電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程設(shè)計(jì)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程設(shè)計(jì)題 目：兩機(jī)五節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)潮流計(jì)算牛拉法姓 名：朱潤民學(xué) 號(hào)： 1167130230學(xué) 院：信息工程學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)： 11級(jí)電氣 2 班指導(dǎo)教師：劉景霞目錄摘要潮流計(jì)算的目的在于：確定電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式；檢查系統(tǒng)中各元件是否過電壓或 過載；為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的整定提供依據(jù)；為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算提供初值，為電力 系統(tǒng)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供分析基礎(chǔ)。牛頓迭代法(Newt on's method)又稱為牛頓-拉夫遜方法(Newto n-Raphso nm ethod)， 牛頓-拉夫遜法(簡稱牛頓法)在數(shù)學(xué)上是求解非線性代數(shù)方程式的有效方法。

2、其要點(diǎn)是把非線性方程式的求解過程變成反復(fù)地對相應(yīng)的線性方程式進(jìn)行求解的過程。MATLAB是一種交互式、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，廣泛應(yīng)用于工業(yè)界與學(xué)術(shù)界，主要用于矩陣 運(yùn)算采用迭代法，通過建立矩陣的修正方程來依次迭代，逐步逼近真值來計(jì)算出電力 網(wǎng)的電壓，功率分布。采用迭代法，通過建立矩陣的修正方程來依次迭代，逐步逼近真值來計(jì)算出電力網(wǎng) 的電壓，功率分布。本文采用牛頓-拉夫遜法解算電力穩(wěn)態(tài)潮流，用手算和計(jì)算機(jī)算法對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)潮流計(jì)算；牛頓一拉夫遜法潮流計(jì)算；程序；ABSTRACTThe Power Flow computation's goal lies in: Defi

3、nite electrical power system's movement way; In checkout system various parts whether overvoltage or overload; Provides the basis for the electrical power system relay protection's installation; Provides the starting value for electrical power system's stable computation, is the electric

4、al power system plan and the economical movement provides the analysis foundation.The Newton iteration method (Newton's method) is called Newton - Rough to abdicate the method (Newton - Rough method), Newton-Rough abdicates the law (i.e. Newton law) is solves the misalignment algebraic equation

5、in mathematics the efficacious device. Its main point is turns the misalignment equation solution process carries on repeatedly to the corresponding linear equation the solution the process. MATLAB is one kind interactive, the object-oriented programming language, widely applies in the industrial wo

6、rld and the academic circle, mainly uses in the matrix operation. Uses the repetitive process, iterates in turn through the establishment matrix's modified equation ,approaches the true value to calculate electric power network's voltage gradually, the power distribution.key word： Electrical

7、 power flow computation ；Newton - Rough abdicates the law tidal current computation； Procedurekey word： Electrical power flow computation ；Newton - Rough abdicates the law tidal current computation； Procedure內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程名稱電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目基于Matlab的兩機(jī)五節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)潮流仿真計(jì)算 牛拉法指導(dǎo)教師劉景霞時(shí)間1周一、教學(xué)要求電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程設(shè)計(jì)以設(shè)計(jì)

8、和優(yōu)化電力系統(tǒng)的潮流分析為重點(diǎn)，提高學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，盡可能結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行。設(shè)計(jì)內(nèi)容的安排要充分考慮學(xué)?，F(xiàn)有的設(shè)備， 設(shè)計(jì)時(shí)間及工程實(shí)際需要，并使學(xué)生初步學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程中的實(shí)際問題。二、設(shè)計(jì)資料及參數(shù)（一）設(shè)計(jì)原始資料1、待設(shè)計(jì)電氣設(shè)備系統(tǒng)圖2、電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)各元件參數(shù)3、電力系統(tǒng)電氣元件的使用規(guī)范4、電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊（二）設(shè)計(jì)參考資料1、電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析，陳珩，中國電力出版社，2007,第三版2、電力系統(tǒng)分析，韓禎祥，浙江大學(xué)出版社，2005,第三版3、電力系統(tǒng)分析課程實(shí)際設(shè)計(jì)與綜合實(shí)驗(yàn)，祝書萍，中國電力出版社，2007,第 一版三、設(shè)計(jì)要求及成果1. 根據(jù)給定的參數(shù)或工程具

