【正文】 電力系統(tǒng)潮流計(jì)算畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 摘要 電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有很重要的作用潮流計(jì)算也是電力系統(tǒng)暫態(tài)分析的基礎(chǔ)潮流計(jì)算是根據(jù)給定的系統(tǒng)運(yùn)行條件來計(jì)算系統(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)行狀況主要包括電壓和功率的計(jì)算到目前為止利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算的算法已經(jīng)出現(xiàn)了很多其中應(yīng)用最為廣泛的是基于牛頓拉夫遜法的潮流計(jì)算方法 在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算之前需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分和編號(hào)建立電力網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型即電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方程式本文主要介 紹了節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的形成方法在形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣之前需要將電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值電路的變換其中主要包括輸電線路和變壓器的等值電路的變換 由于牛頓拉夫遜潮流計(jì)算對(duì)于初值的給定有比較高的要求因此在進(jìn)行牛頓拉夫遜迭代計(jì)算前先采用高斯賽德爾迭代法產(chǎn)生一組比較精確的初值本文詳細(xì)介紹了高斯賽德爾法和牛頓拉夫遜法迭代計(jì)算的過程其中主要內(nèi)容有迭代方程式的建立雅克比矩陣的計(jì)算功率和電壓的計(jì)算以及在迭代過程中 PV 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為PQ節(jié)點(diǎn)時(shí)的處理方法開發(fā)工具采用 Matlab編程語(yǔ)言采用讀寫 Excel電子表格的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和輸出 本文采用一 個(gè) 5 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)例分析用 Matlab 開發(fā)的計(jì)算程序進(jìn)行潮流計(jì)算計(jì)算結(jié)果表明程序的算法具有良好的收斂性和實(shí)用性 關(guān)鍵字潮流計(jì)算節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣牛頓拉夫遜高斯賽德爾 Matlab Abstract Power flow calculation has a very important role in power system steadystate analysis and power system design and it is also the basis of transient analysis in power system Flow calculation is based on given conditions of the power system and calculates the operational status of every part of the system including voltage and power So far there are kinds of algorithm which use the electronic puter in power flow calculation the most widely used algorithm is the Newton Raphson power flow calculation method Before we the puter in power flow calculation we need to need to have the nodes of the work classified and numbered and establish a mathematical model of power work namely the power system work equations This paper describes the formation of the node admittance matrix In the formation of the node admittance matrix we need to transform the power work to equivalent circuit which includes transformation of transmission lines and transformers The Newton Raphson power flow calculation has a relatively high demand for a given initial value So before the Newton Raphson iteration we use Gauss Seidel iterative method to produce a more precise initial value This paper describes the process of Gauss Seidel and Newton Raphson iteration The main contents are the establishment of iterative equation the calculation of Jacobian matrix and the calculation of power and voltage as well as how to deal with the situation when a PV node transform to a PQ node