配电网潮流计算与程序设计

1 毕业设计 （论文） 题，目 配电网潮流计算与程序设计 学生姓名 石昊晨 学号 2010151107 专业 发 电 厂 及 电 力 系 统 班级 20109091 指导教师 刘会家 评阅教师 完成日期 年 月 日 2 1 题目研 究的意义 布式发电的概念 分布式电源指的是规模不大、分布在负荷附近的电源，是相对于传统集中式电源而言。 目前，分布式发电技术在全球的发展很快。在大电网供电的基础上，在配电系统靠近用户侧引入容量不大（一般小于 50分布式电源（ 电，可以综合利用现有资源和设备，向用户提供可靠和优质的电能。当在配电系统中引入分布式电源后，引起了配电线路中传输的有功和无功功率的数量和方向的改变，配电系统成为了一个多电源的系统，称为分布式发电系统，实际上即是含并网运行的分布式电源的配电系统。现在全世界的供电系统是 以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中式单一供电系统。虽然全世界 90%的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电，但是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性的要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不 能满足这种要求。由于大电网中任何一点产生的故障都有可能对整个电网造成较大影响，严重时会引起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生；而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，一般的军事打击都把摧毁大电厂或电站作为主要目标之一，一旦大电网受到破坏将严重危害国家的安全；另外集中式大电网 还不能很好的解决跟踪电力负荷变化的问题，而为了短暂的峰荷建造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。根据西方国家的经验：大电网系统和分布式发电系统相结合是节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法。 布式发电对电网的影响 传统配电网规划的主要任务是根据规划期间网络中空间负荷预测的结果和现有网络的基本状况确定最优的系统建设方案 ， 在满足负荷增长和安全可靠供电的前提下，使配电系统的建设和运行费用最小。 但分布式发电的接入，使得配电网规划突破了传统的方式，对配电网规划造成了深远的影响。主要表现 为： （ 1）分布式电源的接入会影响系统的负荷增长模式，使原有的配电系统的 3 负荷预测和规划面临着更大的不确定性。 （ 2）配电网本身节点数非常多，系统增加的大量分布式发电机节点，使得在所有可能网络结构中寻找最优网络布置方案更加困难。 （ 3）对含多种类型分布式发电混合联网供电系统，根据各类型能源分布特征建立模型，在配电网中确定合理的电源结构，协调有效利用各种类型电源成为待解决的问题 。 流计算的作用以及 入后对潮流算法的要求 潮流计算的作用主要有： (1)在电网规划阶段 ,通过潮流计算 ,合理规划电源容量及 接入点 ， 合理规划网架 ,选择无功补偿方案 ,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。 (2)在编制年运行方式时 ,在预计负荷增长及新设备投运基础上 ,选择典型方式进行潮流计算 ,发现电网中薄弱环节 ,供调度员日常调度控制参考 ,并对规划、基建部门提出改进网架结构 ,加快基建进度的建议 。 (3)正常检修及 特殊运行方式 下的潮流计算 ,用于日运行方式的编制 ,指导发电厂开机方式 ,有功、无功调整方案及负荷调整方案 ,满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。 (4)预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。 然而分布式电源引入配电网系统后，对潮流计算的有了新的要求。分布式电源不同于一般的负荷节点，且要复杂得多，因此必然会在潮流计算中引入新的节点类型。因此要形成一种能有效处理各种分布式电源的潮流计算方法。原来呈辐射状结构的系统中有可能出现环网，因此形成的潮流计算方法必须有处理环网的能力。而影响到传统潮流算法的应用的难点，主要集中在对分布式电源的建模及其在 潮流算法中的处理方法上。将分布式电源简化成一种节点类型，将其代入传统的潮流计算中。