5电力系统中的优化问题简解析.pptx
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1、电力系统中的优化问题电力系统中的优化问题王秀丽王秀丽1.我国电力工业的发展历程2.电力工业的现状n1998年底(中国)装机容量 277.3GW 年发电量 1157.7TWh 1998年底(中国)人均装机 0.22 kW 人均电量 927 kWhn1998年底(美国)装机容量 824.2GW 年发电量 3652.1TWhn 列世界第80位后 为世界平均水平1/3;为发达 国家平均水平的1/61/10中国电力工业的基本情况n截至2004年底n全国发电装机4.407亿千瓦。220 kV及以上输电线路长度达226 776 km,变电设备容量达到70 186 MVA。2005年达到5亿千瓦2006年底装
2、机容量GW,年发电量2834.4TWh水电:128.6GW(20.67%)火电:484.1GW(77.82%)n截至2007年底,全国发电装机容量达到71329万千瓦,同比增长14.36。n 水电装机 14526万千瓦,占20.36n 火电装机 55442万千瓦,占77.73n 核电装机 885万千瓦,同比增长29.2n 并网生产风电容量403万千瓦,同比增长94.4。n2007年全社会用电量32458亿千瓦时 装机容量增长19491.85GW1987100GW1995200GW2000300GW2004400GW2005500GW2006600GW2007700GW我国输电系统的发展n194
3、9 年以前,东北丰满、水丰等水电站的154220 kV 输电线组成了当时中国最大的电网。n此后220kV 输电工程逐步在各地形成省级和跨省级电网。n1972 年建成的330 kV 刘天关输变电工程。n1981 年建成了第一个500 kV 输变电工程平武工程(595 kV)。n随后,华中、东北、华北、华东4 个跨省500 kV电网和西北330 kV 跨省电网逐步形成。n1989 年500 kV 葛洲坝上海直流输电工程的建成,首次实现两大区的联网。n2005 年7 月,随着西北华中背靠背直流工程的投运,我国大区电网间实现了互联。n2005年9 月,我国第一个750 kV 输变电工程正式投入运行,标
4、志着我国电网技术又迈上一个新的台阶。n今后1020 年我国大区电网间互联将进一步加强,并逐步形成以特高压交流(1 000 kV)和特高压直流(800 kV)为骨干网架的国家电网。水能资源分布 n水资源总量约28000亿m3,居世界第六位n水能资源总理论蕴藏量为5.92万亿kWh/a,居世界第一位n经济可开发资源为:装机容量2.9亿kW,多年平均年发电量1.26万亿kWhn特点有:资源量大;分布很不均匀,70%以上的水能资源集中在西南地区 中国的水利资源分布中国的水利资源分布闽、浙闽、浙 赣赣 14161416湘西湘西 791791南盘江南盘江红水河红水河 13121312乌乌 江江 86786
5、7黄黄 河河北干流北干流 609609大渡河大渡河 18051805雅砻江雅砻江 19401940金沙江金沙江 47894789长江上游长江上游 28312831澜沧江澜沧江 21372137黄黄 河河黑?龙?江 鸭绿江辽河第 二?松 花 江 河河黄黄河淮洪泽湖江长富春江闽江 鄱 阳 湖赣江汉水清 江洞庭湖资水沅水澧水乌江长长江江岷江大渡 河雅砻 江 金沙江黄黄河河大 通 河青海湖洛 河渭 河南?江 盘 红 水河北江东江澜沧 江怒江雅鲁藏布江通天河塔里木河车尔臣河孔 雀 河葛洲坝271。5隔河岩 120三峡1768天生桥 120天生桥 132岩 滩 120漫 湾 125二 滩 330龙羊峡 1
6、28李家峡 200刘家峡 116白 山 150滦河水电基地水电基地水电基地水电基地Hydropower basesHydropower bases东北东北11311131黄河上游黄河上游 14151415全国可开发水利资源的全国可开发水利资源的82.9%82.9%分布在四川、云分布在四川、云南、湖北、青海、贵州南、湖北、青海、贵州和广西等省和广西等省(区区)煤炭资源分布 n煤炭总资源量为2.6万亿吨,煤炭资源居世界第三位n特点:煤炭资源分布面广,但分布很不均匀n新疆、内蒙古、山西和陕西等四省区占全国资源总量的81.3%,东北三省占1.6%,华东七省占2.8%,江南九省占1.6%Xinjiang