iteration processWe use the Matlab programming language as development tools the input and output of the data process in the Excel spreadsheets In this paper we utilize a system contains 5 nodes to analyze the result of the calculation by the Matlab program shows that the algorithm is convergence and practice Key WordsPower flow calculationnode admittance matrixNewton – Rap sonGauss – SeidelMatlab 目錄 第 1 章 緒論 1 11 課題背景 1 12 選題意義 1 13 潮流計(jì)算及其現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì) 2 14 本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作 3 第 2 章 電力系統(tǒng)潮流計(jì)算基本原理 4 21 電力網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型 4 211 電力網(wǎng)絡(luò)的基本方程式 4 212 自導(dǎo)納和互導(dǎo)納的確定方法 5 213 節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的性質(zhì)及意義 7 214 非標(biāo)準(zhǔn)變比變壓器等值電路 8 22 潮流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型 10 221 潮流計(jì)算的節(jié)點(diǎn)類型 10 222 潮流計(jì)算基本方程 10 23 潮流計(jì)算的約束條件 12 24 潮流計(jì)算方法 13 241 牛頓拉夫遜法 13 242 高斯賽德爾法 13 243 PQ 分解法 14 244 擬牛頓算法 16 25 Matlab 簡(jiǎn)介 16 251 Matlab 概述 16 252 matlab GUI 簡(jiǎn)介 16 253 GUI 設(shè)計(jì)模板及設(shè)計(jì)窗口 17 254 GUI 設(shè)計(jì)的基本操作 17 第 3 章 牛頓拉夫遜潮流計(jì)算理論分析 18 31 概述 18 32 牛頓法基本原理 18 33 牛頓法潮流計(jì)算方程 22 331 節(jié)點(diǎn)功率方程 22 332 修正方程 23 34 牛頓法潮流計(jì)算主要流程 26 第 4 章 基于 matlab 潮流計(jì)算軟件的實(shí)現(xiàn) 28 41 登陸界面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 28 42 潮流計(jì)算主界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 28 421 主界面介紹 28 422 數(shù)據(jù)初始化 29 423 潮流計(jì)算 30 424 數(shù)據(jù)處理 32 425 數(shù)據(jù)的傳遞問題 32 第 5 章 實(shí)例仿真與分析 33 51 實(shí)例仿真 33 52 運(yùn)行結(jié)果分析 34 第 6 章 小結(jié) 35 緒論 課題背景 電力是衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要指標(biāo)也是反映人民生活水平的重要標(biāo)志它已成為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)交通運(yùn)輸以及城鄉(xiāng)生活等許多方面不可或缺的能源和動(dòng)力電力系統(tǒng)是由發(fā)電輸電變電配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)它的功能是將自然界的一次能源通過發(fā)電動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)化成電能再經(jīng)輸電變電和配電將電能供應(yīng)到各用戶為實(shí)現(xiàn)這一功能電力系統(tǒng)在各個(gè)環(huán)節(jié)和不同層次還具有相應(yīng)的信息與控制系統(tǒng)對(duì)電能的生產(chǎn)過程進(jìn)行測(cè)量調(diào)節(jié)控制保護(hù)通信和調(diào)度以保證用戶獲得安全經(jīng)濟(jì)優(yōu)質(zhì)的電能 電力系統(tǒng)的出現(xiàn)使電能得到廣泛應(yīng)用推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域的變化開創(chuàng)了電力時(shí)代出現(xiàn)了近代史上的第二次技術(shù)革命 20 世紀(jì)以來電力系統(tǒng)的發(fā)展使動(dòng)力資源得到更充分的開發(fā)工業(yè)布局也更為合理使電能的應(yīng)用不僅深刻地影響著社會(huì)物質(zhì)生產(chǎn)的各個(gè)側(cè)面也越來越廣地滲透到人類日常生活的各個(gè)層面電力系統(tǒng)的發(fā)展程度和技術(shù)水準(zhǔn)已成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的標(biāo)志之一 MATLAB自 1980年問世以來它的強(qiáng)大的矩陣處理功能給電力系統(tǒng)的分析計(jì)算帶來許多方便在處理潮流計(jì)算時(shí)其計(jì)算機(jī)軟件的速度已無法滿足大電網(wǎng)模擬和實(shí)時(shí)控制的仿真要求而高效的潮流問題相關(guān)軟件的研究已成為大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的關(guān)鍵隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟對(duì) MATLAB 潮流計(jì)算的研究為快速詳細(xì)地解決大電網(wǎng)的計(jì)算問題開辟了新思路 