（電氣工程專業(yè)論文）基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化.pdf

浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 摘要 由于配電網(wǎng)中裝設(shè)了大量的電容器進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化來(lái)降低網(wǎng)損，但在諧波頻率下，容 易產(chǎn)生系統(tǒng)與電容器之間的諧波諧振或諧波放大，從而使系統(tǒng)的諧波畸變率變大，破壞 了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了諧波畸變情況下對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化規(guī) 劃的模型，給出了用遺傳算法進(jìn)行求解的具體步驟并通過(guò)靈敏度方法對(duì)遺傳算法進(jìn)行了 改進(jìn)。結(jié)果表明：所提出的模型使得電網(wǎng)在滿足電壓和諧波標(biāo)準(zhǔn)約束的情況下，經(jīng)濟(jì)性 能得到優(yōu)化，同時(shí)改進(jìn)后的遺傳算法大大加快了遺傳過(guò)程的進(jìn)化速度，說(shuō)朋了改進(jìn)方法 的有效性。 ： 本文以勝利油田孤島采油廠孤四管理區(qū)配電網(wǎng)為研究背景，以孤島油田配電網(wǎng)絡(luò)實(shí) 際運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，結(jié)合配網(wǎng)自動(dòng)化管理系統(tǒng)軟件的研制，采用v i s u a lb a s i c 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)無(wú) 功優(yōu)化軟件模塊。通過(guò)在孤四區(qū)配電網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用，證明該無(wú)功優(yōu)化模塊具有一定的實(shí) 用性。 關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)絡(luò)，無(wú)功優(yōu)化，遺傳算法，諧波，靈敏度 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 a b s t r a c t i nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m ，m a n yc a p a c i t o rb a n k sa r ea p p l i e dt od e c r e a s et h e l o s so ft h en e t w o r k t h eh a r m o n i cr e s o n a n c em a yb ei n c u r r e db e t w e e nt h en e t w o r k a n dt h ec a p a c i t o rb a n k si nt h eh a r m o n i cf r e q u e n c y ，t h u st h es e c u r i t yo ft h es y s t e m m a yb ed e s t r o y e db e c a u s eo ft h eh i g hh a r m o n i cd i s t o r t i o nl e v e l t oh a n d l et h i s p r o b l e m ，t h e a t h e m a t i c a lm o d e lo fd i s t r i b u t i o no p t i m a lo p e r a t i o nw a ss e tu pi n t h ep a p e r as p e c i f i cm e t h o dn a m e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，w h i c hw a sr e f i n e db yt h e s e n s i t i v i t ym e t h o d sa p p l i e di nt h em o d e l i ns h o r t ，t h es y s t e mp o w e rl o s sa n d h a r m o n i cd i s t o r t i o na r em i n i m i z e d ，w h i l eb e i n gs a t i s f i e dt h ev o l t a g ea m p l i t u d e c o n s t r a i n t sa n dh a r m o n i cc o n s t r a i n t s ，a n dt h ee c o n o m i c a le f f e c ti sb e t t e r t h e r e s u l t sp r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h er e f i n e dm e t h o da n d t h es p e e d6 ft h eg e n e t i c a l g o r i t h mi n c r e a s e dg r e a t l y t h i sa r t i c l et a k eg u s ia d m i n i s t r a t i v ed i s t r i c td i s t r i b u t i o nn e t w o r ko f s h e n g l io i lf i e l dg u d a oe x t r a c t i o nf a c t o r ya st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t a k et h e o i lf i e l dp o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka c t u a lm o v e m e n ts i t u a t i o na sf o u n d a t i o n ， t i e st h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ks y s t e ma u t o m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e ms o f t w a r e ， u s e sv i s u a lb a s i cd e v e l o p e dv a ro p t i m i z a t i o ns o f t w a r em o d u l e t h r o u g hi nt h eg u s i a r e ad i s t r i b u t i o nn e t w o r kp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，p r o v e dt h e c a ro p t i m i z a t i o n r 1 0 d u l eh a sc e r t a i nu s a b i l i t y k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，v a ro p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca i g o r i t h m s ， h a r m o n i c ，s e n s i t i v i t ym e t h o d 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 1 1 課題的提出 第一章緒論 近幾年來(lái)，油田地面生產(chǎn)系統(tǒng)圍繞供電系統(tǒng)開(kāi)展節(jié)能降耗工作，以節(jié)電為重點(diǎn)進(jìn)行 節(jié)能改造，油氣地面工程技術(shù)水平取得了進(jìn)步，在某些方面達(dá)到和接近國(guó)際先進(jìn)水平， 但整體上我國(guó)油氣地面工程技術(shù)水平與國(guó)外相比有較大差距，與國(guó)內(nèi)的領(lǐng)先水平相比也 有一定距離，表現(xiàn)在能耗高、用人多，國(guó)內(nèi)技術(shù)水平比較先進(jìn)的油田，其噸油生產(chǎn)總能 耗也是國(guó)外類似油田的1 8 倍。 