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内容简介

《电力系统电压稳定分析与控制方法》共23章。第1～第4章介绍静态电压稳定分析的基本方法、静态电压稳定极限点识别和计算的混合算法及含二次电压控制的静态电压稳定分析方法。第5～第18章介绍非线性最优控制问题的求解方法，电压稳定全过程精确仿真和准稳态仿真方法，非线性最优控制的直接动态优化法和间接动态优化法、模型预测控制方法、分布式模型预测控制方法及多目标强化学习方法应用于求解长期电压稳定控制问题。第19～第23章介绍暂态电压稳定控制方法，包括基于轨迹灵敏度法的暂态电压稳定预防控制、基于模型预测控制的暂态电压稳定紧急控制方法、多目标混合整数最优控制应用于求解暂态电压紧急控制问题及三级电压控制体系下暂态电压稳定仿真及紧急控制方法。《电力系统电压稳定分析与控制方法》对所提出的各种算法均从模型建立、算法实现等方面进行了详细推导；在算例分析中，不仅采用了国际通用的标准试验系统作为算例，且采用了真实省级电网的实际运行数据作为算例。

内页插图

目录

目录
前言
缩略词表
第1章 静态电压稳定分析的基本方法 1
1.1 静态电压稳定分岔点的特征和判定条件 1
1.1.1 鞍结分岔点的特征和判定条件 2
1.1.2 极限诱导分岔点的特征和判定条件 2
1.2 连续潮流法 3
1.2.1 基本原理 3
1.2.2 修正方程式 5
1.2.3 修正方程式的预解 6
1.2.4 扩展状态变量修正值的计算 8
1.2.5 连续参数的选择 8
1.2.6 静态电压稳定极限点的确定 9
1.3 最优潮流法 10
1.4 崩溃点法 12
1.5 连续潮流法和最优潮流法的比较分析 15
1.5.1 连续潮流模型 15
1.5.2 最优潮流模型 16
1.5.3 两者的等价性条件 16
1.5.4 算例分析 17
1.6 小结 22
参考文献 23
第2章 静态电压稳定极限点识别和计算的混合算法 24
2.1 混合算法的基本原理 24
2.1.1 初步确定极限点性质 24
2.1.2 精确识别和计算极限点 26
2.2 混合算法的关键技术 26
2.2.1 对平衡发电机功率限制的处理方法 26
2.2.2 对崩溃点法的改进 28
2.3 算例分析 29
2.3.1 IEEE30节点系统 30
2.3.2 IEEE118节点系统 33
2.3.3 IEEE300节点系统 36
2.3.4 538节点实际系统 38
2.4小结 40
参考文献 40
第3章 含二次电压控制的PV曲线计算 42
3.1 三级电压控制架构及模型 42
3.2 含二次电压控制的潮流计算 44
3.3 含二次电压控制的连续潮流计算 45
3.3.1 计算模型 45
3.3.2 连续参数的选择 46
3.3.3 控制发电机无功越限的处理 46
3.3.4 控制发电机电压越限的处理 47
3.3.5 节点优化编号和分块矩阵的应用 47
3.4 算例分析 47
3.4.1 新英格兰39节点系统 47
3.4.2 某实际省级电网 53
3.5 小结 57
参考文献 57
第4章 含二次电压控制静态电压稳定裕度计算的最优潮流法 58
4.1 控制分区中含单个先导节点的静态电压稳定裕度计算 58
4.1.1 不接入控制发电机无功越限的处理 59
4.1.2 控制发电机无功越限的处理 59
4.1.3 计算模型 60
4.1.4 基于稀疏技术的非线性原-对偶内点法 61
4.1.5 算例分析 63
4.2 控制分区中含多个先导节点的静态电压稳定裕度计算 71
4.2.1 控制发电机无功出力的处理 71
4.2.2 不接入控制发电机无功越限的处理 71
4.2.3 多个先导节点电压的处理 72
4.2.4 计算模型 73
4.2.5 算例分析 74
4.3 小结 77
参考文献 78
第5章 非线性最优控制问题的求解方法 79
5.1 求解非线性最优控制问题的直动态优化法 79
5.2 求解非线性最优控制问题的间接动态优化法 82
5.3 求解混合整数非线性最优控制问题的凸松弛法 84
5.4 模型预测控制法 87
5.5 小结 89
参考文献 90
第6章 电压稳定全过程精确仿真和准稳态仿真 91
6.1 电压稳定全过程精确仿真 91
6.1.1 多时标全过程系统模型 91
6.1.2 同步发电机组模型 94
6.1.3 综合负荷的指数恢复模型 96
6.1.4 有载调压变压器模型 98
6.1.5 网络模型 100
6.2 长期电压稳定准稳态仿真 100
6.2.1 时标分解与准稳态仿真 100
6.2.2 准稳态近似数学模型 101
6.2.3 准稳态仿真的求解过程 102
6.2.4 准稳态仿真的局限性及其对策 103
6.3 小结 104
参考文献 104
第7章 长期电压稳定控制的直接动态优化方法 106
7.1 OCVC模型 106
7.2 基于直接动态优化的离散非线性规划模型 107
7.3 结合二次罚函数的离散控制变量处理方法 111
7.4 算法总体步骤 113
7.4.1 初始点的选择 114
7.4.2 罚函数的引入机制 114
7.4.3 收敛精度 115
7.5 算例分析 115
7.6 小结 118
参考文献 118
第8章 长期电压稳定控制的多波前快速求解方法 119
8.1 修正方程的数据结构 119
8.2 多波前分解法的原理 123
8.2.1 消去树结构 123
8.2.2 波前矩阵和更新矩阵 124
8.2.3 波前矩阵与更新矩阵举例 125
8.2.4 波前矩阵的组装 126
8.3 修正方程的迭代求解方法 127
