（电力系统及其自动化专业论文）循序渐进的数字化电气信息实验平台的开发.pdf

上海交通大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o f s e q u e n t i a ld i g i t a le x p e r i m e n t p l a t f o r m f o rp o w e r s y s t e m a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd e v e l o p sas e q u e n t i a ld i g i t a l e x p e r i m e n tp l a t f o r m f o rp o w e r s y s t e m i ti sb a s e do nw i n d o w s2 0 0 0o ru p p e rp l a t f o r m i ti s p r o g r a m m e d w i t hv i s u a lc + + 6 0a n di td e a l sw i t hd a t a b y m i c r o s o f ta c c e s sv i ao d b c i tc o n s i s t so ff o u r i n d e p e n d e n tm o d u l e s ：d a t a b a s e ，n e t w o r kd e s i g n ， c o m p u t a t i o na n d i n t e r t h c em o d u l e t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h e i rt h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dp r o g r a m m i n gi nd e t a i l s t h e p l a t f o r mp r o v i d e s s e v e r a l c o m p u t a t i o nm o d u l e s ( p o w e rf l o w , c i r c u m f l u e n c ea n di m p a c tc u r r e n t ， c o m p l e xf a u l tc a l c u l a t i o n ) ，a n di t a l s op r o v i d e ss e q u e n t i a lc o m p u t a t i o n p a t t e r n t h a tw i l lh e l pu s e r s c o m p r e h e n s i o n t h i sp l a t f o r mp r o v i d e sf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，o n l i n eh e l p ， c o n v e n i e n t o p e r a t i o n st om e e t u s e r sn e e d i th a ss e v e r a lo u t p u tm e t h o d s f o ru s e r s c o n v e n i e n c e i nt h ep a p e r , s o m en e wt h e o r i e sa n da l g o r i t h m s a r ea l s o a n a l y z e d a n dt e s t e d b yi e e es t a n d a r ds y s t e m s o r p r a c t i c a l e x a m p l e s ，w i t ht h o s e t h e p l a t f o r m i s p r o v e dt o h a v eh i 曲l e v e l so f s t a b i l i t ya n dg i v e sr i g o r o u s r e s u l t s k e yw o r d s p o w e rs y s t e m ，s e q u e n t i n ，m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ， s y s t e m c a l c u l a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：狮耘磊 日期：年f 月l7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 指导教师签名多降：芝易 日期：妒歹年7 月f7 日 r 海交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 平台开发的意义 随着计算机科学的迅猛发展，计算机在电力行业也日益扮演着越来越重要的 角色。各种大型的电力系统软件正得到愈发广泛的应用。作为电气工程与自动化 专业的学生，不仅要对电力系统各种概念和计算方法熟稔于胸，还要懂得计算机 技术是如何在电力系统中得到应用的。 本平台将作为电气工程与自动化专业的本科学生学习电力系统计算的实验 平台。本平台包括在电气工程与自动化专业中应用广泛的一些计算，如电力系统 潮流计算、复杂故障计算、网络环流计算、冲击电流计算以及变压器序参数计算 等。由于采用了面向对象c o o p ) 的编程思想，因此本平台具有很好的可扩充性 和可维护性，可以作为以后编写大型电力系统计算软件的基础。 本平台的输出有两种模式：直接输出最终结果模式和循序渐进输出解题步骤 模式。电气工程与自动化专业学生通过本软件的使用不仅可以对系统概念和各种 基本计算有进一步的理解，而且会体会到计算机技术在系统中的应用所带来的工 作效率的提高和工作质量的改善。特别是运用第二种模式，本软件还可以对学生 自己编写的计算程序或者手工计算解题起到一定的检验和纠错作用。 在本软件的编制过程中，笔者对国内外在电力系统计算方面的新理论和方法 进行了探讨和算例实践。 1 2 国内外研究现状 本平台的开发设计采用了面向对象c o o p ) 的编程思想。面向对象c o o p ) 技 术引起了计算机软件史上的一场巨变。o o p 技术改变了软件的发展方向，解决了 长期困扰软件设计人员的大型软件维护与重用等重大难题。o o p 技术也为电力系 统软件设计带来了希望。随着电力系统软件规模愈来愈大，电力系统软件的管理、 维护、扩充越来越困难。采用o o p 技术可以克服这些困难。 面向对象技术首先在国外被引入电力系统软件设计领域。 文献 1 首先将面向对象程序设计引入电力应用软件p a s ( p o w e r 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ) ，作者以潮流计算程序为例，介绍了o o p 技术的应用， 详细讨论了电力系统模型的类表示和潮流算法的o o p 实现。该文发表后，引起了 电力系统业内人士的广泛关注。 文献 2 把o o p 概念、c + + 编程语言和电力系统分析的特点很好的结合起来， 建立了有效的电力系统仿真平台。模仿电力系统物理结构，建立了通用电力网络 容器类。文中发现由o o p 和c + + 实现的潮流程序的速度明显快于非o o p 潮流程序 ( 如采用f o r t r a n 和p a s c a l 语言编程) 。该文的发表打消了人们对基于o o p 技术 的软件性能的疑虑，推动了o o p 在电力系统软件中的应用。 在国内，基于面向对象编程的电力系统软件也越来越得到重视。 文献 3 详细讨论了面向对象建模技术、面向对象方法学及面向对象技术的 优越性，介绍了面向对象技术在潮流计算、电力系统仿真、电力系统安全分析与 控制、数据库、人机界面、人工智能、调度员培训仿真中的应用。该文展现了 o o p 技术在电力系统领域中广泛的应用前景。 囝1 i类继承关系图 f i g u m l - 1 c l a s sh i e r a r c h y 文献 4 更加详细的从电力系统模型、稀疏矩阵处理、通用潮流类的构造等 几个方面具体描述了如何运用o o p 方法进行电力系统应用软件设计。在该文中， 作者根据o o p 方法的抽象与继承机制，最后得到了一种电力系统对象模型，如图 1 1 所示。该模型对本平台的设计开发具有很大的参考价值。 2 上海交通大学硕士学位论文第二章平台设计开发概述 第二章平台设计开发概述 2 1开发工具 本平台使用v i s u a lc 十+ 6 0 开发。