7、XinjiangTibetTibetNortheastNortheastNorthNorthNorth westNorth westchuanyuchuanyuCentralCentralEastEastSouthSouth全国煤炭储量的全国煤炭储量的80%分布在分布在华北和西北地区华北和西北地区负荷中心却在东部及沿负荷中心却在东部及沿海经济发达地区海经济发达地区 北部通道北部通道 送电容量送电容量:2005年年,7GW 2010年,年,18GW 2020年,年,40GW中部通道中部通道送电容量送电容量:2005年年,7GW 2010年,年,21.8GW 2020年,年,40-45GW南部通道
8、南部通道送电容量送电容量:2005年年,10.88GW 2010年,年,15 GW 2020年,年,25 GW石油资源分布 n陆上和沿海大陆架沉积盆地总面积约550万km2,石油总资源量预测为940亿吨 n1996年底中国石油探明储量约32.87亿吨,居世界第九位n石油资源主要分布于东北、华北、西北地区,其中松辽盆地、渤海湾盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地占石油资源量的52.6%天然气资源分布n我国天然气地质资源量估计超过38万亿立方米,预计可采储量7-10万亿立方米n陆上资源主要集中在四川盆地、陕甘宁地区、塔里木盆地和青海,中部地区和西部地区的天然气资源量超过全国总量的一半n海上资源集中在南海和
9、东海 世界与中国一次能源比例关系 煤炭石油天然气水电和核电世界平均水平27%40%23%10%世界可采年限2304868中国78.31%17.64%2.1%1.95%中国可采年限902295风能资源分布 n我国10m高度层的风能资源总储量为32.26亿kW,其中实际可开发利用的风能资源储量为2.53亿kWn如果年利用小时按20002500h计,风电的年发量可达50606325亿kWhn风能资源的分布主要集中在东南沿海及其岛屿以及内蒙、甘肃、新疆一带区域n风力发电有三种运行方式:n独立运行方式:一台小型风力发电机向一户或几户提供电力,它用蓄电池蓄能,以保证无风时的用电n风力发电与其他发电方式(如
10、柴油机发电)相结合,向一个单位或一个村庄或一个海岛供电n风力发电并入常规电网运行,向大电网提供电力,常常是一处风电场安装几十台甚至几百台风力发电机,这是风力发电的主要发展方向。世界风能n全球的风能约为2.74109MW,其中可利用的风能为2107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。n到2007年底,全球风力发电的累计装机容量已达9410万千瓦,比上年的7410万千瓦增加27。n风能在国际能源领域所扮演的角色已从“补充能源”向“战略替代能源”方向发展。各国风电装机容量n排在前列的国家依次是:n德国(20621兆瓦)n西班牙(11615兆瓦)n美国(11603兆瓦)n印度(6270兆瓦
11、)n丹麦(3136兆瓦)。序号序号风电场名称风电场名称装机台数装机台数装机容量装机容量(kW)1新疆达坂城风电二厂新疆达坂城风电二厂1971128002宁夏贺兰风电场宁夏贺兰风电场1321122003内蒙古辉腾锡勒风电场内蒙古辉腾锡勒风电场94685004广东南澳风电场广东南澳风电场128563905河北承德风电场河北承德风电场88537006甘肃玉门风电场甘肃玉门风电场74522007广东惠来石碑山风电场广东惠来石碑山风电场87522008内蒙古克旗达里风电场内蒙古克旗达里风电场7313609内蒙古克旗赛罕坝风电场内蒙古克旗赛罕坝风电场735136010吉林洮北青山风电场吉林洮北青山风电场5