勝利油田有限公司孤島采油廠孤四管理區(qū)管轄孤島油田中部8 套開(kāi)發(fā)層系，1 9 7 1 年 開(kāi)始開(kāi)發(fā)，是年產(chǎn)油量近百萬(wàn)噸的老油區(qū)，屬于稠油油田，原油密度為0 9 6 7 ，5 0 原油 粘度為9 7 8 2 m p a s ，1 9 7 3 年開(kāi)始產(chǎn)油，目前已進(jìn)入特高含水開(kāi)發(fā)階段，綜合含水已高達(dá) 9 1 。近年來(lái)，孤四生產(chǎn)管理區(qū)根據(jù)各個(gè)區(qū)塊的油藏地質(zhì)特性和油品性質(zhì)的不同，分別 采用了注聚開(kāi)發(fā)、注水開(kāi)發(fā)和注蒸汽開(kāi)發(fā)等多種采油工藝，稠油熱采和注聚開(kāi)采量已占 到總采出量的7 5 以上。開(kāi)采方式的變化和采出液含水的上升，造成了原油開(kāi)采的的高 能耗、高成本。 2 0 0 1 年初該區(qū)有油井4 1 4 口，開(kāi)井3 6 7 口，年產(chǎn)油量9 6 4 1 0 t ，日產(chǎn)液量2 7 6 1 4 i t ， 日產(chǎn)油量2 6 4 1 2 4 t ，綜合含水9 0 4 4 ，平均單井噸液耗能3 1 k w h t ，年耗電3 1 2 5 1 0 4 k w h ；注水系統(tǒng)現(xiàn)有孤三注、孤七注兩座注水站，管轄配水間3 4 座( 包括注聚站) 、 注水支干線2 4 k m ，2 4 6 口注水( 注聚) 井，開(kāi)井2 1 0 口，日注水量( 含注聚) 約2 7 0 0 0 m 3 d ， 注水單耗6 2 3 k w h m ，年耗電6 1 3 9 7 l c k w h ；集輸系統(tǒng)是以孤四聯(lián)為中心的集輸 管理模式，共有聯(lián)合站l 座，中轉(zhuǎn)站4 座，計(jì)量站3 5 座，擁有集輸管網(wǎng)3 5 o l k m ，集輸 系統(tǒng)冬季集輸噸油耗氣8 。8 6 n m 3 t ，年平均集輸噸油耗氣8 5 n m 3 t ，年漁耗燃?xì)? 1 9 4 x 1 0 4 m 3 ，集輸噸油耗電量4 7 k w h t ，年耗電4 5 3 1 1 0 4 k w h ；注汽系統(tǒng)2 0 0 1 年注入蒸 汽8 4 3 7 5 t ( 8 個(gè)月、平均1 4 6 5 t h ) ，噸汽耗油6 4 k g t ，噸汽耗電1 5 1 8 k w h t ，年耗燃 油5 4 0 0 t ，年耗電1 2 8 7 1 0 k w h 。 孤四區(qū)生產(chǎn)噸油總能耗9 1 0 2 8 m j ，其中機(jī)采系統(tǒng)、注水、集輸、供熱、供電系統(tǒng)的 能耗分別占總能耗的1 2 8 、2 5 2 、2 7 1 、2 6 4 、4 4 ，其他能耗占4 1 ；生產(chǎn)噸油 耗電1 2 3 7 6 k w h ，其中機(jī)采系統(tǒng)、注水、集輸、供熱、供電系統(tǒng)的能耗分別占總電能消 耗的2 6 2 、5 1 9 ，3 8 、1 1 、9 1 a 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 分析地面工程技術(shù)現(xiàn)狀，找出節(jié)能降耗的空間，有針對(duì)性的采取相應(yīng)措施，才能達(dá) 到降低成本的目的。孤四區(qū)供電系統(tǒng)的詳細(xì)現(xiàn)狀、存在問(wèn)題概括如下： 孤島采油廠孤四生產(chǎn)管理區(qū)內(nèi)6 k v 線路共1 8 條，共計(jì)8 1 5 公里，1 0 0 4 k v 配電變 壓器1 4 3 臺(tái)，總?cè)萘? 0 1 0 5 k v a 。 表卜1 孤四生產(chǎn)管理區(qū)主要耗能設(shè)備統(tǒng)計(jì)表 主要設(shè)備輔助設(shè)備 合計(jì) 項(xiàng)目 數(shù)量裝機(jī)容量數(shù)量裝機(jī)容量數(shù)量裝機(jī)容 ( 臺(tái))( k w )( 臺(tái))( k w )( 臺(tái))量( k w ) 油井電機(jī) 3 1 69 1 1 33 1 69 1 1 3 注水泵機(jī)組91 6 4 0 02 8 3 0 8 3 71 6 7 0 8 聯(lián)合站 2 1 1 6 6 02 21 5 04 31 7 5 0 注聚站 1 2 32 1 9 62 l4 0 41 4 32 6 0 0 注汽站 2 3 0 01 79 3 2 0 3 9 3 合計(jì)4 7 12 9 6 6 98 89 5 55 5 93 0 5 6 4 由上表可以看出，孤四區(qū)各類設(shè)備數(shù)量和裝機(jī)容量較大，除去停用和備用設(shè)備后， 實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備容量約為裝機(jī)容量的7 0 ，但其耗電量仍然是相當(dāng)驚人的，2 0 0 1 年全年 生產(chǎn)生活用電量為1 0 8 0 6 5 5 x1 0 4 k w h ，預(yù)計(jì)年用電遞增量為3 ，配電系統(tǒng)網(wǎng)損為1 0 左右。孤四區(qū)配電系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題： ( 1 ) 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，網(wǎng)損大，故障處理能力弱。由于油田生產(chǎn)的特殊性，油田初期 滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，供配電網(wǎng)絡(luò)邊建設(shè)邊生產(chǎn)，井口位置分散，整個(gè)管理區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不盡合理，電網(wǎng)損失較大，平均網(wǎng)損1 0 。受自動(dòng)化條件的限制，不能夠進(jìn) 行電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行，管理水平落后，電網(wǎng)故障反映時(shí)間長(zhǎng)，故障處理和恢復(fù)供電能力弱。 ( 2 ) 交壓器陳舊、損耗高。供配電系統(tǒng)中大量使用著s 7 型變壓器，損耗高，平均 負(fù)荷率低，由于使用時(shí)間較長(zhǎng)，變壓器老化嚴(yán)重，存在滲漏油的情況，事故發(fā)生率高。 ( 3 ) 配電系統(tǒng)功率因數(shù)較低、無(wú)功損耗大。由于用電設(shè)備負(fù)載率及變壓器負(fù)荷率均 較低，造成整個(gè)供配電系統(tǒng)功率因數(shù)較低，無(wú)功損較大。 ( 4 ) 電機(jī)無(wú)功損耗嚴(yán)重、工作效率較低。井口及泵站內(nèi)大部分電機(jī)均為y 系列電機(jī)， 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，負(fù)載率及效率較低，平均負(fù)載率約2 5 ，功率因數(shù)0 6 2 。 根據(jù)以上分析可以看出，網(wǎng)絡(luò)損耗大、系統(tǒng)功率因數(shù)較低是孤四區(qū)配電系統(tǒng)存在的 主要問(wèn)題。因此降低網(wǎng)損、提高電力系統(tǒng)輸電效率和電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是供電部門 面臨的實(shí)際問(wèn)題，也是電力系統(tǒng)研究的主要方向之一。特別是隨著電力市場(chǎng)的實(shí)行，供 電公司通過(guò)有效的手段，降低網(wǎng)損，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可給供電公司帶來(lái)更高的 2 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 效益和利潤(rùn)。