選題意義 電力系統(tǒng)已經(jīng)與我們的生活息息相關(guān)不可分割進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要計(jì)算具體來講電力系統(tǒng)潮流計(jì)算具有以下意義 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(zhǎng)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(duì)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(duì)靜態(tài)安全的影響分析及作出預(yù)想的運(yùn)行方式調(diào)整方案總結(jié)為在和規(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)為了電力系統(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)算利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行潮流計(jì)算從 20世紀(jì) 50年代中期就已經(jīng)開始此后潮流計(jì)算曾采用了各種不同的方法這些方法的發(fā)展主要是圍繞著對(duì)潮流計(jì)算的一些基本要求進(jìn)行的電力系統(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(duì)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)算方法潮流算法的研究仍然非常活躍但是大多數(shù)研究都是圍繞改進(jìn)牛頓法和 PQ 分解法進(jìn)行的此外隨著人工智能理論的發(fā)展遺傳算法模糊算法也逐漸被引入潮流計(jì)算但是到目前為止這些新的模型和算法還不能取代牛頓法和 PQ 分解法的地位由于電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大對(duì)計(jì)算速度的要求不斷提高計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算技術(shù)也將在潮流計(jì)算中得到廣泛的應(yīng)用成為重要 的研究領(lǐng)域 通過幾十年的發(fā)展潮流算法日趨成熟近幾年對(duì)潮流算法的研究仍然是如何改善傳統(tǒng)的潮流算法即高斯 塞德爾法牛頓法和快速解耦法牛頓法由于其在求解非線性潮流方程時(shí)采用的是逐次線性化的方法為了進(jìn)一步提高算法的收斂性和計(jì)算速度人們考慮采用將泰勒級(jí)數(shù)的高階項(xiàng)或非線性項(xiàng)也考慮進(jìn)來于是產(chǎn)生了二階潮流算法后來又提出了根據(jù)直角坐標(biāo)形式的潮流方程是一個(gè)二次代數(shù)方程的特點(diǎn)提出了采用直角坐標(biāo)的保留非線性快速潮流算法巖本伸一等提出了一種保留非線性的快速潮流計(jì)算法但用的是因而沒法利用 PQ 解耦為了更有利于大電網(wǎng)的潮流計(jì)算將此原理 推廣用于 PQ 解耦這樣既利用了保留非線性的快速算法在迭代中使用常數(shù)又保留了 PQ 解耦的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于一些病態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用非線性潮流計(jì)算方法往往會(huì)造成計(jì)算過程的振蕩或者不收斂從數(shù)學(xué)上講非線性的潮流計(jì)算方程組本來就是無解的這樣人們提出來了將潮流方程構(gòu)造成一個(gè)函數(shù)求此函數(shù)的最小值問題稱之為非線性規(guī)劃潮流的計(jì)算方法優(yōu)點(diǎn)是原理上保證了計(jì)算過程永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)散如果將數(shù)學(xué)規(guī)劃原理和牛頓潮流算法有機(jī)結(jié)合一起就是最優(yōu)乘子法另外為了優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行從所有以上的可行潮流解中挑選出滿足一定指標(biāo)要求的一個(gè)最佳方案就是最優(yōu)潮流問題最優(yōu)潮流是一種同時(shí)考 慮經(jīng)濟(jì)性和安全性的分析優(yōu)化問題 OPF 在電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度可靠性分析能量管理以及電力定價(jià)等方面得到了廣泛的應(yīng)用可信域和線性搜索方法是保證最優(yōu)化算法全局收斂性能的兩類技術(shù)將內(nèi)點(diǎn)法和可信域線性搜索方法有機(jī)結(jié)合構(gòu)造新的優(yōu)化算法是數(shù)學(xué)規(guī)劃領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)對(duì)于一些特殊性質(zhì)的潮流計(jì)算問題有直流潮流計(jì)算方法隨機(jī)潮流計(jì)算方法和三相潮流計(jì)算方法 本文致力于研究分析電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況結(jié)合電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的特點(diǎn) 1 研究電力系統(tǒng)潮流計(jì)算的基本原理 一般若給出網(wǎng)絡(luò)的支路數(shù) b 結(jié)點(diǎn)數(shù) n 則回路方程式數(shù) m 為 m bn1 結(jié)點(diǎn)方程式數(shù) 為 n1 因此回路方程式數(shù)比結(jié)點(diǎn)方程式數(shù)多 d m b2n2 在一般電力系統(tǒng)中各結(jié)點(diǎn) 母線 和大地間有發(fā)電機(jī)負(fù)荷 線路電容等對(duì)地支路還有結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)之間也有輸電線路和變壓器之路一般 b 2n 用結(jié)點(diǎn)方程式表示比用回路方程式表示方程式數(shù)目要少而且如以下所示用結(jié)點(diǎn)方程式表示容易建立直觀的方程式