v i s u a lc + + 是w i n d o w s 环境下最主要的 应用开发系统，它提供的m i c r o s o f t 基础类库( m f c ) 应用程序框架，以及各种 实用工具，如d e v e l o p e rs t u d i o 资源编辑器、a p p w i z a r d 、c l a s s w i z a r d 等，大 大的减轻了编程人员的负担，降低了编写程序相关代码所需的时间。 本平台的数据库后台是a c c e s s2 0 0 0 数据库系统，采用o d b c 应用程序接口。 2 2 平台运行环境 整个软件运行于w i r d o w s2 0 0 0 ( p r o f e s s i o n a l ) 平台，处理器为奔腾i v ， 机器内存为2 5 6 m ，硬盘为4 0 g 。程序运行时，如加载网络信息、网络拓扑分析、 矩阵运算、稀疏矩阵运算都要开辟大量内存，故内存的大小对计算速度有一定影 响。 2 3 平台总体结构 软件结构安排在o o p 方法中很重要，合理的软件结构有助于提高软件的可维 护性和可扩充性。本平台软件的结构示意图如下。 循序渐l复杂故l网络环i 冲击电其他应 进潮流障计算 流计算| 流计算用 计算 l潮流计算运算库 i i 系统对象模型库 矢量矩阵运算库 | l 图2 一l软件结构示意图 f i g u r e2 - 1 t h es t r u c t u r eo f t h e p l a t f o r m 上海交通大学硕士学位论文第二章平台设计开发概述 该结构具有以下几个方面的特征：1 ) 整个平台以系统对象模型库和矢量矩 阵运算库为基础，软件的修改和维护比较方便；2 ) 平台具有显著的模块化特征， 便于软件的集成和管理；3 ) 在整个结构的三个层次中，上层通过发送消息向下 层请求服务。各个层次无需知道相互问的细节，只需知道接口即可，其维护与扩 充都比较方便。 本文根据面向对象的观点将电力网络描述为许多连接在一起的不同类型电 气设备的集合，设备具确相同节点名表示两者物理上连接在一起，所有设备都是 设备类型的对象。然后给出实时数据进行计算。因此软件有两种运行模式：在网 络结构设计模式下，用户在系统中添加、更新、删除设备、设备类型、节点名， 编辑网络图形；在计算模式下，对网络结构拓扑分析并根据用户输入的实时数据 进行潮流计算或根据输入的故障位置、故障类型等信息进行复杂故障计算。同时 软件提供多文档界面作为前台，将网络结构在窗口中显示出来，用户可以方便的 通过菜单、工具栏、复选框、鼠标等命令修改网络结构和输入实时数据，网络结 构和实时数据存储在后台数据库中。 本软件采用面向对象的编程技术来实现电力系统潮流计算、复杂故障计算、 环流计算以及冲击电流试。算模型的建立。最后本软件采用i e e e 的1 4 节点、3 0 节点、5 7 节点标准系统、上海金山石化电网等算例进行检验和校正。 2 4 平台功能介绍 平台主要实现了以下功能： ( 1 ) 数据库存储，将所有网络信息存储在通用关系数据库中； ( 2 )网络信息编辑，包括网络设备信息、型号信息和节点信息； ( 3 )友好的人机界面，数据输入和结果显示都在界面中进行： ( 4 )根据网络结构和实时数据计算系统的潮流； ( 5 )进行循序渐进式潮流计算； ( 6 )根据网络结构和井列的开关位置计算并列后的环流： ( 7 )根据网络结构和并列的开关位置计算并列时的冲击电流： ( 8 )根据网络结构和故障信息计算系统发生复杂故障时的故障电流； ( 9 )利用工具箱进行变压器序参数、电压调整等计算。 4 j 二海交通大学硕士学位论文第三章数据库设计 第三章数据库设计 3 1 前言 在本平台中数据库用来存储网络结构数据、实时数据、图形数据、辅助数据。 本平台采用流行的关系数据库：m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 数据库。 由于信息结构复杂，应用环境多样，在很长时期内数据库设计主要采用手工 试凑法。使用这种方法与设计人员的经验和水平有直接关系。数据库设计是一种 技艺而不是工程技术，缺乏科学的理论和工程原则支持。近年来，人们提出了各 种数据库设计方法，这些方法运用软件工程的思想和方法，提出了各种设计准则 和规程，都属于规范设计法。 规范设计法中比较著名的有新奥尔良( n e wo r l e a n s ) 方法“。