配電網(wǎng)絡(luò)無(wú)功功率優(yōu)化和無(wú)功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究的一 個(gè)重要組成部分，通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)絡(luò)無(wú)功電源的合理配置和對(duì)無(wú)功負(fù)荷的最佳補(bǔ)償，不僅 可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，而且可以降低有功網(wǎng)損和無(wú)功網(wǎng)損， 使電力系統(tǒng)能夠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 另外，近年來(lái)油田日益廣泛地采用高技術(shù)、高效益的交直流傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)裝置逐 步由恒速的交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)改為可調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，使得油田配電系統(tǒng)中電力半導(dǎo) 體裝置日益增多。同時(shí)，油田配電系統(tǒng)中大量的電焊機(jī)、抽油機(jī)配電變壓器等非線性負(fù) 載都會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生無(wú)功和不同頻率與幅值的高次諧波，其中以電力半導(dǎo)體裝置所產(chǎn)生 的高次諧波最為嚴(yán)重，約占總諧波發(fā)生源的7 0 以上。檢測(cè)分析研究均證明，諧波會(huì)對(duì)大 量的用電設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重危害。注入電網(wǎng)的過(guò)大諧波電流，對(duì)電網(wǎng)中作為無(wú)功 補(bǔ)償主要手段的電容器影響很大，不能使其發(fā)揮對(duì)基波無(wú)功補(bǔ)償最優(yōu)的作用，還會(huì)通過(guò) 較正常數(shù)值更大的諧波電流。1 。已有研究指出，對(duì)礦物油浸潤(rùn)絕緣的電容器，在電壓總畸 變率為5 的條件下運(yùn)行二年，介損系數(shù)將提高到原來(lái)的二倍。特別是電容器的容抗隨諧 波頻率升高而下降，一旦電容器容量配置不當(dāng)，易放大諧波電流和產(chǎn)生諧振使電容器組 受到損壞腳。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有7 0 的諧波故障是發(fā)生在電容器組上。針對(duì)電力系統(tǒng)受到諧波污染日 趨嚴(yán)重的現(xiàn)狀，尋求電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償理論和實(shí)用技術(shù)，優(yōu)化無(wú)功補(bǔ)償，使其受 諧波影響最小，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。而作為無(wú) 功補(bǔ)償主要手段的電容器，在電力系統(tǒng)受到諧波污染時(shí)如何合理投運(yùn)及安全運(yùn)行，己成 為系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)和調(diào)度管理工作中日益關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題，也是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)重 要的研究課題n ，。 1 2 無(wú)功優(yōu)化的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 本課題主要由兩部分組成，基波無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃為基礎(chǔ)，然后是主要部分考慮諧波因 素的無(wú)功優(yōu)化規(guī)化?；ǖ臒o(wú)功優(yōu)化相對(duì)來(lái)說(shuō)是發(fā)展比較成熟的。下面詳細(xì)介紹一下這 兩方面的發(fā)展現(xiàn)狀。 1 2 1 基波無(wú)功優(yōu)化的情況 配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化也稱為配電網(wǎng)最優(yōu)無(wú)功調(diào)度，它可表述為在滿足配電網(wǎng)潮流約束和 電壓約束的前提下，調(diào)節(jié)可調(diào)變壓器分接頭和可投切電容器，以達(dá)到改善配電網(wǎng)中各節(jié) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 點(diǎn)的電壓水平和減少配電網(wǎng)網(wǎng)損的目的。由于配電網(wǎng)各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)或控制變量有著自身 的特點(diǎn)，如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈樹(shù)狀、支路r x 較大、一般為單電源供電等，所鉍，配電網(wǎng)的無(wú)功 優(yōu)化有其獨(dú)特的方法。配電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)動(dòng)態(tài)、多目標(biāo)、多約束、不確定性 的非線性整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，其控制變量為離散變量( 補(bǔ)償電容器組的投切組數(shù)) ，通過(guò)確定 網(wǎng)絡(luò)中新增無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的容量及安裝地點(diǎn)，以保證配電網(wǎng)正常及事故運(yùn)行方式下的電 壓質(zhì)量及穩(wěn)定性，并使規(guī)劃期內(nèi)投資及運(yùn)行費(fèi)用的總和為最小。 長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的許多專家、學(xué)者都對(duì)此進(jìn)行了大量的研究和探索工作，根據(jù)簡(jiǎn) 化措旌的不同，提出了很多方法。自2 0 世紀(jì)6 0 年代開(kāi)始，運(yùn)籌學(xué)及其分支逐漸應(yīng)用于 電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化計(jì)算中，產(chǎn)生了一系列的常規(guī)優(yōu)化算法。這些算法都是建立在精確 的數(shù)學(xué)模型和明確的約束條件之上的，通常是從某個(gè)初始點(diǎn)出發(fā)，按照一定的軌跡不斷 改進(jìn)當(dāng)前解，直到收斂于最優(yōu)解。下面主要介紹幾種常用的算法。 ( 1 ) 非線性規(guī)劃法( n o l i n e a rp l a n n i n g - n l p ) 陽(yáng)1 配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的非線性數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)的有功損耗最小。 f = m n a p ( f j ，q a ) 】 ( 卜1 ) 約束條件： k m i 。巧k 一( 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)電壓) 包一。甌包。( 網(wǎng)絡(luò)各補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)的無(wú)功投切容量) q = 0( 除p v 節(jié)點(diǎn)外的全部節(jié)點(diǎn)的無(wú)功平衡方程) 控制變量：【繞】 狀態(tài)變量：陟】 式中： k 一除變電站節(jié)點(diǎn)以外其余節(jié)點(diǎn)的電壓 幺一補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)電容器的無(wú)功投切容量 非線性規(guī)劃法源于無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題本身的非線性特征，其數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)整梯 度方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)非線性函數(shù)的處理，計(jì)算精度較高。但由于求解過(guò)程中有大量的求導(dǎo)、求 逆運(yùn)算，占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存較多，計(jì)算速度慢，收斂性差，易于陷入局部最優(yōu)解，存在“維 數(shù)災(zāi)”缺陷，而且不可以有效處理離散變量和不等式約束。