9、體要求，收集和查閱資料；學(xué)習(xí)相關(guān)軟件（軟件自選）2. 在給定的電力網(wǎng)絡(luò)上畫出等值電路圖。3. 運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行潮流計(jì)算。4. 編寫設(shè)計(jì)說明書?；疽螅?. 編寫潮流計(jì)算程序；2. 在計(jì)算機(jī)上調(diào)試通過（？）；3. 運(yùn)行程序并計(jì)算出正確結(jié)果（？）；4. 寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告（包括以下內(nèi)容）（1份）（1）程序框圖；（2）源程序；（3）符號(hào)說明表；（4）算例及計(jì)算結(jié)果5. 編寫計(jì)算說明書（1份）。四、進(jìn)度安排根據(jù)給定的參數(shù)或工程具體要求，收集和查閱資料（半天）學(xué)習(xí)軟件（MATLA或C語言等）（一天半）編程計(jì)算復(fù)雜系統(tǒng)潮流計(jì)算（三天）編寫計(jì)算設(shè)計(jì)書（一天）五、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計(jì)成績評(píng)定依據(jù)包括以下幾點(diǎn)：1）工

10、作態(tài)度（占10%；2）基本技能的掌握程度（占20%;3) 程序編寫是否合理是否有運(yùn)行結(jié)果(40%);4) 課程設(shè)計(jì)說明書編寫水平(占30%)。5) 分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個(gè)等級(jí)?？己朔绞剑涸O(shè)計(jì)期間教師現(xiàn)場檢查；評(píng)閱設(shè)計(jì)報(bào)告0.4+j0.050.45+j0.152-(0.2+j0.2)0.6+j0.1系統(tǒng)接線圖其中節(jié)點(diǎn)1為平衡節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)2、3、4、5為PQ節(jié)點(diǎn)第一章電力系統(tǒng)潮流計(jì)算概述1.1 潮流計(jì)算簡介電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的一種計(jì)算，它根據(jù)給定的運(yùn)行條件及系統(tǒng)接線情況確定整個(gè)電力系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)：各母線的電壓，各元件中流過 的功率，系統(tǒng)的功率損耗等等。在電力系

11、統(tǒng)規(guī)劃的設(shè)計(jì)和現(xiàn)有電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的研究 中，都需要利用潮流計(jì)算來定量地分析比較供電方案或運(yùn)行方式的合理性。可靠性和經(jīng) 濟(jì)性。此外，電力系統(tǒng)潮流計(jì)算也是計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。所以潮流計(jì) 算是研究電力系統(tǒng)的一種很重要和基礎(chǔ)的計(jì)算。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算也分為離線計(jì)算和在線計(jì)算兩種，前者主要用于系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和 安排系統(tǒng)的運(yùn)行方式，后者則用于正在運(yùn)行系統(tǒng)的經(jīng)常監(jiān)視及實(shí)時(shí)控制。利用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算從 50年代中期就已經(jīng)開始。在這20年 內(nèi)，潮流計(jì)算曾采用了各種不同的方法，這些方法的發(fā)展主要圍繞著對潮流計(jì)算的一些 基本要求進(jìn)行的。對潮流計(jì)算的要求可以歸納為下面幾點(diǎn)：(1) 計(jì)算方

12、法的可靠性或收斂性;(2) 對計(jì)算機(jī)內(nèi)存量的要求;(3) 計(jì)算速度；(4) 計(jì)算的方便性和靈活性。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算問題在數(shù)學(xué)上是一組多元非線性方程式求解問題，其解法都離不開迭代。因此，對潮流計(jì)算方法，首先要求它能可靠地收斂，并給出正確答案。由于電 力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)的一些特點(diǎn)，并且隨著電力系統(tǒng)不斷擴(kuò)大，潮流計(jì)算的方程式階數(shù)也 越來越高，對這樣的方程式并不是任何數(shù)學(xué)方法都能保證給出正確答案的。這種情況成 為促使電力系統(tǒng)計(jì)算人員不斷尋求新的更可靠方法的重要因素。1.2 潮流計(jì)算的意義及其發(fā)展在電網(wǎng)規(guī)劃階段，通過潮流計(jì)算，合理規(guī)劃電源容量及接入點(diǎn)，合理規(guī)劃網(wǎng)架選擇無功補(bǔ)償方案，滿足規(guī)劃水平的大、小方式