12、84930011山东长岛风电场山东长岛风电场594475012新疆达坂城风电一厂新疆达坂城风电一厂693570013河北尚义满井风电场河北尚义满井风电场233450014辽宁仙人岛风电场辽宁仙人岛风电场483266015福建六鳌风电场福建六鳌风电场363060016吉林通榆风电场吉林通榆风电场493006017新疆达板城三场新疆达板城三场203000018黑龙江富锦风电场黑龙江富锦风电场272430019辽宁东岗风电场辽宁东岗风电场3822450我国主要风电场20辽宁海洋红风电场辽宁海洋红风电场282100021浙江括苍山风电场浙江括苍山风电场331980022广东汕尾红海湾风电场广东汕尾红海
13、湾风电场251650023上海南汇风电场上海南汇风电场111650024山东即墨凤山风电场山东即墨凤山风电场151640025吉林洮南风电场吉林洮南风电场191615026黑龙江伊春大青山风电场黑龙江伊春大青山风电场191615027福建南日岛风电场福建南日岛风电场191615028浙江苍南风电场浙江苍南风电场261435029广东惠来海湾石风电场广东惠来海湾石风电场221320030山东栖霞风电场山东栖霞风电场191220031黑龙江木兰风电场黑龙江木兰风电场201200032辽宁康平风电场辽宁康平风电场121020033辽宁彰武风电场辽宁彰武风电场121020034河北张北风电场河北张北风
14、电场24985035辽宁法库风电场辽宁法库风电场12960036吉林长岭风电场吉林长岭风电场11935037河北张北满井风电场河北张北满井风电场6900038海南东方风电场海南东方风电场19875539辽宁横山风电场辽宁横山风电场24740040内蒙古朱日和风电场内蒙古朱日和风电场32690041福建平潭风电场福建平潭风电场10600042福建东山风电场福建东山风电场10600043山东荣成风电场山东荣成风电场4600044黑龙江穆棱十文字风电场黑龙江穆棱十文字风电场4490045内蒙古锡林风电场内蒙古锡林风电场13478046上海崇明风电场上海崇明风电场3450047吉林富裕风电场吉林富裕风
15、电场6450048辽宁锦州风电场辽宁锦州风电场5375049内蒙古商都风电场内蒙古商都风电场12360050辽宁小长山风电场辽宁小长山风电场6360051辽宁大长山风电场辽宁大长山风电场6360052上海奉贤风电场上海奉贤风电场4340053辽宁獐子岛风电场辽宁獐子岛风电场12300054广东深圳大梅沙风电场广东深圳大梅沙风电场8200055新疆阿拉山口风电场新疆阿拉山口风电场2120056河北丰宁风电场河北丰宁风电场2120057新疆布尔津风电场新疆布尔津风电场7105058香港南丫岛风电场香港南丫岛风电场180059宁夏红碴子风电场宁夏红碴子风电场175主要内容主要内容n电力系统优化问题通
16、用模型电力系统优化问题通用模型n无功优化无功优化n输电网规划输电网规划n机组组合机组组合n配电网重构配电网重构1 1电力系统优化问题通用模型电力系统优化问题通用模型通用的数学模型可以表示如下:Obj.min s.t.=0 0(1-1)其中,为目标函数,u为控制变量,x为状态变量,和 分别为等式约束和不等式约束类。优化算法n数学优化算法 线性规划、整数规划、混合整数规划、模糊规划、灰色理论、等等n启发式算法n进化算法 遗传算法、模拟退火、蚁群算法、TS搜索算法、专家系统1.1遗传算法原理(1)n遗传算法(genetic algorithms)是在70 年代初期由美国密执根大学的holland 教
17、授发展起来的。1975 年,holland 发表了第一本比较系统的遗传算法的专著adaptation in natural and artificial systems。n近年来,随着遗传算法基本原理、方法及其应用技巧的深入研究,遗传算法在电力系统的经济运行、电网规划、网络分割、故障诊断、潮流计算、电力系统控制等方面已经大量成功应用,并且应用范围越来越广泛。遗传算法原理(2)n遗传算法主要借用生物进化中自然选择、适者生存的规律,是建立在自然选择和群体遗传学基础上的搜索方法。nHolland 的基因模式理论使用二进制串模拟的人工染色体来表示某一优化问题的可行解,用随机方法产生一个可行解的集合,按