非線性規(guī)劃法雖然是最早應(yīng) 罩 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 用于實(shí)踐的優(yōu)化算法，但是由于存在上述缺陷，使其只能作為輔助算法進(jìn)行局部?jī)?yōu)化計(jì) 算。目前用的比較多的主要有簡(jiǎn)化梯度法、牛頓法、共軛梯度法和二次規(guī)劃法。簡(jiǎn)化梯 度法具有一階收斂速度，對(duì)初始條件依賴性大，在向最優(yōu)點(diǎn)逼近時(shí)極易出現(xiàn)“鋸齒”現(xiàn) 象。牛頓法具有二階收劍速度，充分利用矩陣的稀疏性簡(jiǎn)化計(jì)算，但在求解海森逆矩陣 時(shí)浪費(fèi)了大量時(shí)間，計(jì)算結(jié)果不精確。共軛梯度法可以有效避免“鋸齒”現(xiàn)象和求解逆 矩陣，但只在目標(biāo)函數(shù)二次性較強(qiáng)的區(qū)域收斂速度快。二次規(guī)劃法主要針對(duì)目標(biāo)函數(shù)為 二次函數(shù)時(shí)，收斂速度比較理解，計(jì)算精度較高，可以直接處理各種約束。 ( 2 ) 線性規(guī)劃法( l i n e a rp l a n n i n g - l p ) 4 - e “ 配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化的線性數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)的有功損耗最小。 f = m i n a p ( v ，q ) 】 ( 卜2 ) 約束條件： 巧* q ，一1 0 a q , 式中： 形節(jié)點(diǎn)i 的實(shí)際電壓與允許電壓的差值，即節(jié)點(diǎn)i 電壓改變量； 以一阻抗矩陣元素； 一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)； 線性規(guī)劃法是發(fā)展最為成熟的一種方法，直接對(duì)變量和約束條件設(shè)定限制，利用泰 勒展開(kāi)，使非線性問(wèn)題在初值點(diǎn)附近轉(zhuǎn)化為線性問(wèn)題求解，收斂可靠，計(jì)算速度快，能 夠滿足實(shí)時(shí)調(diào)度對(duì)計(jì)算速度的要求，但不能有效處理離散變量問(wèn)題，由于需要多次潮流 計(jì)算，使優(yōu)化精度差，效率不高，存在“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題。線性規(guī)劃法的最典型代表就是 靈敏度分析法和內(nèi)點(diǎn)法。靈敏度分析法以靈敏度關(guān)系為基礎(chǔ)，采用對(duì)偶線性規(guī)劃法求解。 由于要對(duì)高階雅可比矩陣求逆，因此，計(jì)算工作量大，耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存，引入的簡(jiǎn) 化假定也影響了計(jì)算精度和收斂速度。內(nèi)點(diǎn)法計(jì)算速度快，精度高，具有很好的魯棒性 和收斂特性，但是如何探測(cè)和處理優(yōu)化過(guò)程中的不可行解是一個(gè)難題，為了解決這一問(wèn) 題，產(chǎn)生了內(nèi)點(diǎn)法的諸多變形，如仿射尺度法、路徑跟隨法、原一對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法和二次內(nèi)點(diǎn) 法等。后續(xù)出現(xiàn)的有求靈敏度矩陣的控制變量“攝動(dòng)法”、單純形法和對(duì)偶單純形法，由 于收斂性差，應(yīng)用不多。 ， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 ( 3 ) 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法“棚 動(dòng)態(tài)規(guī)劃是數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個(gè)分支，是研究多階段決策過(guò)程最優(yōu)解的有效方法，因其 能夠處理非線性問(wèn)題，并反映優(yōu)化過(guò)程而被引入無(wú)功優(yōu)化領(lǐng)域，產(chǎn)生了無(wú)功優(yōu)化的動(dòng)態(tài) 規(guī)劃法。該方法從動(dòng)態(tài)過(guò)程的總體進(jìn)行尋優(yōu)，按時(shí)間或空間順序?qū)?wèn)題分解為若干互相 聯(lián)系的階段進(jìn)行求解，每個(gè)階段包含一個(gè)變量，依次對(duì)每一階段做出決策，最后獲得整 個(gè)過(guò)程的最優(yōu)解。動(dòng)態(tài)規(guī)劃法可以有效地處理多變量方程和離散性問(wèn)題，通過(guò)引入“時(shí) 段”概念把非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多階段決策問(wèn)題進(jìn)行最優(yōu)化求解，對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件 無(wú)限制，收斂性好。但是該方法建模復(fù)雜，計(jì)算速度慢，存在“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題，不易在 工程上實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)的改進(jìn)措施主要在尋找更理想的降維方法及其他混合控制的方法， 并取得了一定成效。 ( 4 ) 混合整數(shù)規(guī)劃法 為了更精確地處理離散變量問(wèn)題，誕生了混合整數(shù)規(guī)劃法“”。此類算法先對(duì)離散變 量歸整為整數(shù)變量，再與線性規(guī)劃法協(xié)調(diào)處理連續(xù)變量，分兩步優(yōu)化，提高計(jì)算精度。 但是這種方法存在優(yōu)化過(guò)程過(guò)于復(fù)雜、計(jì)算量大、收斂慢、易發(fā)生振蕩、發(fā)散的缺點(diǎn)， 削弱了總體最優(yōu)性?；旌险麛?shù)規(guī)劃法中比較有代表性的是湊整數(shù)法、割平面法、分支定 界法1 和拉格朗日松弛方法。湊整數(shù)法只應(yīng)用于低維數(shù)小規(guī)模的純整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題。割 平面法由于內(nèi)嵌單純形法而收斂速度慢，僅用于小型純整數(shù)規(guī)劃。分支定界法適用于大 型的混合整數(shù)規(guī)劃，通過(guò)將原問(wèn)題分解為幾個(gè)部分來(lái)縮小可行域，加快收斂速度。拉格 朗日松弛法也適合應(yīng)用于大系統(tǒng)，但是存在對(duì)偶間隙誤差，影響計(jì)算精度。 ( 5 ) 模擬進(jìn)化法 。 自然界生物的進(jìn)化過(guò)程既不受人為控制，也不受人為因素的干擾，具有很多優(yōu)點(diǎn)可 以借鑒。因此人們基于達(dá)爾文的進(jìn)化論及孟德?tīng)柡偷聽(tīng)柛倪z傳學(xué)說(shuō)創(chuàng)立了模擬進(jìn)化法， 求解復(fù)雜的無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題。模擬進(jìn)化法屬于一類高效隨機(jī)優(yōu)化法，強(qiáng)調(diào)自適應(yīng)性，可以 有效解決多參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)優(yōu)化問(wèn)題無(wú)可微和連續(xù)的要求，具有全局收斂性、并行處 理特性、通用性及強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，可以處理非平滑、非連續(xù)、不可導(dǎo)函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。 該算法從初始點(diǎn)群出發(fā)，利用概率轉(zhuǎn)移規(guī)則引導(dǎo)搜索，可以在復(fù)雜和不確定的區(qū)域找到 全局最優(yōu)解。但計(jì)算效率較低，對(duì)初值有依賴性 遺傳算法”基于適者生存的進(jìn)化理論，通過(guò)模擬生物體的遺傳過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。 