基于多目标最优控制原理的暂态电压安全紧急控制研究

When a power system enters a transient voltage security emergency status after following a disturbance, all kinds of control actions of dynamic components can be coordinated to maintain its transient voltage security, such as adjusting the voltage settings of automatic voltage regulators of generators and static synchronous compensators (or static VAr compensators), switching capacitor/reactor banks, and even shedding some loads. This transient voltage security emergency control problem can be expressed as a multi-objective optimal control model including both continuous controls and discrete controls. Therefore, the continuous scalar multi-objective optimization method and mixed-integer optimal control method are combined to solving this multiple objective dynamic optimization problem, and the Pareto optimal solution set can be obtained. This original multiple objective dynamic optimization problem can be converted into a series of parametric single objective mixed-integer optimal control problems through the normal boundary intersection method and normalized normal constraint method. By means of convex relaxation technology,direct multiple shooting method,reduced space technology,sum up rounding strategy, switching time optimization technology,the polynomial time algorithm for solving these single objective mixed-integer optimal control problems can be constructed. Based on parallel characteristics occurred during multiple objective optimization and direct multiple shooting process, the whole parallel computing framework can be built in order to enhance computational efficiency.

当电力系统发生故障处于暂态电压安全紧急状态时，可以通过协调各种动态元件的控制动作，如改变发电机自动电压调节器和静止同步补偿器 (或静止无功补偿器)的电压设定值，投切电容器/电抗器组，甚至切除部分负荷，以维持系统的暂态电压安全。本项目将暂态电压安全紧急控制问题描述为包含连续控制和离散控制的多目标最优控制模型，将连续的标量多目标优化方法和混合整数最优控制方法结合起来求解这个多目标动态优化模型，从而获得帕累托最优解集。应用法线边界交叉法和规格化法平面约束法将包含连续控制和离散控制的多目标动态优化问题转换为一系列参数化的单目标混合整数最优控制问题；借助凸松弛技术、直接多重打靶法、简化空间技术、求和取整策略和切换时间优化技术，构建求解单目标混合整数最优控制问题的多项式时间算法。利用多目标优化和直接多重打靶求解过程中呈现的并行特征，构建整个算法的并行计算框架，以提高计算效率。

本项目从暂态电压安全紧急控制和动态无功源最优配置两个方面展开研究。在暂态电压安全紧急控制方面取得如下进展：(1)最优协调控制，提出暂态电压安全混合整数最优控制模型及凸松弛方法。以调节发电机励磁参考电压和投切电容电抗器组为控制手段，建立暂态电压安全控制的多目标混合整数最优控制模型，然后借助规格化法平面约束法和凸松弛技术将该模型转化为单目标连续最优控制模型，最后通过优化控制变量的大小及其切换时间的调整实现离散控制变量的自然归整。(2)分散控制，提出一种对快投电容器组控制定值进行协调优化的方法，以分散协调的方式实现暂态电压安全的最优控制。快投电容器组控制定值的协调优化问题被描述为一个多预想故障联立的混合整数动态优化问题，通过先求取各故障下的最优电容投入量，然后通过反推相应控制定值的方式实现对快投电容器组控制定值的协调优化。针对该多故障联立的混合整数动态优化问题，基于多重打靶法与简化空间序贯二次规划算法中呈现的故障解耦与时段解耦特性，设计了两层并行框架以提高计算效率。(3)协调控制和分散控制的高效计算，提出求解大电网暂态电压安全最优控制问题的区域分解多重打靶法。在多重打靶法的基础上，引入区域分解方法，将大电网的最优控制问题分解为一个小规模的非线性规划问题和多个时段解耦、区域分解的时域仿真问题，进行交替求解。.在动态无功源最优配置方面取得如下进展：针对STATCOM和发电机两种动态无功源的最优配置问题，建立了在多预想故障场景下考虑电压安全和功角稳定约束的多目标混合整数动态优化模型，同时确定STATCOM的安装地点和容量以及发电机励磁系统调差系数的设定值。提出利用简化凸松弛方法对STATCOM安装地点这类整数变量构建凸组合，从而将混合整数动态优化问题转化为连续动态优化问题。针对规格化法平面约束法无法求取完整帕累托最优解集的缺陷，提出一种简化广域规格化法平面约束法，通过扩展乌托邦面获得完整帕累托最优解集。