18、照自然选择的原理,即群体中人工染色体的适应度越高则它将获得繁殖后代的机会越大,运用定义的各种算子如交叉、变异等模拟进化,使整个群体不断优化并最终找到问题的全局最优解。遗传算法的关键因素遗传算法的关键因素:n编码编码n适应度函数适应度函数n遗传算子遗传算子 生殖生殖 交叉交叉 变异变异遗传算法原理(3)遗传算法原理(4)编码 编码是应用遗传算法时要解决的首要问题,编码方法除了决定个体染色体的排列形式外,也决定了个体从搜索空间的基因型变换到解空间的表现型的解码方法,同时编码方法也影响到运算方法。目前大多采用二进制的编码,已经出现网格编码(grid coding)、浮点编码(floating cod
19、ing)、嵌入编码(embedded coding)等方法。采取何种方式的编码,基本的原则就是应采用易于产生与所求问题相关的且具有低阶、短定义长度模式的编码方案。遗传算法原理(5)适应度函数 个体的适应度函数值可由目标函数,值按一定的转换规则求得,对于求最大化问题,作如下转换:(3-15)遗传算法原理(6)适应度函数对于求最小化问题,作如下转换:(3-16)遗传算法原理(7)遗传算子遗传算法主要有三个算子:选择、交叉和变异算子。选择:选择:一般采用转轮法选择即比例选择的方法,目前随着对算法的深入研究和实践,已经相继提出了竞争选择(tournamentselection)、排序选择(rankin
20、g selection)、稳态选择(steady-state election)。交叉:交叉:目前最常用的是单点交叉、两点交叉(two-point crossover)、多点交叉(multi-point crossover)、均匀交叉(uniformcrossover)。变异:变异:变异运算的目的是改善局部搜索能力,防止出现早熟的现象。但变异的概率不能选取的太大,否则就退化为完全的随机搜索。目前主要有固定概率变异、变概率变异以及预测变异。算例:求X2在0-31之间的最大值 用二进制表示。X要由5位数表示X=a124+a223+a322+a421+a520 N=0 形成初始染色体群 串染色体Xf
21、(x)=X2 选中概率101101131690.141211000245760.4923010008640.060410011193610.311合计1170平均293最大值576每串被选中的概率N=1串染色体父本杂交号 杂交位置新串Xf(x)=X2101101214011001214421100041100125625311000433110112772941001131000016256合计1754平均439最大值729显然,经过一次遗传操作,目标函数就有了很大改进。若将上式第3串 第3位进行变异操作,则我们将获得最优解。遗传算法的特点n对参数的编码进行优化,比较灵活n从一群点上进行搜索,
22、避免了局部最优问题n寻优直接用适应函数,无须求导。计算简单,适应面广,可以求解多峰的,非线性的,离散的优化问题。n寻优是指导性,不同于枚举法,避免了维数灾难问题。问题!n有时会出现收敛速度慢n不能判断是否已求出了最优解 2.2.无功优化无功优化(1)(1)n对对无无功功优优化化问问题题而而言言,目目标标函函数数可可以以是是网网损损最最小小、电电压压质质量量最最好好、补补偿偿容容量量最最小小、投投资资最最少少或或者者综综合合经经济济效效益益最最好好等等等,也可以是上述几种目的的综合;等,也可以是上述几种目的的综合;n约约束束条条件件一一般般为为变变量量的的取取值值范范围围,主主要要有等式约束和不
23、等式约束两大类。有等式约束和不等式约束两大类。无功优化(2)n单一目标函数优化模型单一目标函数优化模型n多目标函数优化模型多目标函数优化模型n电力市场下的优化模型电力市场下的优化模型n动态优化模型动态优化模型n无功优化算法无功优化算法n无功优化控制目前存在的问题无功优化控制目前存在的问题2.1 2.1 单一目标函数优化模型单一目标函数优化模型 单一目标函数模型包括:单一目标函数模型包括:网损最小网损最小电压偏离规定值最小电压偏离规定值最小费用最小费用最小增广函数增广函数 2.1.12.1.1网损最小网损最小min F=Obj.s.t.=0(2-2)(2-1)(2-3)(2-4)其中,T为选取分
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