首先將優(yōu)化問(wèn)題編碼為染色體，將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為染色體的適應(yīng)函數(shù)。然后隨機(jī)產(chǎn)生一 批初始染色體，根據(jù)各染色體的適應(yīng)函數(shù)值進(jìn)行繁殖、交叉、變異等遺傳操作，產(chǎn)生下 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 一代染色體。經(jīng)過(guò)逐代遺傳，通過(guò)隨機(jī)的和結(jié)構(gòu)化的交換各染色體之間的信息，產(chǎn)生更 加優(yōu)秀的染色體，最后將這些染色體解碼還原，就可以獲得問(wèn)題的解。遺傳算法從初始 點(diǎn)沿多路徑進(jìn)行搜索，尋優(yōu)能力強(qiáng)，適用于求解大規(guī)律、多變量、多約束、非線性離散 問(wèn)題，可避免“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題，但是存在計(jì)算速度饅、處理效率低的缺點(diǎn)。雖然通過(guò)變 異算子增強(qiáng)解群的多樣性和保證全局搜索能力，但容易導(dǎo)致盲目搜索，產(chǎn)生“早熟收斂”。 進(jìn)入九十年代以后，遺傳算法作為一種新的全局優(yōu)化搜索方法，在規(guī)劃設(shè)計(jì)、組合 優(yōu)化，機(jī)器學(xué)習(xí)、自適應(yīng)控制和人工智能等方面得到了極為廣泛的應(yīng)用，尤其是它成功 地解決了傳統(tǒng)搜索方法難以處理的復(fù)雜的非線性問(wèn)題?？梢灶A(yù)見(jiàn)，遺傳算法是2 l 世紀(jì)有 關(guān)智能計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用遺傳算法的無(wú)功優(yōu)化，其目標(biāo)函數(shù)多為系統(tǒng)的有功網(wǎng) 損最小，約束條件為實(shí)際電力系統(tǒng)的各種約束。它應(yīng)用于無(wú)功優(yōu)化的核心問(wèn)題是：如何針 對(duì)實(shí)際變量進(jìn)行交叉、變異等遺傳操作，如何進(jìn)行適應(yīng)值函數(shù)的構(gòu)造和遺傳算法收斂判 據(jù)的確定等。遺傳算法應(yīng)用于無(wú)功優(yōu)化就是給出在電力系統(tǒng)環(huán)境下的一組初始解，受各 種約束條件的限制，通過(guò)適應(yīng)值評(píng)估函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)其優(yōu)劣，適應(yīng)值低的被拋棄，只有適應(yīng) 值高的才有機(jī)會(huì)將其特性迭代到下一輪解，最后趨向于最優(yōu)解。 遺傳算法有很多引申算法，比較有代表性的有并行遺傳算法、免疫算法及免疫遺傳 算法。并行遺傳算法采用種群密度將原種群分化為若干子種群獨(dú)立進(jìn)化，相互之間通過(guò) “遷移”交互信息，可以有效解決普通遺傳算法的“早熟”和收斂慢的缺陷，提高收斂 速度和解的精度。免疫算法模擬人體免疫系統(tǒng)的識(shí)別，并消滅異己物質(zhì)的功能，將目標(biāo) 函數(shù)和約束條件比作抗原，解比作抗體，通過(guò)計(jì)算彼此的親和度和抗體濃度來(lái)選擇適應(yīng) 度好的抗體，利用抗原的記憶作用，提高局部搜索能力，達(dá)到求解目的。免疫遺傳算法 將免疫算法維持免疫平衡的機(jī)制作用于遺傳算法中個(gè)體濃度的抑制與促進(jìn)過(guò)程，將抗原 的記憶識(shí)別功能引入遺傳因子中，兼顧全局和局部搜索兩方面，具有良好的收斂性和尋 優(yōu)特性。 1 2 2 考慮諧波因素的電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化 近年來(lái)，對(duì)諧波問(wèn)題的研究頗為活躍，主要是研究諧波造成的危害，諧波分析方法 及一些抑制性措施，而對(duì)受諧波污染的電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償理論的研究，即在滿足 系統(tǒng)安全約束和電能質(zhì)量指標(biāo)的前提下，確定使受諧系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)網(wǎng)損最小和諧波 影響最小的最佳無(wú)功補(bǔ)償配置的研究，國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的很少。 ， 在諧波分析方面?zhèn)鹘y(tǒng)的分析方法主要有支路追加法，就是將補(bǔ)償電容器看作要追加 7 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 的支路，當(dāng)補(bǔ)償容量發(fā)生變化時(shí)，增加或減少阻抗矩陣的相應(yīng)元素即可，其具體過(guò)程和 支路追加法一樣。通過(guò)支路追加法，可以得出補(bǔ)償電容器組和各支路諧波電流之間的關(guān) 系，從而進(jìn)行分析。近年來(lái)已發(fā)展出了一些有效的電力系統(tǒng)諧波分析方法：其中有考慮 負(fù)荷電流的電壓數(shù)學(xué)模型，用n r 方法與基波潮流聯(lián)立求解的諧波潮流計(jì)算方法；以及 一類以恒定電流源表征非線性負(fù)荷，以恒定阻抗模擬線性負(fù)荷的諧波潮流分析方法，與 基波潮流計(jì)算相比，諧波潮流分析須處理更為復(fù)雜的系統(tǒng)，更為大量的數(shù)據(jù)。 在非正弦周期電路中，傳統(tǒng)的無(wú)功功率定義是對(duì)穩(wěn)態(tài)周期電路而言的，而在受諧波 污染而呈非正弦周期性的電力系統(tǒng)中，則失去了其有效性，近年來(lái)，對(duì)非正弦周期電路 中的無(wú)功功率進(jìn)行了大量討論，提出了一些有價(jià)值的定義，并在此基礎(chǔ)上提出了對(duì)畸變 無(wú)功電流進(jìn)行有源補(bǔ)償?shù)脑O(shè)想。 受諧波污染的電力系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償電容器參數(shù)優(yōu)化的研究曾有以無(wú)功電流最小為 目標(biāo)，補(bǔ)償電容器電容值為變量，用0 6 1 8 法進(jìn)行的優(yōu)化算例，但是由于在對(duì)系統(tǒng)所做 的簡(jiǎn)化中，沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)中各補(bǔ)償點(diǎn)的相互作用，因此結(jié)果也是十分粗糙的。應(yīng)用大系 統(tǒng)理論對(duì)濾波器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，是一個(gè)沒(méi)有考慮系統(tǒng)及各補(bǔ)償點(diǎn)間相互作用的方 法，難以用于規(guī)劃全系統(tǒng)補(bǔ)償裝置參數(shù)。 就電容器組對(duì)諧波污染的放大特征已經(jīng)有了一些理論分析結(jié)果，但是網(wǎng)絡(luò)中的補(bǔ)償 裝置處于不同的方式時(shí)，它們對(duì)諧波污染的影響是不同的，加之系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，還 難以統(tǒng)一描述補(bǔ)償裝置的諧波響應(yīng)。以系統(tǒng)分析為手段，用非線性規(guī)劃法進(jìn)行全網(wǎng)無(wú)功 補(bǔ)償裝置的配置，由于沒(méi)有考慮參數(shù)配置與原有無(wú)功設(shè)置方案的協(xié)調(diào)，使網(wǎng)絡(luò)計(jì)算過(guò)于 復(fù)雜，從而使其收斂十分困難，耗費(fèi)計(jì)算機(jī)時(shí)太長(zhǎng)。 