续的电能供应有着极为重要的意义
根据不同的配电系统运行状态，自愈控制策略目标和控制将是完全不同的，自愈控制的运行状态可分为 、正常运行状态和 故障三种情况[7]。首先，若 下，那么 的自愈优化控制的目标就是在此正常条件下，在满足系统安全稳定性的前提下，对电网结构进行 ，通过改变电网参数或进行无功补偿或发电机端电压的调整，来减小网络损耗，也可以接入新能源，来改善电网运行状况，提高电能资源的利用率，电网因此从正常运行区转移到优化运行区，此称为电网正常运行时的自我调整；其次，若电网故障出现在控制区域里面，那么自愈控制就是要求电网能快速切断故障点，将故障与正常区域隔离，并且判断出故障类型和故障位置，迅速采用相关措施来消除因故障造成的影响并维持正常区域的正常供电；最后，若电网故障发生在电网控制区域外部，并且故障严重或属于不可逆的故障时，自愈控制就应该断开与外部电网的链接，并使用备用电源和相应的储能装置维持内部电网的正常运行，外部电网则是在其恢复功能后再行接入[8]。
1.3国内外研究现状
智能电网的发展有利于保障能源安全、提高能源的利用率、改变能源的结构，同时在提升产业服务水平上也具有重要作用[9]。因而发达国家对智能电网的研究起步较早，并将其纳入国家能源战略而高度重视。由于起步较早，一直是欧洲和美国形成了一个强大的研究组。而国内却很少有这样强大的研究机构和研究计划。美国由于掌握着智能电网研究的核心技术，对信息化技术有着充分的使用和发挥因此美国在智能电网研究上想实现智能系统对人工的替代。智能电网的研究方向还有新能源的引入，在这个研究领域，美国已率先将海浪发电投入到智能电网的使用上，韩国则拥有最大的生物气体发电，还有风力发电[10]。
我国智能电网自愈控制研究起步较晚，但是其核心技术已经掌握，如信息化技术、动态测量技术和智能计算技术，也已逐步开始全面推行智能电网自愈性建设。但是在智能电网发展过程中，始终存在电气设备利用率低、供电可靠性不高、线损率高等问题[11]。最近这些年来，国内开始加大了对电网城市电网建造的投入，城市电网规模在不断扩大，城乡电网建设也逐渐向信息化和 发展，电网的智能程度也在不提高，电网架构稳定性也在逐渐变得坚强[12]。但是随着对新能源的开发和新技术的突破，电网一方面变得坚固和智能，但同时其运行与控制保护面临许多前所未有的挑战，如大量DG接入后的电压越界问题[13]。即便是有如此诸多的挑战，国家已将智能电网的自愈优化控制列入国家高新技术研究计划并引入许多国外先进技术和设备，以便更好地进行智能电网的自愈建设。
1.4本文主要研究内容
在电网自愈控制概述中，本文已经阐述了配电网自愈控制的三个方面，分别是电网正常运行下的自我调整、控制区域内故障的自我恢复和控制区域外故障的自动隔离。本文选择的研究方向是配电网正常运行状态下的自我调整、自我优化，也称配电网的自愈优化控制。本文研究的内容是在电网网络参数给定，分布式能源足够充足，不考虑设备费用的情况下，即保证各节点电压满足要求，又使网络综合损耗达到最小。其中，综合损耗在本文中的定义为配电网络有功损耗、节点电压越界和发电机无功出力越界三者的加权函数。为了体现智能配电网自愈优化控制的智能化，在搜索最优配置的算法中，本文采用了现代人工智能算法中的粒子群算法，并以牛顿-拉夫逊法为工具计算每一种配置对应的总网损值，电压和相角情况，通过网络综合损耗的比较，找到电网运行的最优区域，实现了对 的仿真研究。第二章 电力系统潮流计算
2.1数学模型
2.1.1导纳矩阵的原理及计算方法
一、自导纳和互导纳的确定方法
根据电路理论相关知识，电力系统可写成如下的节点电压方程：
(2-1)