一般的简化处理有，将同步发电机处理成 用一个三相平衡的电压源接同步发电机三相阻抗所形成的功率输出恒定的模型，而在能处理 可以将其直接处理成有功输出和电压幅值恒定的 对异步发电机，虽然其吸收的无功是随该点的电压幅值而改变的，但在配电网中 ,各点的电压标幺值基本都在 此可以近似认为异步发电机 4 的吸收无功恒定，将其处理成 2 设计任务 如前所述，配电网潮流计算是配电网经济运行 、系统分析等的重要基础。在大电网供电的基础上，在配电系统靠近用户侧引入容量不大的分布式电源（ 电，可以综合利用现有资源和设备，向用户提供可靠和优质的电能。但分布式发电（ 引入给电网的潮流、电压质量、功率损耗等带来了巨大的影响。 传统的配电网潮流算法难以满足分布式发电系统潮流计算的要求 ，必须对现有的配电网潮流算法进行改造和调整才能适用于含 系统，开展此研究具有重要的理论意义和实际意义。 根据任务书要求，需要完成的设计任务为： 1、研究常用的几种适合三相不平衡配网系统的传统潮流算法 夫逊法 ，改进前推回代法。并选择一种重点研究； 2、分析常见的 立其模型； 3、研究能处理 4、 3 设计方案 布式发电类型及其特点 常见的分布式发电技术包括风力发电、太阳能光伏发电、微型燃气轮机、燃料电池。 （ 1）风力发电 :风力发电技术是将风能转化为电能的发电技术，也是一种清洁能源，它的输出功率由风能决定。风力发电是目前新能源开发技术中最成熟，最具规模化商业开发前景的发电方式。 （ 2）太阳能光伏发电：光伏发电是根据光生 伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。并网光伏发电系统是光伏发电系统的主流趋势。 （ 3）微型燃气轮机发电：微型燃气轮机是一类新型燃气机，其功率范围在 5 30300型燃气轮机技术的发展及其商用推出大大增加了 型汽轮机发电装置的紧凑性，可靠性和遥控运行以及环境友好等特点，意味着它们特别合适 （ 4）燃料电池发电：燃料电池发电不同于传统的火力发电，其燃料不经过燃烧，而是在催化剂的作用下直接将燃料与空气或氧气之类的氧化剂相结合，发生化学反应，在生产 水的同时进行发电，因而其实质是化学能发电。 统配电网潮流计算方法 配电网潮流算法是配电网网络分析的基础 , 配电网的网络重构、故障处理、无功优化和状态估计等都需要用到配网潮流的数据。因此 ,一套性能优良的配电网潮流程序是开发 统的关键。与输电网相比配电网的网络结构有着明显的。 顿 拉夫逊 法 牛顿 只要状态量达到其解的某一个领域 ,便以平方速度收敛 ,具有与解题规模无关的特性 ,即不论网络大小如何均可经 2 5次代收敛 ,适用于目前各种复杂配电网 (辐射状、环 状或网状 )线损理论计算的实际算法 。 计算基本公式： ( c o s s i n ) ( s i n c o s )i i i j i j i j i j i j i j i j i j i j i jj i j iP j Q U U G B j U U G B （ 1） 对一个 设 1,2, 第 r+1, r+2, 点 ,第 待求量为节点电压幅值和相角 , 共 2点 ,节点电压幅值给定 ,而相角未知 ,故只需写出 (r 个有功功率方程。 综上所述 ,整个系统共可建立 2r+(r= 而未知量为n+, 所以方程有解。 6 1 1 1122 2 21 1221 1 11211 1 1 112221n p p pp p Q 121112222212r （ 2） 牛顿拉夫逊法潮流计算基本步骤： （ 1）形成节点导纳矩阵 ； （ 2）将各节点电压设初值 U； （ 3）将节点初值代入相关求式，求出修正方程式的常数项向量 ； （ 4）将节点电压初值代入求式，求出雅可比矩阵元素 ； （ 5）求解修正方程 ， 求修正向量 ； （ 6）求取节点电压的新值 ； （ 7）检查是否收敛，如不收敛，则以各节点电压的新值作为初值自第 3步重新开始进行狭义次迭代，否则转入下一步 ； （ 8）计算支路功率分布， 入功率 。 以上即为牛顿 拉夫逊法 , 其优点为计算精确 ,原理简单 ;易于编程 ;计算速度快。 进前推回代法 该算法采用了一种独特新颖的分层方法，将网络节点从末稍节点依次向上层搜索至根节点，形成了一个链式层次的分层节点数组，省去计算过程中对节点和支路的复杂编号；同时考虑到配电网的三相参数不对称和三相负荷不平衡问题比较突出，直接采用相域模型进行计算；而对于环网问题，则运用功率补偿的方法 7 进行了有效处理。有收敛速度快、迭代次数少、节省内存的优点。 目前，前推回代法主要采用广度优先搜索编号的分层方法，但是这种方法需要对网络的节点和支 路重新编号，并记录下每个节点的层次，这样处理起来比较复杂。本文对节点的分层方法进行了改进，直接记录下节点和支路的关联关系，不需要重新号而是直接形成一个一维的链式结构分层数组，简洁明了，易于操作。