电力系统综合节能的有功与无功功率协调优化问题现状

【摘 要 】通过电力系统有功功率优化,可以达到降低发电成本、节约一次能源的目的；通过电力系统无功功率优化,可以达到降低网络损耗、节约二次能源的目的.而协调优化电力系统有功与无功功率,可以使电网运行的综合节能效益最优.

【关 键 词 】电力系统；有功功率；无功功率

【中图分类号】TK 【文献标识码】A

【文章编号】1007-4309（2012）03-0076-2

一、研究背景及意义

节能降耗是我国建设资源节约型社会的一项战略任务.电力工业在各项能源消耗领域中所占比重较大,是节能降耗的重要领域.在发电方面,据中国电力企业联合会发布的最新统计快报表明：截止到2008年底,我国火力机组的装机容量达6.01亿千瓦,占全国总装机容量的75.87%,年发电量达27793亿千瓦时,占全国总发电量的80.95%,全国6000千瓦及以上电厂供电标准煤耗为349克/千瓦时,比发达国家330克/千瓦时的平均水平高出6%左右.在输配电方面,根据上海市电力公司2006年的统计数据,线损电量占公司总能耗的比例高达97.05%.电力企业在发电、输电、配电等领域开展节能降耗活动,对顺利实现国家“十二五”节能降耗指标具有重要作用.

如何从传统发电调度模式转变为节能发电调度模式,如何优化调度、降低综合线损是各级电网调度部门面临的巨大任务,电力系统有功功率优化与无功功率优化对电网经济运行具有重要的作用.通过有功功率优化,可以达到降低发电成本、节约一次能源的目的；通过无功功率优化,可以达到降低网络损耗、节约二次能源的目的.但是,由于通过有功功率优化来降低发电成本与通过无功功率优化来降低网络损耗在优化方向上的不同,使得单独进行有功功率优化或无功功率优化都不能达到降低发电成本和网络损耗之间的最佳平衡.因此,有必要研究一种能同时考虑系统发电成本和电网有功损耗的电力系统综合节能的有功与无功功率协调优化模型与算法,寻求发电成本与网络损耗之间的最佳平衡,使电能生产和输送的社会综合节能效益最大化,该问题属于最优潮流问题研究的深入.

过去,由于计算速度的限制和协调控制的困难,有功与无功功率协调优化一直难以实现.随着计算机CPU计算速度的不断提高,以及自动发电控制（Automatic Generation Control,AGC）和自动电压控制（Automatic Voltage Control,C）技术的不断完善,使得电力系统有功与无功功率的协调优化计算与控制成为可能,也成为大势所趋.

二、研究发展状况

在进行电力系统有功与无功功率协调优化研究以前,研究人员一般是将有功功率和无功功率分开优化或者交替优化.但无论是把有功功率与无功功率单独优化、交替优化还是协调优化,都属于电力系统最优潮流研究的范畴,是最优潮流问题研究的深入.

电力系统最优潮流是指在满足各种约束条件下,求以发电费用（或耗量）或网损最小为目标函数的潮流最优分布.与经典的经济调度法相比,最优潮流具有全面规划、统筹考虑的优点,可看作是经典经济调度理论的延伸和发展.最优潮流数学模型的一般形式如式（1-1）所示：

其中,f是目标函数；g（u,x）是等式约束；h（u,x）是不等式约束；u是控制变量；x是状态变量.

有功功率优化：电力系统有功功率优化一般以系统中各机组的有功出力为控制变量,使系统中各发电机组总的燃料费用最小（不考虑机组启停等费用）.由于燃料费用的多少一定程度上能够反映燃料耗量的多少,因此降低燃料费用可以起到降低燃料耗量、节约一次能源的目的.

电力系统有功功率优化的初始概念可以追溯到上世纪三十年代,当时的有功功率优化主要研究在多台火电机组之间如何分配负荷,以便节约发电所消耗的燃料或所耗费的生产费用（主要是燃料费用）.1934年,Steinberg M．J．和Smith T．H．提出一种以优化数学理论为基础的严格的经济负荷分配方法,该方法至今仍不失为一种相当有效的方法,这就是著名的等耗量微增率准则.但该准则的主要缺陷除了计算网损微增率工作量较大,海森矩阵可能出现病态外,还有就是仅考虑发电机有功出力越限的约束,而对其它约束条件没加考虑,这与实际系统的运行情况不相符合.直到上世纪70年代末,电力系统有功功率优化调度还一直处于经典阶段.

随着电力系统的发展,人们越来越感到经典法存在诸多缺欠,主要表现在如下两个方面：一是网损及网损微增率表达和计算困难；二是难以反映各输电元件的作用及有功功率在各输电元件上的分布.尤其是第二个原因与危及电力系统安全运行、引起大面积停电事故密切相关.此阶段电力系统有功功率优化调度的一个明显的特点是,在研究有功功率优化调度时设法考虑潮流方程及输电元件的制约限制.依据现代数学优化理论,有功功率优化调度演化成为最优潮流问题.

多年来,广大学者对电力系统有功功率优化问题进行了大量的研究.应用两步求解法,即首先应用优先级法求得机组经济组合,然后再采用改进型优先顺序法进行经济负荷分配,寻求全网经济效益最优,已成功应用于省级电网的调度运营.提出了基于专家规则、优先顺序和动态规划法的工程化算法,建立了考虑若干人为调控约束的日有功功率优化调度工程化模型,成功应用于陕西电网.从起源到现在的几十年间,随着数学优化理论和计算工具的发展,电力系统有功功率优化运行的模型和方法在理论和实践上都取得了长足的发展,有功功率优化技术已比较成熟,在电网运行中得到了很好的应用.

无功功率优化：电力系统无功功率优化,是指在系统的结构参数及负荷情况给定,以及满足系统运行的各种约束条件的前提下,确定电网中无功设备的类型、最佳无功补偿地点和补偿容量,通过对控制变量（如电容器投切容量、变压器分接头档位等）的优化控制,使系统的投资和运行综合费用最小,并最大限度的提高系统电压的稳定性,改善电压质量,确保电力系统安全、稳定、经济运行.合理地进行电力系统无功功率优化,是保证电力系统电压质量、降低电网有功网损的重要措施.