式中， 为注入节点的电流向量，由电路理论知识可知，电流是有正负之分的矢量，其正负定义为，当电流为流入节点时，电流为正，当电流为流出节点时，电流为负。所以若节点为电源时，则可知其电流为流出，因而为负，而负荷节点，电流方向和电压方向关联，即电流为流进，因而其电流为负。 为节点电压列向量，由于所有节点的电压矢量均是相对于参考节点而言的，因而在电力系统数学模型中，需要设置参考节点。而在电力系统数学模型中，默认的都是选取地为参考点。假如某个网络无接地支路，此时就需要设定某一节点为参考点。若电力系统中除开参考节点，其节点数为n，则 ， 均为n*1列向量。 为n*n阶节点导纳矩阵。
摘 要
随着电力工业的继续发展，在国民经济中电力工业的比重越来越大，智能电网这词渐渐被大多数人知晓。在现代电力建设中，不仅是要求有足够的电能，更要求有更高的电能质量，而这些保证来源于坚强的电力网络。所谓坚强的电网是指电网在遇到干扰或大功率负荷接入或断开时，电网能保证其他用户不受此影响[1]。智能电网不仅在自愈方面有突出优势，在电网快速仿真并建立优化运行区也有显著优势。
智能电网的自愈控制是指电网正常运行下的自我调整和故障时的自我恢复[2]。本文正是从智能电网正常时的自我调整出发，以IEEE14节点为模型，在Matlab上对模型进行了牛顿拉夫逊潮流计算，在确定其初始运行区正常的情况下，对电网自愈实行优化。在优化算法上，本文没有采取传统的穷举算法，因为考虑到发电机端电压调整为连续变量，不适合对其电压变量进行穷举，因此利用了现代人工智能算法中的“粒子群”算法实行了自愈优化，并实现了以最小网络损耗、节点电压越界和发电机无功出力越界三者的加权函数为目标的最优运行区，体现了智能配电网的自愈优化控制。仿真结果显示通过更改电网配置， 的综合损耗有所减小，表明 成功地将电网从正常运行区转移到了优化运行区，实现了研究目标，同时也验证了粒子群算法在智能配电网自愈优化控制中的有效性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:智能配电网；牛顿拉夫逊；粒子群算法；自愈控制
目 录
摘 要 I
ABSTRACT 2
第1章绪论 1
1.1问题的提出及研究意义 1
1.1.1问题提出 1
1.1.2 研究的意义 1
1.2智能电网中自愈优化控制概述 2
1,2,1智能电网概述 2
1.2.2自愈优化控制概述 2
1.3国内外研究现状 3
1.4本文主要研究内容 4
第二章 电力系统潮流计算 5
2.1数学模型 5
2.1.1导纳矩阵的原理及计算方法 5
2.1.2潮流计算的基本方程 8
2.1.3电力系统节点分类 10
2.1.4潮流计算的约束条件 12
2.2牛顿-拉夫逊概述 13
2.2.1牛顿-拉夫逊法基本原理 13
2.2.2牛顿-拉夫逊潮流计算过程 15
2.2.3牛顿-拉夫逊法的程序流程图 20
第三章 基于粒子群算法的自愈优化控制 21
3.1粒子群算法基本原理 21
3.2自愈优化控制 23
3.2.1自愈优化控制数学模型 23
3.2.2粒子群算法求解自愈优化控制的过程 23
3.2.3算法在自愈优化控制中的参数选取 25
第四章 算例及结果分析 26
4.1模型图样及模型解读 27
4.1.1模型图样 27
4.1.2模型解读 27
4.2模型数据 28
4.3运行结果及结果分析 29
4.3.1IEEE14节点模型初始潮流计算结果 29
4.3.2结果分析 30
4.3.3粒子群算法结果 30
4.3.4结果分析 31
第五章 论文总结及展望 32
5.1论文总结 32
5.2论文不足之处 33
5.3今后研究方向 34
参考文献 35
致 谢 35
附录 39
一、英文原文 39
二、英文翻译 47
第1章 绪论
1.1问题的提出及研究意义
1.1.1问题提出