它将数据库 设计分为四个阶段：需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计。其后，s b y a o 等“1 又将数据库设计分为五个步骤，又有i r p a l m e r 等”1 主张把数据库设计当成 一步接一步的过程，并采用一些辅助手段实现每一过程。 基于e - r 模型的数据库设计方法，基于3 n f ( 第三范式) 的设计方法，基于 抽象语法规范的设计方法等，是在数据库设计的不同阶段支持实现的具体技术和 方法。 本文参照文献 5 ，数据库的设计遵循第三范式。一般来说，规范设计的方 法将数据库设计分为以下六个阶段： ( 1 ) 需求分析 ( 2 ) 概念结构设计 ( 3 ) 逻辑结构设计 ( 4 ) 数据库物理设计 ( 5 ) 数据库实施 ( 6 ) 数据库运行和维护 本文按照本平台的实际情况将数据库设计简化为以下两步：结构设计、数据 t 海交通大学硕士学位论文第三章数据库设计 库实施及维护。结构设计主要包括调查数据和处理。数据逐级分解形成若干层次 的数据流图，数据流图表达了数据和处理过程的关系。数据字典则是对系统中数 据的详细描述，是各类数据属性的清单。e - r 图则直观的表示出系统的概念模型。 应用程序通过o d b c 接口从数据库存取数据。o d b c 接口是一种开放的数据库 接口，它使得数据库可随时升级到高级的网络数据库如s q ls e r v e r 、o r a c l e ， 而程序不用修改。 3 2 数据库内容 本文将数据库内容分为如下几大类： 1 ) 原始数据：主要有网络结构数据、网络设备数据及系统基本数据。 网络结构数据：设备型号数据( 线路、变压器、发电机) ，节点数据； 网络设备数据：发电机、变压器、母线、开关、线路、出线、消弧线圈： 系统基本数据：变压器绕组接线方式、电压等级； 原始数据在所有的分析应用功能中都保持不变，为常数。各应用功能在计算 时所依赖的原始数据大多是相同的。 2 ) 控制数据：发电机有功出力、无功出力、负荷大小、开关状态、闸刀状 态、变压器分接头位置等。 实时数据需要实时采集修改，同时实时数据还可以存储在数据文件中，随时 调出。 3 ) 被控数据：电压幅值、相角、支路潮流、设备潮流、短路电流等； 被控数据主要是通过网络拓扑分析和计算后得到的结果数据，随控制数据的 改变而改变，是电力系统的因变量。被控数据大都以图形界面的方式显示，并可 以以文本文档等方式进行保存。 4 ) 图形数据：图形窗口中各设备的位置、方向、标注、连接等信息。 5 ) 辅助数据( 计算中用到的一些数据) ：潮流计算中平衡节点、p v 节点信 息，环流计算中节点注入电流信息，故障计算中的归算基准。 3 3数据字典 数据字典( d a t ad i c t i o n a r y ，简称d d ) 是对系统中数据的详尽描述，是各 6 上海交通大学硕士学位论文第三章数据库设计 类数据属性的清单。对数据库设计来讲，数据字典是进行详细的数据收集合数据 分析所获得的主要结果。 数据字典是各类数据描述的集合，它通常包括以下五个部分： 数据项，是数据的最小单位： 数据结构，是若干数据项有意义的集合； 数据流，可以是数据项，也可以是数据结构，表示某一处理过程的输入和 输出； 数据存储，处理过程中存取的数据，常常是手工凭证、手工文档或计算机 文件； 处理过程。 本文中的数据字典如下：( 限于篇幅，只列出部分内容) ( 1 )数据项描述 其格式为 数据项名，数据项含义说明，别名，类型，长度( 字节数) ，取值 范围) 。以下是数据项的具体描述： f 发电机型号，发电机的型号，型号，文本，3 2 个字符，一 变压器型号，两绕组和三绕组变压器的型号，型号，文本，3 2 个字符，一) 线路型号，各种电压等级线路的型号，型号，文本，3 2 个字符，一) 开关状态，开关的两种状态，开关状态，文本，2 个字符，开和合) 电压等级，电力系统中规定的电压等级。电压等级，双精度，8 字节，o “5 5 ) 平均电压，电力系统计算中近似的电压大小，平均电压，双精度，8 字节， 0 5 5 l 直轴同步电抗，采用标幺值，直轴同步电抗，双精度，8 字节，o 2 直轴暂态同步电抗，采用标幺值，直轴暂态同步电抗，双精度，8 字节，o 2 ) 直轴次暂态同步电抗，采用标幺值，直轴次暂态同步电抗，双精度，8 字节， 0 2 短路电压百分比，单位是百分数，短路电压百分比，双精度，8 字节，0 1 0 0 ) 短路损耗，单位是k w ，短路损耗，双精度，8 字节， 0 ) 空载电流百分比，单位是百分数，空载电流百分比，双精度，8 字节，o l o o ) 空载损耗，单位是k w ，空载损耗，双精度，8 字节， o 7 上海交通大学硕士学位论文第三章数据库设计 ( 2 )数据结构描述 其格式为 数据结构名，含义说明，组成： 数据项名 。