下面以 11节点树状网为例说明 图 1 节点树枝网络 图中 0 节点表示根节点，每条支路沿潮流方向的起始节点和末端节点分别为这条支路的首节点和尾节点。在读入数据的时候记录下每条支路的首节点和尾节点，并且把首节点表示成尾节点的上一节点，由此产生了关联，需要注意的是0节点的上一节点是它本身 ；接着就形成分层节点数组，先逐渐往下搜索得到末稍节点 4、 6、 8、 10，放入一个一维数组的前 4位，再往上搜索得到它们的上层节点 3、 5、 7、 9，依次放入这个数组中，以此类推，一直搜索到根节点，最后由根节点向前删除掉数组中的重复节点，于是就得到了一个形如 4, 6, 8, 10, 5, 9, 3, 7, 2, 1, 0的分层节点数组。把各条支路的阻抗都表示成该支路末节点的阻抗，这样在潮流计算的回代过程中只要由前往后从分层节点数组获取节点，前推过程中则由后往前获取节点，大大简化了前推回代算法的操作过程。 种改进的配电网潮流算法 对前面提到的潮流算法对比分析可得： （ 1）结构上牛顿拉夫逊法结构比较复杂，参数较多，运算量大，而前推后代法结构简单，思路清晰。 （ 2）一般可以认为算法的收敛的阶数越高 , 算法的稳定性越差。牛顿拉夫逊法是一种二阶方法 , 其收敛性受初值影响较大。前推后代法的收敛阶数为一阶 , 8 所以从理论上讲算法有较好的稳定性。 所以本文选择前推后代法 ,并选用一种在该算法基础上基于道路矩阵的改进算法 ,该算法计算思路更清晰，编程更简单，其计算原理如下： （ 1）道路矩阵的定义 针对具有 放射性配电 网，假定 首节点是电源点， 并把其 作为参考节点， 则 独立节点个数为 n=支路条 数 b=n。 一个节点的道路是指节点沿树到根所经过的路径上的支路集合，对于一个给定的树，节点的道路是唯一的。用道路矩阵 针对单相配电网， T i 未找到引用源。 一个 n 定道路的方向都是从电源点指向各节点，各支路方向与道路方向相同， 则 如果支路 1T i j 错误 !未找到引用源。 ，反之İ1İ22。 基于图 2来 说明， 从根节点（电源点）出发，采用深度优先搜索算法对节点进行编号。图中圈内数字表示节点编号，各支路上的数字为该支路编号 ，2!未找到引用源。 为节点负荷 注入 电流 (n 1阶 )，列向量（下同） 错误 !未找到引用源。 。基于前述的原则建立的道路见式（ 3） （上方数字为支路编号，左边数字节点编号）。 图 2 一简单配电网络 1 2 3 4 1 1 0 0 0 2 1 1 0 0T=3 1 1 1 04 1 0 0 1（ 3） （ 2） 基于道路矩阵的潮流算法 上面介绍的 道 路矩阵 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 利用稀疏技术可以降低内存需求 。 设定支路电流为 bI(n 1 阶 )， 依据 路电流与节点注入电流满足 （ T 表示道路矩阵 转置 ） ： TII （ 4） 公式（ 4）基于 道路矩阵 给出了bI、任一放射性配电网络， 9 基于欧姆定律有： VIb b （ 5） 其中 未找到引用源。 为支路电压 (n 1阶 )错误 !未找到引用源。 ，未找到引用源。 为 任一支路 角阵 （ n 。 设电源节点电压为0V(1 1阶 )，各节点电压为 V(n 1阶 )，则可知任一节点与电源节点的电压差等于从此节点开始沿着该节点所在道路到达电源节点所经过支路的支路电压之和，即（设定 1, 1, ,1 U ，共 ）： U - T T T T g 0 b b b V V V Z I Z I （ 6） 各节点电压 Rr 误 !未找到引用源。 （ 7） （ 3） 计算步骤 公式 （ 6） 是 该 算法计算的核心， 其 潮流计算步骤如下（ 步骤 1：取 2未找到引用源。 ； 步骤 2：计算 1 K :1 2I 错误 !未找到引用源。 ； 步骤 3：基于（ 6）式计算 :1 2未找到引用源。 ； 步骤 4：基于（ 7）式计算 步骤 5：判断:1 误 !未找到引用源。 之差是否满足精度要求，满足结束迭代，不满足转步骤 2。 4 设计路线和难点 线 （ 1）查阅文献，了解潮流计算现状 （ 2）确定潮流计算方法 （ 3） （ 4）含 （ 5）算例仿真，对所设计的方 法进行验证 10 点 （ 1） （ 2） 5 预期结果 根据任务书的要求完成毕业设计工作，完成含分布式电源的三相潮流计算算法设计，并进行算例仿真验证，达到设计要求。在此基础上，按正式期刊的要求完成论文 1篇 。 