13、下潮流交換控制、調(diào)峰、調(diào)相、調(diào) 壓的要求。在編制年運(yùn)行方式時(shí)，在預(yù)計(jì)負(fù)荷增長及新設(shè)備投運(yùn)基礎(chǔ)上，選擇典型方式進(jìn)行潮流計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)，供調(diào)度員日常調(diào)度控制參考 ，并對規(guī)劃、 基建部門提出改進(jìn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ，加快基建進(jìn)度的建議。正常檢修及特殊運(yùn)行方式下的潮流計(jì)算，用于日運(yùn)行方式的編制，指導(dǎo)發(fā)電廠開機(jī)方式，有功、無功調(diào)整方案及負(fù)荷調(diào)整方案，滿足線路、變壓器熱穩(wěn)定要求及電壓質(zhì)量要求。預(yù)想事故、設(shè)備退出運(yùn)行對靜態(tài)安全的影響分析及作出預(yù)想的運(yùn)行方 式調(diào)整方案?？偨Y(jié)為在電力系統(tǒng)運(yùn)行方式和規(guī)劃方案的研究中，都需要進(jìn)行潮流計(jì)算以比 較運(yùn)行方式或規(guī)劃供電方案的可行性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控電 力

14、系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也需要進(jìn)行大量而快速的潮流計(jì)算。因此，潮流計(jì)算是電力 系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、最基本和最重要的一種電氣運(yùn)算。在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和安排系 統(tǒng)的運(yùn)行方式時(shí)，采用離線潮流計(jì)算；在電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控中，則采 用在線潮流計(jì)算。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算屬于穩(wěn)態(tài)分析范疇，不涉及系統(tǒng)元件的動(dòng)態(tài)特性和過渡過程。 因此其數(shù)學(xué)模型不包含微分方程，是一組高階非線性方程。非線性代數(shù)方程組的解法離 不開迭代，因此，潮流計(jì)算方法首先要求它是能可靠的收斂，并給出正確答案。隨著電 力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，潮流問題的方程式階數(shù)越來越高，目前已達(dá)到幾千階甚至上萬 階，對這樣規(guī)模的方程式并不是采用任何數(shù)學(xué)方法都能保證給出正確答案

15、的。這種情況 促使電力系統(tǒng)的研究人員不斷尋求新的更可靠的計(jì)算方法。在用數(shù)字計(jì)算機(jī)求解電力系統(tǒng)潮流問題的開始階段，人們普遍采用以節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的高斯-賽德爾迭代法。這個(gè)方法的原理比較簡單，要求的數(shù)字計(jì)算機(jī)的內(nèi)存量 也比較小，適應(yīng)當(dāng)時(shí)的電子數(shù)字計(jì)算機(jī)制作水平和電力系統(tǒng)理論水平，于是電力系統(tǒng)計(jì) 算人員轉(zhuǎn)向以阻抗矩陣為主的逐次代入法。阻抗法改善了電力系統(tǒng)潮流計(jì)算問題的收斂性，解決了導(dǎo)納法無法解決的一些系統(tǒng) 的潮流計(jì)算，在當(dāng)時(shí)獲得了廣泛的應(yīng)用，曾為我國電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行和研究作出了很 大的貢獻(xiàn)。但是，阻抗法的主要缺點(diǎn)就是占用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存很大，每次迭代的計(jì)算量很 大。當(dāng)系統(tǒng)不斷擴(kuò)大時(shí)，這些缺點(diǎn)就更加突