8.3.1 预处理共轭梯度法 127
8.3.2 广义极小残差法 128
8.3.3 不完全LU分解预处理器 130
8.4 算例分析 131
8.5 小结 137
参考文献 137
第9章 长期电压稳定控制的线搜索滤波器内点法 139
9.1 线搜索滤波器内点法的基本原理 139
9.2 算法实现步骤 143
9.3 算例分析 144
9.4小结 149
参考文献 149
第10章 保留二次电压控制器的长期电压稳定控制切换直接算法 151
10.1 含二次电压控制器的OCVC模型 151
10.2 切换直接算法 154
10.2.1 壁垒问题及其修正方程 154
10.2.2 利用切换技术求解壁垒问题 155
10.3 算法总体步骤 155
10.4 算例分析 156
10.4.1 新英格兰10机39节点系统 157
10.4.2 IEEE50机145节点系统 160
10.5 小结 161
参考文献 162
第11章 长期电压稳定控制的间接动态优化方法 163
11.1 OCVC模型及其变形 163
11.2 间接Radau排列算法 165
11.2.1 一阶最优性条件 165
11.2.2 Radau排列解法 167
11.3 算法实现 167
11.4 算例分析 168
11.4.1 测试系统的相关设置 168
11.4.2 计算结果与分析 169
11.5 小结 172
参考文献 172
第12章 基于轨迹灵敏度的长期电压稳定模型预测控制方法 173
12.1 轨迹灵敏度的计算 173
12.1.1 连续点的轨迹灵敏度计算 174
12.1.2 跃变时刻的轨迹灵敏度计算 175
12.1.3 轨迹灵敏度的求解 180
12.2 基于准稳态假设的滚动优化模型 186
12.3 算法实现步骤 187
12.4 算例分析 187
12.4.1 新英格兰10机39节点系统 188
12.4.2 IEEE50机145节点系统 190
12.5 小结 193
参考文献 193
第13章 基于修正轨迹灵敏度的长期电压稳定模型预测控制方法 194
13.1 参考轨迹的引入 194
13.2 轨迹灵敏度的修正 196
13.3 控制元件的动态选取 197
13.4 算法的实现 197
13.5 算例分析 199
13.6 小结 201
参考文献 201
第14章 长期电压稳定的非线性模型预测控制方法 203
14.1 滚动优化的非线性规划模型 203
14.2 算法的实现 204
14.3 算例分析 205
14.3.1 算例一 206
14.3.2 算例二 208
14.4 小结 210
参考文献 210
第15章 长期电压稳定非线性模型预测控制的可行性恢复算法 211
15.1 可行性恢复算法的基本原理 211
15.1.1 初期线搜索阶段 214
15.1.2 可行性恢复阶段的基本过程 216
15.1.3 基于Dogleg方向的计算步骤 218
15.2 KKT残差的降低 219
15.3 算法的实现 220
15.4 算例分析 221
15.5 小结 225
参考文献 225
第16章 长期电压稳定模型预测控制的非线性规划灵敏度算法 227
16.1 基于精确模型的滚动优化模型 228
16.2 非线性规划灵敏度算法的基本原理 230
16.3 算法的实现 232
16.4 算例分析 233
16.5 小结 236
参考文献 237
第17章 长期电压稳定分布式模型预测控制方法 238
17.1 集中式滚动优化模型的分解 239
17.1.1 目标函数分解 239
17.1.2 电压预测模型分解 240
17.2 分布式模型预测滚动优化模型和求解方法 241
17.3 基于多代理技术的实现方法 243
17.3.1 多代理系统 243
17.3.2 开发工具 247
17.3.3 系统架构 248
17.4 算例分析 253
17.4.1 新英格兰10机39节点系统 253
17.4.2 IEEE50机145节点系统 257
17.5 小结 263
参考文献 263
第18章 长期电压稳定多目标协调二次电压控制方法 264
18.1 多目标协调二次电压控制模型 265
18.1.1 电网分区及主导节点选择 265
18.1.2 多目标优化建模 265
18.1.3 轨迹灵敏度求取 267
18.2 简化强化学习方法的基本原理 268
18.2.1 基本思想 268
18.2.2 基本算法 269
18.3 多目标协调二次电压控制问题的求解 274
18.3.1 帕累托最优解的定义 274
18.3.2 求解思路和难点 275
18.3.3 控制变量的离散化 276
18.3.4 初始点定位与状态空间自主压缩 277
18.3.5 基于状态敏感度的全局搜索 278
18.3.6 简化强化学习的主循环 281
18.4 最优解的在线选取方法 287
18.4.1 实时权重系数的确定 287
18.4.2 具体选取方法 288
18.5 算例分析 288
18.5.1 帕累托前沿的对比分析 289
18.5.2 实时权重的控制效果分析 294
18.5.3 计算时间与收敛性分析 296
18.6 小结 297
参考文献 298
第19章 基于轨迹灵敏度的暂态电压稳定预防控制方法 300
19.1 暂态电压稳定分析的数学模型 300
19.2 轨迹灵敏度分析 301
19.3 预防控制优化模型 302
19.3.1 暂态电压稳定约束描述 302
19.3.2 暂态电压稳定约束最优潮流模型 303
19.4 求解方法 305
19.4.1 系统轨迹对预防控制变量灵敏度的计算 305
19.4.2 暂态电压稳定约束的

