纵横交叉算法在地区电网无功优化中的研究与应用

摘要

近些年来，随着我国经济水平与电力工业的高速发展，以及电力系统的规模不断的扩大，并且日趋复杂，电力系统无功功率对整个电力系统的安全稳定和经济运行方面扮演着日益重要的角色。电网的无功优化是在满足电压与发电机无功出力等状态变量的约束条件下，通过调节电网中的电机的抽头电压，有载调压变压器的分接头位置、无功补偿容量等可调控制态量，从而减少系统有功网损、改善电压质量、提高系统电压稳定性。
　　无功优化是一个多约束、多变量、非线性、高维度的优化问题，它具有整实数混合、不连续等特点。本文以有功网损最小为主要目标函数建立了电力系统无功优化的数学模型，并以惩罚系数的方式来处理节点电压和发电机无功出力越限问题。
　　粒子群算法(PSO)等性能较为优越的智能算法广泛应用于系统无功优化，它具有容易实现且前期收敛速度快等优势。但此类算法在处理多维度、多峰值的这类实际问题时，很容易陷入局部最优，无法保证收敛精度。为了防止过早的陷入局部最优解，本文引入了一种新颖的智能算法纵横交叉算法(CSO)对电力系统进行无功优化。CSO算法引入竞争算子保证了收敛的精度，并且每次纵向交叉发生在同一个个体粒子的不同维之间，有效防止了优化过程中在某些维度陷入局部最优。在PSO算法中，前期收敛在全局历史最优值的引领下速度较快，受该点启发，本文又提出了CSO与PSO组合的优化算法，它不仅具备了CSO的全局搜索无盲点的搜索能力，也拥有PSO初期快速收敛的效果。
　　在Matlab软件平台下，将新颖的纵横交叉算法CSO与CSO-PSO组合优化算法分别应用在无功优化问题上，采用IEEE14、IEEE57、IEEE118标准节点的算例仿真实验。与其他智能算法对比分析，CSO与CSO-PSO组合优化算法不仅不易陷入局部最优，增强了收敛的稳定性，而且优化效果增强的同时迭代次数也减少了。不同节点规模的优化对比表明了，系统规模越大，引入的两种新算法的优越性更加明显。最后把它们应用到大规模的实际地区电网中（包括180个节点、148个优化变量），证明所提出的算法在处理电力系统无功优化问题时具有合理性、实用性、优越性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 无功优化的研究现状

1．2．1 无功优化问题的特点

1．2．2 无功优化的数学模型

1．3 无功优化算法的发展

1．3．1 常规优化算法

1．3．2 人工智能搜索算法

1．4 本文的主要工作

第二章 电网无功优化问题数学建模研究

2．1 无功功率对电力系统的影响

2．1．1 无功功率对电压的影响

2．1．2 无功功率对有功损耗的影响

2．1．3 无功功率对功率因数的影响

2．2 潮流计算

2．2．1 潮流计算的数学模型

2．2．2 潮流计算的约束条件

2．3 电力系统无功优化的数学模型

2．3．1 常用的优化数学模型

2．3．2 变量约束条件

2．3．3 本文目标函数的选取

2．4 本章小结

第三章 纵横交叉算法

3．1 引言

3．2 纵横交叉算法的原理及步骤

3．2．1 横向交叉的操作流程

3．2．2 纵向交叉操作流程

3．2．2 竞争算子行为

3．3 CSO的搜索行为

3．2．1 横向交叉的行为分析

3．2．2 纵向交叉的行为分析

3．2．3 CSO的参数设置

3．4 CSO与PSO组合的优化算法

3．4．1 算法的搜索原理分析

3．4．2 算法步骤流程图

3．5 小结

第四章 算例与仿真分析

4．1 IEEE14节点算例分析

4．2 IEEE57节点算例分析

4．3 IEEE118节点算例分析

4．4 小结

第五章 地区电网无功优化研究

5．1 地区电网概况

5．2 地区电网无功优化仿真步骤

5．3 地区电网算例分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

声明

致谢

附录