16、出。為了克服阻抗法在內(nèi)存和速度方面的缺 點(diǎn)，后來發(fā)展了以阻抗矩陣為基礎(chǔ)的分塊阻抗法。這個(gè)方法把一個(gè)大系統(tǒng)分割為幾個(gè)小 的地區(qū)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)只需存儲(chǔ)各個(gè)地區(qū)系統(tǒng)的阻抗矩陣及它們之間的聯(lián)絡(luò)線的阻 抗，這樣不僅大幅度的節(jié)省了內(nèi)存容量，同時(shí)也提高了計(jì)算速度。克服阻抗法缺點(diǎn)的另一途徑是采用牛頓 -拉夫遜法（以下簡稱牛頓法） 。牛頓法是 數(shù)學(xué)中求解非線性方程式的典型方法，有較好的收斂性。解決電力系統(tǒng)潮流計(jì)算問題是 以導(dǎo)納矩陣為基礎(chǔ)的，因此，只要在迭代過程中盡可能保持方程式系數(shù)矩陣的稀疏性， 就可以大大提高牛頓潮流程序的計(jì)算效率。 自從 20世紀(jì) 60年代中期采用了最佳順序消 去法以后，牛頓法在收斂性、內(nèi)

17、存要求、計(jì)算速度方面都超過了阻抗法，成為直到目前 仍被廣泛采用的方法。 在牛頓法的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，抓住主要矛盾，對 純數(shù)學(xué)的牛頓法進(jìn)行了改造，得到了 P-Q分解法。P-Q分解法在計(jì)算速度方面有顯著的 提高，迅速得到了推廣， 牛頓法的特點(diǎn)是將非線性方程線性化。第一章 潮流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型2.1 導(dǎo)納矩陣的原理及計(jì)算方法2.1.1 自導(dǎo)納和互導(dǎo)納的確定方法gg電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電壓方程 ：I B YB UB（2-1）gIb為節(jié)點(diǎn)注入電流列向量，注入電流有正有負(fù)，注入網(wǎng)絡(luò)的電流為正，流出網(wǎng)絡(luò)的 電流為負(fù)。根據(jù)這一規(guī)定，電源節(jié)點(diǎn)的注入電流為正，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)為負(fù)。既無電源又無負(fù) 荷的聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為零，帶有

18、地方負(fù)荷的電源節(jié)點(diǎn)為二者代數(shù)之和。gUb為節(jié)點(diǎn)電壓列向量，由于節(jié)點(diǎn)電壓是對稱于參考節(jié)點(diǎn)而言的， 因而需先選定參考 節(jié)點(diǎn)。在電力系統(tǒng)中一般以地為參考節(jié)點(diǎn)。如整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無接地支路，則需要選定某一節(jié) gg點(diǎn)為參考。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)為（不含參考節(jié)點(diǎn)），則Ib，Ub均為n*n列向量。YB為n*n 階節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣。gg節(jié)電導(dǎo)納矩陣的節(jié)點(diǎn)電壓方程：IB YBU B展開為：YiY2LYin電U3Y21Y22Y23LY2n&Y31Y32Y33LY3nMMMMMM&nYniYn2Yn3MYnnUnYb是一個(gè)n*n階節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，其階數(shù)就等于網(wǎng)絡(luò)中除參考節(jié)點(diǎn)外的節(jié)點(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的對角元素Yi (i=

19、1 ，2，L n)成為自導(dǎo)納。自導(dǎo)納數(shù)Yi值上就等于在i節(jié) 點(diǎn)施加單位電壓，其他節(jié)點(diǎn)全部接地時(shí)，經(jīng)節(jié)點(diǎn)i注入網(wǎng)絡(luò)的電流，因此，它可以定義為：Yi&/l&(Uj0,j i)(2-3)節(jié)點(diǎn)i的自導(dǎo)納Y數(shù)值上就等于與節(jié)點(diǎn)直接連接的所有支路導(dǎo)納的總和節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的非對角元素 Yij (j=1 ， 2，n;i=1 ，2，n;j工i)稱互導(dǎo)納， 由此可得互導(dǎo)納Yj數(shù)值上就等于在節(jié)點(diǎn)i施加單位電壓，其他節(jié)點(diǎn)全部接地時(shí)，經(jīng)節(jié) 點(diǎn)j注入網(wǎng)絡(luò)的電流，因此可定義為：Yji&/l&(Uj0,j i)(2-4)節(jié)點(diǎn)j，i之間的互導(dǎo)納Yj數(shù)值上就等于連接節(jié)點(diǎn)j，i支路到導(dǎo)納的負(fù)值。顯然,