前言/序言

　　电压稳定是指在一个给定的初始运行状态下承受扰动后维持系统母线电压的能力，可分为静态电压稳定、短期电压稳定（又称为暂态电压稳定）和长期电压稳定。其研究始于20世纪50年代初，但直到20世纪七八十年代，因多次电压失稳的发生才引起工业界和学术界的广泛重视，并成为电力系统领域的研究热点。进入21世纪以来，世界范围内电压失稳和电压崩溃事故产生的影响较以往更为严重，例如，2003年8月14日，美加电网发生电压崩溃事故，造成美国东北部和加拿大部分地区长时间大停电；时隔不久，2006年11月4日，西欧8个国家发生了大面积停电事故，这是欧洲30年来最严重的一次停电事故，1000多万人受到影响。而我国随着“西电东送、南北互供、全国联网”的实施，带来的是前所未有的大规模远距离输电。虽然还没有发生过恶性电压崩溃事故，但电压失稳引起的局部停电事故却时有发生。随着交直流并联输电通道和大规模受端负荷中心电网的逐步形成，受端负荷中心动态无功备用不足和送电通道过于集中，以及电力系统运行在接近电网极限输送能力状态，导致电力系统比以往更加容易受到电压失稳的威胁。
　　针对电力系统的电压稳定运行要求，如何采取实时、自动以及协调的电压控制措施以有效防止电压崩溃的发生，这既是电力工业提出的现实需求，也是电力科学工作者面临的巨大挑战。在这个需求的指引下，工业界和学术界做了大量的工作，其中最有代表性的是分层协调电压控制（一般将这种控制方式称为三级电压控制或自动电压控制）。该控制结构在法国、意大利等国家有实际工程应用，在我国部分省级电网也已开始应用。三级电压控制大多采用稳态系统模型，可增加系统电压稳定裕度，可推迟电压崩溃的发生，从而给系统运行调度人员留有充分时间采取进一步的措施。在此背景下，还有如下问题需要研究：①三级电压控制对于提高系统静态电压稳定的作用显著，但原有分析静态电压稳定的方法并不能适用于考虑三级电压控制作用的电力系统模型，有必要对其进行扩展；②三级电压控制有利于提高系统长期电压稳定，但当系统处于紧急状态时，三级电压控制并不能保证阻止电压崩溃的发生，因此有必要以系统动态模型为基础进一步探讨最优协调电压控制问题；③三级电压控制属于慢速控制，难以解决暂态电压稳定控制问题，因此亟须以系统机电暂态模型为基础发展暂态电压稳定的控制方法。
　　近十年来，我们致力于将先进优化方法和控制理论应用于求解电力系统电压稳定分析与控制领域的相关问题，已发表相关学术论文60余篇。全书共分23章。第1章介绍静态电压稳定分析的基本方法，包括静态电压稳定极限点的基本计算方法、连续潮流和最优潮流方法的比较分析。第2～4章介绍静态电压稳定极限点识别和计算的混合算法及含二次电压控制的电力系统静态电压稳定分析方法。第5章介绍非线性最优控制问题的求解方法，包括直接动态优化法、间接动态优化法、求解混合整数非线性最优控制问题的凸松弛法及模型预测控制法；第6章介绍电压稳定全过程精确仿真和准稳态仿真方法；第7～18章介绍长期电压稳定控制方法，包括非线性最优控制的直接动态优化法和间接动态优化法、模型预测控制方法、分布式模型预测控制方法及多目标强化学习方法应用于求解长期电压稳定控制问题。第19～23章介绍暂态电压稳定控制方法，包括基于轨迹灵敏度的暂态电压稳定预防控制方法、基于模型预测控制的暂态电压稳定紧急控制方法、多目标混合整数最优控制方法应用于求解暂态电压稳定紧急控制问题及三级电压控制体系下暂态电压稳定仿真及紧急控制方法。本书对所提出的各种算法均从模型建立、算法实现等方面进行了详细推导；在算例分析中，不仅采用了国际通用的标准试验系统作为算例，且采用了真实省级电网的实际运行数据作为算例。

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