這里介紹一下對(duì)這一課題已有的具體解決辦法： 首先從全系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，研究受諧波污染的電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償?shù)睦碚摵蛯?shí)用 技術(shù)，用傳統(tǒng)的諧波潮流計(jì)箕方法具體分析了諧波電壓與補(bǔ)償容量間的關(guān)系，提出了用 諧波導(dǎo)納矩陣建模的思想；在不考慮諧波作用的基波無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償容量配置的基礎(chǔ)上， 以電網(wǎng)電壓最接近于系統(tǒng)運(yùn)行的期望值為目標(biāo)，建立了兩個(gè)計(jì)算用數(shù)學(xué)模型“：一是用 近似規(guī)劃法求解的優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，二是用牛頓法導(dǎo)出的靈敏度線性化優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。 下面簡(jiǎn)要介紹這兩個(gè)模型： 模型一： 目標(biāo)函數(shù)為 薯 ， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 m i n j = 窆l 吃+ 礦 f - 吃i ( 1 - 3 ) 等式約束為： 毫吃= 厶 毫- 吃= 厶 h = 2 p + 1 ，p = 1 ，2 ，3 不等式約束為： c 0 c l c o 式中： 一節(jié)點(diǎn)基波電壓： 節(jié)點(diǎn)諧波電壓； ， 一節(jié)點(diǎn)所期望的運(yùn)行電壓值： 一諧波次數(shù)； c 一為電容器投切容量； 模型二： 模型二所用方法不是正規(guī)的規(guī)劃模型，過(guò)程如下： 假設(shè)有一組電容器為c o ，2 q ，吃，一，) ，其值滿足如下等式： 圪( ) + 圪( c o ，) - - 礦o ( 1 - - 4 ) 式中：。 吃( c 0 ，) 一補(bǔ)償電容器投入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的諧波電壓； 吃( c o ，) 卒p 償電容器投入電網(wǎng)后，電網(wǎng)的基波電壓； 吃一節(jié)點(diǎn)所期望的運(yùn)行電壓值： 然后得到： 9 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 圪( c 0 ) + 吃( c o ，) 一圪- - 0，(1-5) 再表達(dá)為函數(shù)形式： f ( c o ，) = 唬( c 0 ，) + 吃( c 0 ) 一吃0 - 6 ) 然后，( c i ，) 對(duì)c ；p 求靈敏度，最后通過(guò)判據(jù)來(lái)判定收斂情況。 上述兩個(gè)模型簡(jiǎn)單、易于求解，容易滿足實(shí)時(shí)性的要求，但在建模方面都沒(méi)有考慮 到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于諧波的規(guī)定“”，對(duì)于具體的各次諧波也沒(méi)有采取必要的限制措施，而且 對(duì)于補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)較多，規(guī)模較大的電網(wǎng)可能最后有不收斂的情況。 1 3 本論文的主要工作 本文在參考上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合勝利油田有限公司孤島采油廠孤四管理區(qū)配電 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化改造，提出了一套符合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)，通 過(guò)對(duì)具體算例的計(jì)算，表明了本文模型和算法在解決這一問(wèn)題上的有效性。主要工作如 下： ( 1 ) 結(jié)合配電網(wǎng)的實(shí)際情況，并以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求來(lái)建立考慮諧波因素的配電網(wǎng) 無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型； ( 2 ) 就配電網(wǎng)中的諧波電壓和靈敏度之問(wèn)的關(guān)系進(jìn)行分析，得出用于指導(dǎo)遺傳算法進(jìn) 行尋優(yōu)的靈敏度矩陣； ( 3 ) 用靈敏度方法對(duì)傳統(tǒng)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，提高遺傳算法尋優(yōu)的針對(duì)性，加快尋優(yōu) 速度、提高搜索精度： ( 4 ) 研制配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃軟件模塊，并對(duì)實(shí)際算例進(jìn)行計(jì)算和結(jié)果分析。 l o 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 第二章基于諧波影響下的配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型 2 。1 孤四區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)概況 孤島采油廠孤四生產(chǎn)管理區(qū)內(nèi)6 k v 線路共1 8 條，共計(jì)8 1 5 公里，l o o 4 k v 配電變 壓器1 4 3 臺(tái)，總?cè)萘? 0 1 0 5 k v a 。孤四區(qū)配電系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題： ( 1 ) 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理，網(wǎng)損大，故障處理能力弱。由于油田生產(chǎn)的特殊性，油田初期 滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，供配電網(wǎng)絡(luò)邊建設(shè)邊生產(chǎn)，井口位置分散，整個(gè)管理區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不盡合理，電網(wǎng)損失較大，平均網(wǎng)損1 0 。受自動(dòng)化條件的限制，不能夠進(jìn) 行電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行，管理水平落后，電網(wǎng)故障反映時(shí)間長(zhǎng)，故障處理和恢復(fù)供電能力弱。 ( 2 ) 配電系統(tǒng)功率因數(shù)較低、無(wú)功損耗大。由于用電設(shè)備負(fù)載率及變壓器負(fù)荷率均 較低，造成整個(gè)供配電系統(tǒng)功率因數(shù)較低，無(wú)功損較大。 ( 3 ) 近年來(lái)油田日益廣泛地采用高技術(shù)、高效益的交直流傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)裝置逐步 由恒速的交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)改為可調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，使得油田配電系統(tǒng)中電力半導(dǎo)體 裝置日益增多。同時(shí)，油田配電系統(tǒng)中大量的電焊機(jī)、抽油機(jī)配電變壓器等非線性負(fù)載 都會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生無(wú)功和不同頻率與幅值的高次諧波，其中以電力半導(dǎo)體裝置所產(chǎn)生的 高次諧波最為嚴(yán)重，約占總諧波發(fā)生源的7 0 以上。 ( 4 ) 配電網(wǎng)線路多采用閉式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但采用開(kāi)式運(yùn)行，因此網(wǎng)絡(luò)常呈現(xiàn)梳狀。在 配電網(wǎng)中，往往只有一個(gè)電源點(diǎn)，放線路上的功率通常具有單向流動(dòng)性且一般線路上的 負(fù)荷點(diǎn)無(wú)表計(jì)，負(fù)荷資料短缺不全“”。另外，配電網(wǎng)線路電阻與電抗大小相接近，甚至 電阻值超過(guò)電抗值。 