在现代电网研究中，随着智能电网的发展，越来越多的人开始了对智能电网自愈控制的研究，力图建立一个坚强的电力网络。国内智能电网研究起步相对较晚，相比于其他发达国家有明显的落后，电力网络不够坚强，经济性较差，环境友好度不够。在电能质量上，能满足一般负荷的使用情况，但是在电能质量要求高的负荷上，往往需要对电能进行二次优化甚至三次优化。而且在电能输送过程中，输电线路上的越占总损耗的百分之六十以上[3]。如何减小电网损耗，实现以最小网络损耗为目的的最优运行区，成为了众多人研究的方向。在智能电网中，也需要电网在遇到特殊情况时能进行快速仿真并实现自愈。因此在这次毕业设计中，我对 算法进行了研究。
1.1.2 研究的意义
本文以IEEE14节点模型为研究对象，以Matlab为工具，实现了IEEE14节点模型的牛顿拉夫逊潮流计算，并在此基础上，通过设置 、电容补偿器和 为控制变量， 、 、 和网络损耗为状态变量实现了对配电网络的软件仿真和优化控制，并利用现代人工智能算法中的粒子群算法进行优化控制实现。本次研究不仅有利于自己对配电网络运行方式的理解，深入了解智能电网自愈控制模式和运行机理，对于掌握电网相关理论知识有很大作用，而且也对智能算法有了较深入的理解， 和遗传算法、 、 等现代人工智能算法有很多相似之处，驾驭了粒子群算法也有利于对其他 的掌握。
1.2智能电网自愈优化控制概述
1.2.1智能电网概述
智能电网是工业上近三十年的开发成果,智能电网和传统的电网相比，它具有自愈性，电能质量也较高，安全性也较好，并且支持用户互动，同时智能电网对资源的利用率高，在用电管理上和配电信息处理上均采用信息化[4]。
与发达国家相比，我国开始在稍后的时间，智能电网的研究，以及在中国的电网结构的考虑和能源利用的状况，提出了“大目标的坚强智能电网”。国家电网计划分三步走战略逐步推动电网建设。2009~2010年作为电网建造的首个阶段，也称为试点计划阶段，这个阶段的工作重点是对电网的开发进行计划，研究技术和治理准则；2011~2015年为电网建造的第二个阶段，也称电网全面建造阶段，该阶段主要是高压电网建设和城乡配电网建设，智能电网运行控制和服务体系初具规模，关键技术也得到突破和应用；2016~2020年为电网建设的提升阶段，该阶段要求建设全面统一的坚强电网，相关技术和设备达到领先国家水平，在分布电源上实现“即插即用”并普及智能电表的使用[5]。
在智能电网建设中，逐渐形成了智能电网建设的三大目标，即安全可靠、优质高效和灵活互动。智能电网工程建设的工作重点主要是电网网络架构的建设和改造、配电的自动化和信息化、分布电源的接入与控制等。为了适应现代用户对电能质量的要求和优质的配电服务以及满足分布式电源的无扰接入，国内智能电网的发展还有很大的提升空间。
在现代社会中，新能源的不断涌现，不断融合的新技术和保护环境的呼声日益高涨，智能电网已成为现代工业发展的必然要求。为了迎接新的挑战，智能电网的发展成为了世界各国的必然抉择。对中国来说，中国处于快速发展阶段，新兴能源产业还不够成熟，传统能源压力巨大，发展智能电网的也将显得尤为关键和重要[6]。
1.2.2自愈优化控制概述
建筑智能化的配电网络，以实现电力 的安全稳定 ， 和可靠性，以及经济环境成为现代智能电网自愈控制的特点。智能配电网络的进一步发展，结构优化，功能集成，协调预警，分布式电源，故障自愈，相互作用，对可持续的电能供应有着极为重要的意义
根据不同的配电系统运行状态，自愈控制策略目标和控制将是完全不同的，自愈控制的运行状态可分为 、正常运行状态和 故障三种情况[7]。首先，若 下，那么 的自愈优化控制的目标就是在此正常条件下，在满足系统安全稳定性的前提下，对电网结构进行 ，通过改变电网参数或进行无功补偿或发电机端电压的调整，来减小网络损耗，也可以接入新能源，来改善电网运行状况，提高电能资源的利用率，电网因此从正常运行区转移到优化运行区，此称为电网正常运行时的自我调整；其次，若电网故障出现在控制区域里面，那么自愈控制就是要求电网能快速切断故障点，将故障与正常区域隔离，并且判断出故障类型和故障位置，迅速采用相关措施来消除因故障造成的影响并维持正常区域的正常供电；最后，若电网故障发生在电网控制区域外部，并且故障严重或属于不可逆的故障时，自愈控制就应该断开与外部电网的链接，并使用备用电源和相应的储能装置维持内部电网的正常运行，外部电网则是在其恢复功能后再行接入[8]。