20、恒Yj等于Yji?；?dǎo)納的這些性質(zhì)決定了節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣是一個(gè)對稱稀疏矩陣。而且，由 于每個(gè)節(jié)點(diǎn)所連接的支路數(shù)總有一個(gè)限度，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加非零元素相對愈來愈少，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的稀疏度，即零元素?cái)?shù)與總元素的比值就愈來 愈咼。2.2 潮流計(jì)算的基本方程（a）潮流計(jì)算用的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖（b）在潮流問題中，任何復(fù)雜的電力系統(tǒng)都可以歸納為以下元件（參數(shù)）組成（1）發(fā)電機(jī)（注入電流或功率）（2）負(fù)荷（注入負(fù)的電流或功率）（3）輸電線支路（電阻，電抗）（4）變壓器支路（電阻，電抗，變比）（5）母線上的對地支路（阻抗和導(dǎo)納）（6）線路上的對地支路（一般為線路充電點(diǎn)容導(dǎo)納）集中了以上各類型的元件的簡單網(wǎng)絡(luò)如圖（a

21、）.采用導(dǎo)納矩陣時(shí)，節(jié)點(diǎn)注入電流和節(jié)點(diǎn)電壓構(gòu)成以下線性方程組g g(2-5)&rnl=YU1&1 1&2其中Un可展開如下形式&nYij &j (i=1,2,L n )(2-6)j 1由于實(shí)際電網(wǎng)中測量的節(jié)點(diǎn)注入量一般不是電流而是功率，因此必須將式中的注入電流用節(jié)點(diǎn)注入功率來表示。節(jié)點(diǎn)功率與節(jié)點(diǎn)電流之間的關(guān)系為S=P jQi U&&（2-7）式中 PiPGiPLDi，QiQGiQLDi因此用導(dǎo)納矩陣時(shí),PQ節(jié)點(diǎn)可以表示為& Si/L&R jQi把這個(gè)關(guān)系代入式中，得P jQigYjUj(i1,2,L n)(2-8)式（3-

22、4 ）就是電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型-潮流方程。它具有如下特點(diǎn):（1）它是一組代數(shù)方程，因而表征的是電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行特性。（2）它是一組非線性方程，因而只能用迭代方法求其數(shù)值解。（3）由于方程中的電壓和導(dǎo)納既可以表為直角坐標(biāo)，又可表為極坐標(biāo)，因而潮流方程有多種表達(dá)形式-極坐標(biāo)形式，直角坐標(biāo)形式和混合坐標(biāo)形式。a。取 L& UiPi ，Yj |yj | j，得到潮流方程的極坐標(biāo)形式：njQiU iiYijU ji（2-9）j 1b。取U ejfi ，YjGjjBij，得到潮流方程的直角坐標(biāo)形式:Pnqj 1n(Gij ejBjfj)nfiGj fjj 1nBij ej )(2-10)Q

23、,fii(Gij ejBijfj)e(Gj fjBij ej )j 1j 1c。取，l&f Uii YjGj jBjj，得到潮流方程的混合坐標(biāo)形式:nR U U j (Gj cos ijBij sin j)j in (2-11)QiU j (Gij sin ijBij cos ij)j 1（4）它是一組n個(gè)復(fù)數(shù)方程，因而實(shí)數(shù)方程數(shù)為2n個(gè)但方程中共含4n個(gè)變量：P,Q U和，i=1，2，L，n，故必須先指定2n個(gè)變量才能求解2.3 電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分類用一般的電路理論求解網(wǎng)絡(luò)方程，目的是給出電壓源（或電流源）研究網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電流 （或電壓）分布，作為基礎(chǔ)的方程式，一般用線性代數(shù)方程式表示。然而在電力系統(tǒng)中， 給出發(fā)電機(jī)或負(fù)荷連接母線上電壓或電流（都是向量）的情況是很少的，一般是給出發(fā)電 機(jī)母線上發(fā)電機(jī)的有功功率（P）和母線電壓的幅值（U），給出負(fù)荷母線上負(fù)荷消耗的有功 功率（P）和無功功率（Q）。主要目的是由這些已知量去求電力系統(tǒng)內(nèi)的各種電氣量。所以,根據(jù)電力系統(tǒng)中