2 2 無(wú)功優(yōu)化模型的建立 電網(wǎng)中的諧波電壓對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器的安全運(yùn)行影響很大，諧波電壓迭加在基波電 壓之上，使電容器承受的電壓變大，在補(bǔ)償電容器容量配置不適當(dāng)時(shí)，易因產(chǎn)生諧波放 大或諧振而降低電容器的使用壽命或使電容器燒壞，進(jìn)而對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著破 壞性作用?？紤]有諧波作用的無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃的工作，是一個(gè)多變量、多約束條件的優(yōu)化 規(guī)劃問(wèn)題，而且計(jì)算量較大，必須研究實(shí)用的數(shù)學(xué)模型和規(guī)劃算法。本文提出的模型有 效地避免了諧波諧振，減小了諧波放大，改善了電壓質(zhì)量。諧波部分的模型根據(jù) g b 1 1 4 5 4 9 - 9 3 電能質(zhì)量一公用電網(wǎng)諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立“”。下面給出具體的建模 1 1 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電兩無(wú)功優(yōu)化 過(guò)程。 本文以年總支出費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)中主要有兩方面，無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的 投資i 和網(wǎng)絡(luò)損耗的年運(yùn)行費(fèi)，其中無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資i 包括不定部分和固定部分， 不定部分指電容器設(shè)備費(fèi)與購(gòu)買容量成正比，也就是購(gòu)買電容器的費(fèi)用；固定部分指配 套安裝費(fèi)用與檢修費(fèi)用，與購(gòu)買容量無(wú)關(guān)，具體表示如下： l = ( = z + k o q o ) ，1 ( 2 1 ) l 式中： 一p q 節(jié)點(diǎn)集合； z 節(jié)點(diǎn)i 的安裝費(fèi)用，文中取電容器總投資的1 0 9 6 ； 疋一電容器單價(jià)，取5 0 元k v a r ； 見(jiàn)一是節(jié)點(diǎn)i 的安裝容量； 口邏輯變量，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i 有安裝補(bǔ)償裝置時(shí)取口= l 否則口= o 。 網(wǎng)絡(luò)損耗的年運(yùn)行費(fèi)用q 可表示為 q = 印二p 式中： ，全年全網(wǎng)能耗損失費(fèi)用。 一電能單價(jià)，文中取0 5 元, k w h ； 7 k 一最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，文中取3 5 0 0 小時(shí)； p 一電網(wǎng)的有功損耗 p = 劫( k 2 + 吁一2 巧巧c o s 島y 【_ i e 機(jī) 島一線路的互電導(dǎo)； 璣所有支路集合。 因此目標(biāo)函數(shù)為： 1 2 ( 2 - 2 ) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 r a i n q = ? lc 七o e 式中： ( 2 3 ) ，一投資的回收率。 本文將各節(jié)點(diǎn)基波電壓和總諧波畸變率越限的情況以懲罰項(xiàng)的形式加入到目標(biāo)函數(shù) 中。各懲罰項(xiàng)如下所示： 昂=nk巧l(2-4) r 麼：廣一、 協(xié)5 磊【薈阮一形j q 式中： e 一基波電壓越限以后，將各節(jié)點(diǎn)電壓減去電壓約束值后的和函數(shù)； 札一基波電壓越限點(diǎn)的集合； 墨一根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定的各次諧波電壓允許的最大值； 鼠，一節(jié)點(diǎn)電壓總諧波畸變率越限后進(jìn)行處理的和函數(shù)； m 一電壓總諧波畸變率越限的節(jié)點(diǎn)集合； t 一由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定的電壓總諧波畸變率不得越限的最大值系數(shù)。 將上述的兩式加入到中就構(gòu)成了最終的目標(biāo)函數(shù)，再加上基波與諧波期流以及狀態(tài) 變量的約束條件，優(yōu)化模型如下所示： ( 1 ) 目標(biāo)函數(shù)： h ，= 尼+ 弛+ 乃易 ( 2 - 6 ) 目標(biāo)函數(shù)中，第一項(xiàng)代表基波網(wǎng)損和總投資，第二項(xiàng)代表基波電壓越限后的懲罰項(xiàng)， 第三項(xiàng)代表電壓總諧波畸變率越限后的懲罰項(xiàng)。 式中： ， 冬一基波電壓越限的懲罰系數(shù)； 如一總諧波畸變率越限后的懲罰系數(shù)。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 ( 2 ) 等式約束： 基坡潮流約束； = 毛+ 巧( g i0 0 s 吃+ 島s i l l 島) j e 如= q _ 翻+ k 巧( gs i i l 島一島c o s 島) j e l v t 諧波潮流約束： 厶= k 玩 ， 式中： n 一為所有節(jié)點(diǎn)集合； v ，p 一基波電壓的幅值和相角； 兄一發(fā)電機(jī)有功功率，本文為配電網(wǎng)，所以取為0 ； 純，一發(fā)電機(jī)無(wú)功功率，取0 ： 一負(fù)荷的有功功率； ( k 一負(fù)荷的無(wú)功功率：、 q ，島一基波導(dǎo)納矩陣中的元素； 一i 節(jié)點(diǎn)第h 次諧波電壓； k 一諧波導(dǎo)納矩陣； ， 一諧波注入電流。 ( 3 ) 不等式約束： s ( 配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)基波電壓的限制) d _ s 吒k ( 配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)各次諧波電壓的限制) j ：ms 0 j 么一 ( 各補(bǔ)償點(diǎn)可投切電容器組數(shù)) i ( 2 - 7 ) ，( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 式中： 邑一為各次諧波電壓越限系數(shù)； m 一各節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償電容器組的集合。 ( 4 ) 控制變量和狀態(tài)變量： 控制變量為；【虬1 狀態(tài)變量為：i v , ，】 本文模型充分考慮了諧波的因素，建立了兼顧降低網(wǎng)損與抑制諧波的配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu) 化規(guī)劃模型，既考慮了電壓的質(zhì)量又考慮了投資，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 第三章配電網(wǎng)諧波潮流計(jì)算 確定系統(tǒng)在一定的運(yùn)行方式下，由非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波污染在全系統(tǒng)中的分布， 對(duì)于系統(tǒng)的諧波分析和治理是十分重要的。而要進(jìn)行諧波潮流分析首先需要建立除非線 性設(shè)備外的所有網(wǎng)絡(luò)元件的數(shù)學(xué)模型，由于諧波潮流計(jì)算是一項(xiàng)十分龐雜的計(jì)算，所以 盡管從理論上來(lái)講，電力系統(tǒng)的元件都具有非線性，為了計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，還是把除變壓器 的激磁支路以外的元件皆以線性模型等效，這樣獲得的網(wǎng)絡(luò)等值模型是線性模型。本文 考慮的是配電網(wǎng)，只有輻射狀的支路，故變壓器不作考慮，本章詳細(xì)介紹網(wǎng)絡(luò)元件的諧 波模型和相應(yīng)的諧波潮流計(jì)算 3 1 網(wǎng)絡(luò)元件的諧波模型 在進(jìn)行諧波潮流求解時(shí)，應(yīng)先確定諧波網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型。