试析电力系统综合节能的有功与无功功率协调优化策略

刘启会

摘 要：将有功功率和无功功率交替优化，会产生更多的能耗。利用梯度法限制原初的控制变量，建立有功和无功功率的优化协调模型，将找到优解。将网损所产生的费用平摊到每个发电机上，可降低发电费用。本文将就电力系统综合节能的有功和无功功率的协调优化进行分析。

关键词：协调优化；智能电网；有功功率；无功功率

中图分类号：TM731 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

电力的传输、配电等环节，都是电力工业中会产生能源消耗的地方，解决这一损耗始终是我国节能降耗的首要问题。为了解决一次能源的损耗降低发电的成本，需要优化有功功率的损耗。而需要解决二次能源的消耗降低网络的损耗，需要优化无功功率的损耗。在设计节能模型的过程中，需要同时考虑有功和无功两方面，然而两者的优化方向是截然不同的。因此，如何让两者达到最佳的平衡状态，成为了模型设计中最大的问题。像过去在计算优化时往往采用交替优化有功和无功的方法，但这会产生问题，如无法保确电机所发出的功率一定处于其功率圆里的特定区域，所以我们需要新的方法。

1有功和无功的优化概要

二十世纪三十年代，由研究多台火电机组如何分配负荷起，人们开始探讨对电力系统的有功进行优化，以便节约能耗减少成本。以优化数学作基，提出的经济负荷分配法，至今被认为是种经典方法，进入设计者的考虑。

但是，由于电力系统的高速发展，不难发现仅仅依靠有功优化是不够的。由传输路长所导致的网损难以表达和计算；无法具体反映各输元件上的功率分布等问题，影响了电力系统的节能问题。根据数学优化理论，有功功率优化调度时，考虑到了潮流方程和输电元件的限制，成为最优潮流问题。

对有功功率进行了大量的研究后，为了达到综合的最优经济效益，我们利用专家规则、动态规划、优先顺序等方法，对系统进行工程化的算法，建立了调控约束功率的模型，来优化调度工程。

另一方面，针对无功功率的优化，在约束条件下对控制变量的优化，来降低电网的运行费用，在保证电压稳定性的同时减少网损。发电机的输出功率会有一部分，是有功网损，但是可以通过对无功率的优化，来减少有功网损的消耗。根据对无功功率优化的模型进行分析研究，问题也被简单分开成，电容器的投切以及变压器的分接头调节。

采用替代节点支路以及修正算法，对调节变压器分接头和投切电容器的先后进行调节。而另一方面，针对多区域电力系统的优化问题，学界提出了优化解耦算法，基于近似牛顿方向以及GMREs的算法。

上述都是传统的方法，借由自动发电控制技术以及自动电压控制技术的发展，综合考虑电力系统的有功和无功功率的协调优化成为课题，需要设计一个关于有功和无功功率协调优化的数学模型，以及更为迅捷的求解算法。

2优化协调模型运算路径

在确定发电成本的限缩范围的基础上，创建目标函数，并且用现有机组的函数来表示目标函数。通过优化目标函数，可以限缩原初网损。由于上述的消耗对整个网络损耗不会有太大差别，所以用体系内的原初二次能源替代一次能源，可以限缩原初体系成本，再将这些网损分配到设定的节点。根据节点的固有发电成本，就可以算出精确的总体成本。

在已设定的无损架构下，根据经济调度的路径，去分配原初的负荷，并且遵循发电成本限缩的原则，重新平摊有功功率。为了计算出最优的分配路径，首先要剔除其他因素简化模型，单纯考虑有功平衡的方程，忽略已产生的有功网损。

二次函数包括在发电成本之内，在有功功率的框架下，体系的固有有功损耗十分特殊。根据总体限缩原则，限缩发电成本，需要把原初有功网损分布在各个机组内，在减少发电消耗的同时节省电能，达到低耗能的效果。

根据上述的运算方法，可以得到现有网损的微增率。而最优态势的优化值，即是上面所说的有功功率和微增率之和，这是单纯考虑有功的平衡方程所得到的结果。在这一基础上，再考虑真实态势，我们就能够进一步优化这一计算的精确性。通过建立模型归纳综合，我们可以确立目标函数，在总体范围内的发电成本，将成为优化的数值。总体成本中包含了原初的煤耗，这也就是节能。

3优化协调建模中的梯度法

通过建立数学模型来协调优化有功功率及无功功率，其中常用也是最为简单快捷的方法就是梯度法。梯度法可以直观的反映模型，但由于梯度法并不像牛顿法那样，拥有二阶收敛的优越性。因此，当梯度法在最优态势下使用，在其端点附近会受限缩影响，产生振荡而无法收敛。

需要注意，梯度法在优化算法的初期有着很快的收敛性，因此我们可以分段处理，在运算初时使用梯度法，在接近优解即端点时再用不等式约束、节点支路交换、牛顿法等方法进行收敛。通过如牛顿法一类的算法，来解决二阶的收敛问题，这样就能明确优解的收敛性。

但是借由牛顿法收敛将损失一部分收敛速度，并且为了补充这一部分的收敛成效，我们引入了不等式约束。通过不等式约束集，在梯度法无法收敛的近优解端收敛，补偿收敛成效。约束不等式的同时，我们可以替换固有的节点和支路，用来重新整理变量，便于接下来的建模。

节点和支路的替换，有其固有的原则。视原初无功为预设的有功功率，将其当做控制变量。当节点电压超过了预设的范围，所求的电压幅值即是边界值。根据这样的原则整理替换节点。对无功注入下的功率进行讨论，不可任意更换节点，确保体系的原初电压不受影响。与节点相类似的，支路替换也有着相应的模式。节点替换是用来稳定电压幅，而支路替换是为了稳定被约束破坏的电流幅。这里，我们不再对支路替换进行展开。

4结语

无论是解耦最优潮流计算或是其他潮流计算，都有其局限性，然而随着计算机的运行计算速度不断加快，对电力系统的模型计算也越来越迅速。可以对有功功率和无功功率的优化进行协调计算，使电网运行过程中的综合耗能达到最低，起到节能低耗的效果。

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