6 进度安排 7 参考文献 1 黄丽娟 王守相 分布式发电系统的三相潮流计算方法 2 彭谦 杨以涵 姜彤 电力系统稳态高斯算法的研究 3 王明岗 毕睿华 基于前推后代法解决环网的配电网潮流计算南京工程学院学报 (自然科学版 ) 第 3卷 第 1期 2005年 3 月 4 顾 晨 乐秀璠 张晓明 , 基于改进前推回代法的弱环配电网三相潮流计算 第 38卷 第 19期 2010 年 10月 1日 5 刘笙 电气工程基础（下册） 科技出版社 2008 6 何 宁 王树臣 崔继仁 电力系统潮流计算的计算机算法 佳木斯大学学报 (自 然 科 学 版 ) 第 17 卷 第 2 期 1999 年 6 月 7 张学松 柳焯 于尔铿 陈竟成 配电网潮流算法比较研究 电网技术 第22卷 第 4期 1998年 4月 8于永源 杨绮雯 电力系统分析 中国电力出版 社 2007 11 目 录 摘要 一 配电网 潮流概述 . 14 电网 潮流计算的目的与意义 . 14 流计算方 法概述 . 14 牛顿 拉夫逊法 . 15 快速解耦法 . 15 回路阻抗法 . 18 前推回代法 . 20 本文工作 . 20 二 配电网 网络模型 . 20 件模型 . 20 电力线路的数学模型 . 20 变压器的等值电路 . 22 络模型 . 24 三：基于 配电网 潮流计算算法 . 25 电网 潮流计算算法原理 . 25 3.2 概述 . 28 序设计 . 30 顿 . 30 顿 拉夫逊法的程序框图 . 34 四：算例 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 12 配电网潮流计算与程序设计 学 生：石昊晨 指导教师：刘会家 （三峡大学 国际文化交流学院） 摘 要 ： 本文首先分析了配电网的特点及对算法的要求，然后建立配电网潮流计算模型。针对配电网潮流计算的现状进行了全面分析，深入讨论了目前各方法的特点，并从收敛性及其他性能指标进行了比较分析；详细研究 用的比较广泛的 牛顿 拉夫逊 法 ，并以广度优先顺序搜索策略作为理论基础。针对某地区配电网的具体情况，选取 配电网子系统进行潮流计算。利用 009a 进行了基于 牛顿 拉夫逊 法的配电网的潮流计算程序 。由计算结果可知，该算法具有一定的优越性，软件的开发具有一定的实用性。 关键词 ：电力系统，配电网潮流， 牛顿 拉夫逊 法， 序设计 13 In of a of by to be by to in of of so no of to by a In a 6 to of a 14 一 电力系统潮流概述 电网 潮流计算的目的与意义 电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算，是电力系统规划和运营中不可缺少的一个重要组成部分。可以说，潮流计算是电力系统分析中最基本、最重要的计算，是电力系统安全、经济分析和实时控制与调度的基础。潮流计算的任务是根据给定的运行条件和网络结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布及功率损耗等。即潮流计算是对电力系统的功率分布和电压分布的计算 , 其具体任务就是编制系统的调度计划和电气设备检修计划 , 确定电力系 统中变压器分接头位置和系统中枢点与电压控制点的电压曲线， 进行事故运行方式的分析 , 为电力系统短路和稳定计算提供数据 , 为继电保护及自动装置整定与电力系统设计和规划提供依据等。潮流计算的目的是对现有电力系统的正常运行状态进行分析 , 以提示必要的改进措施 , 同时为新建系统或扩建系统的有关分析、计算打下基础。 配电网潮流计算是配电网经济运行、系统分析等的重要基础，但由于配电网与输电网有着明显的差异 :配电网具有环形结构 , 而通常以开环方式运行。通常呈辐射状，支路比值较大，分支线较多；配电线路中的 R/X 比值偏大 使输电网中常用的潮流计算算法如传统的牛顿法和快速分解法在应用于配电网潮流计算时容易形成病态而无法收敛，因此，研究适合于配电网的潮流算法也是至关重要的。 目前，输电系统潮流计算方法已较为成熟，而且获得了广泛的实际应用。但随着电力系统规模的不断扩大，潮流方程的阶数越来越高，对这种规模的方程并不是采用任何数学方法都能保证给出正确答案的，因此，这也成为促使电力系统研究人员不断寻求新的、更可靠的潮流计算方法的动力。 随着现代电力系统大系统、强非线性与多元件的特点日益突出 , 其计算量与计算复杂度急剧增加。旧的计算机软 件在处理潮流计算时 , 其速度已无法满足大电网模拟和实时控制的仿真要求 , 而高效的潮流问题的相关软件的研究已成为大规模电力系统仿真计算的关键。 流计算方法概述 与输电网相比，配电网的网络结构有着明显的差异：配电网的网络呈现辐射状，在正常运行是开环的，只有在倒换负荷或发生故障时才有可能出现短时环网运行或多电源运行的情况；配电线路的总长度较输电