1.3国内外研究现状
智能电网的发展有利于保障能源安全、提高能源的利用率、改变能源的结构，同时在提升产业服务水平上也具有重要作用[9]。因而发达国家对智能电网的研究起步较早，并将其纳入国家能源战略而高度重视。由于起步较早，一直是欧洲和美国形成了一个强大的研究组。而国内却很少有这样强大的研究机构和研究计划。美国由于掌握着智能电网研究的核心技术，对信息化技术有着充分的使用和发挥因此美国在智能电网研究上想实现智能系统对人工的替代。智能电网的研究方向还有新能源的引入，在这个研究领域，美国已率先将海浪发电投入到智能电网的使用上，韩国则拥有最大的生物气体发电，还有风力发电[10]。
我国智能电网自愈控制研究起步较晚，但是其核心技术已经掌握，如信息化技术、动态测量技术和智能计算技术，也已逐步开始全面推行智能电网自愈性建设。但是在智能电网发展过程中，始终存在电气设备利用率低、供电可靠性不高、线损率高等问题[11]。最近这些年来，国内开始加大了对电网城市电网建造的投入，城市电网规模在不断扩大，城乡电网建设也逐渐向信息化和 发展，电网的智能程度也在不提高，电网架构稳定性也在逐渐变得坚强[12]。但是随着对新能源的开发和新技术的突破，电网一方面变得坚固和智能，但同时其运行与控制保护面临许多前所未有的挑战，如大量DG接入后的电压越界问题[13]。即便是有如此诸多的挑战，国家已将智能电网的自愈优化控制列入国家高新技术研究计划并引入许多国外先进技术和设备，以便更好地进行智能电网的自愈建设。
1.4本文主要研究内容
在电网自愈控制概述中，本文已经阐述了配电网自愈控制的三个方面，分别是电网正常运行下的自我调整、控制区域内故障的自我恢复和控制区域外故障的自动隔离。本文选择的研究方向是配电网正常运行状态下的自我调整、自我优化，也称配电网的自愈优化控制。本文研究的内容是在电网网络参数给定，分布式能源足够充足，不考虑设备费用的情况下，即保证各节点电压满足要求，又使网络综合损耗达到最小。其中，综合损耗在本文中的定义为配电网络有功损耗、节点电压越界和发电机无功出力越界三者的加权函数。为了体现智能配电网自愈优化控制的智能化，在搜索最优配置的算法中，本文采用了现代人工智能算法中的粒子群算法，并以牛顿-拉夫逊法为工具计算每一种配置对应的总网损值，电压和相角情况，通过网络综合损耗的比较，找到电网运行的最优区域，实现了对 的仿真研究。第二章 电力系统潮流计算
2.1数学模型
2.1.1导纳矩阵的原理及计算方法
一、自导纳和互导纳的确定方法
根据电路理论相关知识，电力系统可写成如下的节点电压方程：
(2-1)
式中， 为注入节点的电流向量，由电路理论知识可知，电流是有正负之分的矢量，其正负定义为，当电流为流入节点时，电流为正，当电流为流出节点时，电流为负。所以若节点为电源时，则可知其电流为流出，因而为负，而负荷节点，电流方向和电压方向关联，即电流为流进，因而其电流为负。 为节点电压列向量，由于所有节点的电压矢量均是相对于参考节点而言的，因而在电力系统数学模型中，需要设置参考节点。而在电力系统数学模型中，默认的都是选取地为参考点。假如某个网络无接地支路，此时就需要设定某一节点为参考点。若电力系统中除开参考节点，其节点数为n，则 ， 均为n*1列向量。 为n*n阶节点导纳矩阵。
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