它是由網(wǎng)絡(luò)中各有關(guān)元件 的諧波參數(shù)組成的，通常用諧波網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣表示。如前所述，電力系統(tǒng)中的諧 波源主要是一些用電設(shè)備和部分變壓器的勵(lì)磁支路。這些諧波源產(chǎn)生的諧波電流基本上 只決定于它們的工作條件和外加電壓，與外電路的阻抗關(guān)系不大，因此，往往將這些諧 波源看作內(nèi)阻無(wú)窮大的恒電流源，先計(jì)算各諧波源節(jié)點(diǎn)的注入諧波電流，然后通過(guò)該諧 波網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)方程求解各節(jié)點(diǎn)諧波電壓，各諧波源的諧波電流由該節(jié)點(diǎn)的電壓和諧波源特 性確定。供電系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓的諧波畸變率一般小于5 ，在確定諧波源的諧波電流時(shí)，可 只考慮其外加基波電壓的作用，只有對(duì)個(gè)別諧波電壓較大，尤其是接近諧振的情況下， 才需要考慮諧波影響，此時(shí)可經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算求解了。 諧波潮流計(jì)算也有它本身的一些特點(diǎn)應(yīng)予以注意。 首先，由于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)基本上是正弦波形的，其諧波含有率可以不計(jì)，因 而通常不把它作為諧波源看待，其諧波電動(dòng)勢(shì)為零。其次諧波功率一般較小，因而計(jì)算 一般只著眼于電流、電壓，只在個(gè)別情況下，如校驗(yàn)一些元件的發(fā)熱情況等，才需要計(jì) 算諧波功率。 還應(yīng)說(shuō)明，諧波計(jì)算所需數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)各元件的頻率特性和諧波參數(shù)，各諧波源的 頻譜特性尤其是柑頻特性等數(shù)據(jù)，往往很難取得足夠準(zhǔn)確的資料，這是影響計(jì)算精度的 主要原因。線路的電感、電容可認(rèn)為是與頻率無(wú)關(guān)的常量，因而其諧波電抗和電納等于 其基波電抗和電納值乘以諧波次數(shù)h 。 本文是關(guān)于配電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化規(guī)劃，網(wǎng)絡(luò)模型主要以線路和負(fù)荷為主：下面進(jìn)行詳 1 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 細(xì)的介紹。 3 1 1 配電線路的單相模型 這里所講的輸電線主要以架空線路為主。目前在大多數(shù)技術(shù)資料中，都把輸電線簡(jiǎn) 單地處理為三相平衡系統(tǒng)，其主要原因是因?yàn)楝F(xiàn)代電力系統(tǒng)技術(shù)日趨發(fā)達(dá)，己經(jīng)能夠較 好的保證系統(tǒng)運(yùn)行在三相平衡狀態(tài)下。而且在工頻情況下，簡(jiǎn)化處理的結(jié)果比較符合實(shí) 際，同時(shí)也降低了計(jì)算的復(fù)雜程度。 輸電線路是分布參數(shù)電路，經(jīng)過(guò)完全換位的線路可以看作是三相對(duì)稱的。計(jì)算中通 常以集中參數(shù)的等值萬(wàn)型電路表示，如圖3 - 1 所示。 腳 rr 圖3 - 1 - 單相輸電線路的諧波等值參數(shù) 基波計(jì)算時(shí)，等值電路參數(shù)常常為分布參數(shù)的簡(jiǎn)單集中，即 互，= ( + 矗。) z ( 3 1 ) 虼。= 確， ( 3 2 ) 上式中，i 、島? 分別為線路單位長(zhǎng)度的基波電阻、電抗和電納( 架空線路小 于2 0 0 3 0 0 k i n ) 。當(dāng)距離較長(zhǎng)時(shí)需要加以修正，或增加等值刀串接的數(shù)目，即避免每個(gè)等 值石所代表的線路過(guò)長(zhǎng)。 一 但諧波時(shí)線路的分布特性將比基波時(shí)大為縮短。線路的電感、電容可認(rèn)為是與頻率 無(wú)關(guān)的常量，因而其諧波的電抗和電納等于其基波電抗和電納值乘以諧波次數(shù)h 。如果考 慮集膚效應(yīng)時(shí)，線路的有效電阻值是將隨諧波次數(shù)的增加而增加，線路的h 次諧波單位長(zhǎng) 度電阻值，j l 可有下面近似公式得到， 吒= o 2 8 8 r l + 0 1 3 8 h q ( 3 - 3 ) 對(duì)架空線路，若基波條件下代表的線路長(zhǎng)為l k m ，則對(duì)h 次諧波將限制為1 hk m 。從 而，諧波計(jì)算所需要的等值t 電路的數(shù)目也不相同，此時(shí)，采用雙曲線函數(shù)計(jì)算等值電路 參數(shù)將更為便利，每條線路只需要一個(gè)等值石型電路即可，其參數(shù)為 z 曲= 乙s h ( r h f ) ( 3 _ 4 ) 1 7 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 ， y h = 2 c z h d r f f 肋- 1 i ( 3 5 ) 式中，z a , 、一分別為h 次諧波時(shí)線路的特征阻抗和傳播常數(shù)，均為復(fù)數(shù)，可由下 式求得： 瓦= 。 ( 3 _ 6 ) = 磊+ 弦 = ：o y 。 ( 3 7 ) 式中，z o 。、。分別為h 諧波時(shí)線路單位長(zhǎng)度的阻抗和導(dǎo)納，其中電導(dǎo)可忽略。 電網(wǎng)中的輸電線距離較短，而且諧波計(jì)算考慮的次數(shù)較低( 本文只計(jì)算到1 1 次) 時(shí)， 可以忽略輸電線的對(duì)地電容、相間電容和電導(dǎo)，這樣輸電線的諧波模型可以簡(jiǎn)化采用r - x 串聯(lián)電路，如圖3 2 所示。圖中，r 。x 。分別為輸電線的諧波電阻和諧波電抗： 占 圖3 - 2 輸電線諧波等值電路 工程中輸電線的單位長(zhǎng)度諧波阻抗可按下式簡(jiǎn)化計(jì)算： z j = + 瓦= ( o 2 8 8 r j + o 1 3 8 , h 吒) + ，昆砭 ( 3 - 8 ) 式中乙，輸電線每公里h 次諧波阻抗； 兄。輸電線每公里h 次諧波電阻； 托。輸電線每公里h 次諧波阻抗； 冠輸電線每公里基波電阻；一 置輸電線每公里基波電抗。 上述分析是基于平衡電力系統(tǒng)情況下的單相模型。 3 1 2 輸電線路的三相模型 最后都可以化為如下的電壓平衡方程式帆。： 一 j 7 剛差弱小 爭(zhēng)9 ， 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 等效圖如圖3 - - 3 u u u a2 ；毫 ：j 百z q 二。胃z ；。 z i 。f z k i c m 3 - 3 三相架空線路參數(shù)計(jì)算圖 乏表示f 、_ ，相之間的互阻抗，當(dāng)f = _ ，時(shí)為自阻抗。在完全換位的情況下，可知 乞= 乙= 瓦= 瓦，式3 9 可表示為 乙= 乏= 乙= 乏 差 = 墨莖莖 睦 c s 一，e ) 妻 = 耄薹差 萎 i c 。一- ， = 反r - - i 屯屯i ( 3 一1 2 ) 若輸電線路換位，可知名= 藝= 兄= 吃，則并聯(lián)導(dǎo)納矩陣為 y = 隧脅怪毫享 ( s 邗， 綜合以上分析，式3 9 、式3 1 3 中串聯(lián)阻抗矩陣和并聯(lián)導(dǎo)納矩陣就是三相輸電線石形 模型的集中參數(shù)。這兩種矩陣都可以用復(fù)合導(dǎo)納表示，如圖3 4 所示，i ，k 為三相節(jié)點(diǎn)。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文基于諧波影響下的油田配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化 情 r 2r 2 蛩3 - 4 三相短傳輸線的集中參數(shù)萬(wàn)形模型復(fù)合導(dǎo)納 圖3 4 中，在h 次諧波下，z 。用h z 。代蕃，珞用弓彳代替，便得到諧波下的三相等 值萬(wàn)形模型。 3 2 綜合負(fù)載模型 在諧波分析中，負(fù)荷的特性一般是用諧波阻抗表示的。為了進(jìn)行各次諧波頻率下的 正弦穩(wěn)態(tài)分析，可以把負(fù)荷的諧波阻抗寫成解析式或綜合成電路。應(yīng)當(dāng)注意到目前使用 的“諧波阻抗”是定義在假設(shè)條件下的，可以