試析電力系統綜合節能的有功與無功功率協調優化策略

劉啟會

摘 要：將有功功率和無功功率交替優化，會產生更多的能耗。利用梯度法限制原初的控制變量，建立有功和無功功率的優化協調模型，將找到優解。將網損所產生的費用平攤到每個發電機上，可降低發電費用。本文將就電力系統綜合節能的有功和無功功率的協調優化進行分析。

關鍵詞：協調優化；智能電網；有功功率；無功功率

中圖分類號：TM731 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

電力的傳輸、配電等環節，都是電力工業中會產生能源消耗的地方，解決這一損耗始終是我國節能降耗的首要問題。為了解決一次能源的損耗降低發電的成本，需要優化有功功率的損耗。而需要解決二次能源的消耗降低網絡的損耗，需要優化無功功率的損耗。在設計節能模型的過程中，需要同時考慮有功和無功兩方面，然而兩者的優化方向是截然不同的。因此，如何讓兩者達到最佳的平衡狀態，成為了模型設計中最大的問題。像過去在計算優化時往往采用交替優化有功和無功的方法，但這會產生問題，如無法保確電機所發出的功率一定處于其功率圓里的特定區域，所以我們需要新的方法。

1有功和無功的優化概要

二十世紀三十年代，由研究多臺火電機組如何分配負荷起，人們開始探討對電力系統的有功進行優化，以便節約能耗減少成本。以優化數學作基，提出的經濟負荷分配法，至今被認為是種經典方法，進入設計者的考慮。

但是，由于電力系統的高速發展，不難發現僅僅依靠有功優化是不夠的。由傳輸路長所導致的網損難以表達和計算；無法具體反映各輸元件上的功率分布等問題，影響了電力系統的節能問題。根據數學優化理論，有功功率優化調度時，考慮到了潮流方程和輸電元件的限制，成為最優潮流問題。

對有功功率進行了大量的研究后，為了達到綜合的最優經濟效益，我們利用專家規則、動態規劃、優先順序等方法，對系統進行工程化的算法，建立了調控約束功率的模型，來優化調度工程。

另一方面，針對無功功率的優化，在約束條件下對控制變量的優化，來降低電網的運行費用，在保證電壓穩定性的同時減少網損。發電機的輸出功率會有一部分，是有功網損，但是可以通過對無功率的優化，來減少有功網損的消耗。根據對無功功率優化的模型進行分析研究，問題也被簡單分開成，電容器的投切以及變壓器的分接頭調節。

采用替代節點支路以及修正算法，對調節變壓器分接頭和投切電容器的先后進行調節。而另一方面，針對多區域電力系統的優化問題，學界提出了優化解耦算法，基于近似牛頓方向以及GMREs的算法。

上述都是傳統的方法，借由自動發電控制技術以及自動電壓控制技術的發展，綜合考慮電力系統的有功和無功功率的協調優化成為課題，需要設計一個關于有功和無功功率協調優化的數學模型，以及更為迅捷的求解算法。

2優化協調模型運算路徑

在確定發電成本的限縮范圍的基礎上，創建目標函數，并且用現有機組的函數來表示目標函數。通過優化目標函數，可以限縮原初網損。由于上述的消耗對整個網絡損耗不會有太大差別，所以用體系內的原初二次能源替代一次能源，可以限縮原初體系成本，再將這些網損分配到設定的節點。根據節點的固有發電成本，就可以算出精確的總體成本。

在已設定的無損架構下，根據經濟調度的路徑，去分配原初的負荷，并且遵循發電成本限縮的原則，重新平攤有功功率。為了計算出最優的分配路徑，首先要剔除其他因素簡化模型，單純考慮有功平衡的方程，忽略已產生的有功網損。

二次函數包括在發電成本之內，在有功功率的框架下，體系的固有有功損耗十分特殊。根據總體限縮原則，限縮發電成本，需要把原初有功網損分布在各個機組內，在減少發電消耗的同時節省電能，達到低耗能的效果。

根據上述的運算方法，可以得到現有網損的微增率。而最優態勢的優化值，即是上面所說的有功功率和微增率之和，這是單純考慮有功的平衡方程所得到的結果。在這一基礎上，再考慮真實態勢，我們就能夠進一步優化這一計算的精確性。通過建立模型歸納綜合，我們可以確立目標函數，在總體范圍內的發電成本，將成為優化的數值?？傮w成本中包含了原初的煤耗，這也就是節能。

3優化協調建模中的梯度法

通過建立數學模型來協調優化有功功率及無功功率，其中常用也是最為簡單快捷的方法就是梯度法。梯度法可以直觀的反映模型，但由于梯度法并不像牛頓法那樣，擁有二階收斂的優越性。因此，當梯度法在最優態勢下使用，在其端點附近會受限縮影響，產生振蕩而無法收斂。

需要注意，梯度法在優化算法的初期有著很快的收斂性，因此我們可以分段處理，在運算初時使用梯度法，在接近優解即端點時再用不等式約束、節點支路交換、牛頓法等方法進行收斂。通過如牛頓法一類的算法，來解決二階的收斂問題，這樣就能明確優解的收斂性。

但是借由牛頓法收斂將損失一部分收斂速度，并且為了補充這一部分的收斂成效，我們引入了不等式約束。通過不等式約束集，在梯度法無法收斂的近優解端收斂，補償收斂成效。約束不等式的同時，我們可以替換固有的節點和支路，用來重新整理變量，便于接下來的建模。

節點和支路的替換，有其固有的原則。視原初無功為預設的有功功率，將其當做控制變量。當節點電壓超過了預設的范圍，所求的電壓幅值即是邊界值。根據這樣的原則整理替換節點。對無功注入下的功率進行討論，不可任意更換節點，確保體系的原初電壓不受影響。與節點相類似的，支路替換也有著相應的模式。節點替換是用來穩定電壓幅，而支路替換是為了穩定被約束破壞的電流幅。這里，我們不再對支路替換進行展開。

4結語

無論是解耦最優潮流計算或是其他潮流計算，都有其局限性，然而隨著計算機的運行計算速度不斷加快，對電力系統的模型計算也越來越迅速?？梢詫τ泄β屎蜔o功功率的優化進行協調計算，使電網運行過程中的綜合耗能達到最低，起到節能低耗的效果。

參考文獻：

[1] 孫偉卿，王承民，張焰，俞國勤，祝達康. 電力系統綜合節能的有功與無功功率協調優化[J].電機與控制學報，2010，（7）

[2] 姚勇. 電力系統綜合節能的有功與無功效率協調優化分析[J].科技與企業，2014，（7）

[3] 秦明璞. 電力系統綜合節能的有功與無功效率協調優化問題現狀[J].吉林畫報·新視界，2012，（3）

[4] 樊鐵鋼，張勇傳. 有功于無功功率最優實時定價新方法[J].數學的實踐與認識，2000，（4）