具体如下： 电压等级列表，平均电压是相对于电压等级的计算用近似电压， 电压等级， 平均电压 ) f 开关状态列表，开关的两种状态， 开关状态) ) 变压器绕组接线方式列表，变压器的接线方式包括三角形、星型不接地、 星型经阻抗接地、星型直接接地， 变压器的接线方式) ) f 节点类型， 类型这列中填1 为平衡节点，填3 为p v 节点，此时电压相角 列应填入节点的注入有功，注意，一个系统中只能有一个平衡节点，但可 以有多个p v 节点。类型列中填入其他整数无效 ，f 节点名，类型，电压 幅值，电压相角) ) ( 节点名列表， 连接设备公共节点的节点名必须相同，节点特别是母线节点、 发电机节点的电压等级必须选择正确，否则潮流计算可能不收敛 ， 节点 名，电压等级 。 发电机型号列表，发电机型号信息，f 发电机型号，额定电压，直轴同步电 抗，直轴暂态同步电抗，直轴次暂态同步电抗，额定容量，额定功率因素) ) 线路型号列表，线路型号信息， 线路型号，每公里电阻，每公里电抗，额 定电流，每公里零序电抗，每公里电纳 双绕组变型号列表，双绕组变压器型号信息， 变压器型号，额定容量，短 路电压百分比，短路损耗，空载电流百分比，空载损耗，高压侧额定电压， 低压侧额定电压，高压侧绕组接线方式，低压侧绕组接线方式，有载调压， 绕组接线钟点数，高压绕组正分接头档数，高压绕组负分接头档数，高压 绕组分接头区间l 电网消弧线圈型号列表，电网消弧线圈型号信息，侄! 号，额定容量，额定 电压 ( 3 )数据处理 其格式为 数据流名，说明，流入过程，流出过程，组成： 数据结构或数据 项 。具体如下： 节点数据，从界面添加、更新、删除节点信息，用户通过对话框输入，数 上海交通大学硕士学位论文第三章数据库设计 据库存储， 节点名列表) ) 型号数据，从界面添加、更新、删除型号，用户通过对话框输入，数据库 存储， 型号列表) ) 设备数据，从界面添加、更新、删除设备，用户通过命令、拖放、对话框 输入，数据库存储，f 电网设备列表) ) 图形数据，从界面输入图形数据，用户通过拖放、对话框输入，数据库存 储。 电网设备列表 f 实时数据，从界面输入实时数据，用户通过对话框输入，数据库存储， 电 网设备列表 电力系统计算，从数据库读出数据进行电力系统计算，数据库存储，程序 计算并输出到界面和数据文件中， 电网设备列表) ) 3 4 数据抽象与设计 用e r 图描述数据库的概念模型是p p s c h e n 于1 9 7 6 年提出的。e r 模型是现实世界的一种抽象，是对实际的人、物、事和概念的人为处理，抽取人 们关心的共同特性，忽略非本质的细节，并把这些特性用各种概念精确的加以描 述，这些概念组成了某种模型。 结构设计是利用抽象机制对需求分析阶段收集到的数据进行分类、组织( 聚 集) ，形成实体、实体的属性，标示实体的码，确定实体之间的联系类型( 1 ：1 ， l ：f l ，n ：m ) ，设计成f - r 图。 本文将该图简化，由于实体的属性在数据字典中已经表示出来，因此在e r 图中省略，在电网中实体和实体之间都是一对多的关系，因此在该简化图中仅用 直线表示该关系，直线的左边是一右边是多。( 见图3 - 1 ) 3 5 o d b c 应用程序接口 v i s u a lc + + 包含了编写w i n d o w s 下的c + + 数据库应用程序的所有组件。 v i s u a lc + + 产品包含了两个相互独立的数据库访问系统：o d b c ( 开放数据库互连) 和d a o ( 数据访问对象) 。本文是采用o d b c 标准，它包含了一组可扩展的动态链 接库( d l l ) ，这些动态链按库提供了一个标准的数据库应用程序的程序设计接口。 9 l 海交通大学硕士学位论文第三章数据库设计 o d b c 是基于s o l ( 结构化查询语言) 的标准版本设计的，借助于o d b c 和s q l ， 就可以编写独立于任何数据库产品的数据库访问代码。v i s u a lc + + 中包含了一些 针对o d b c 的工具和m f c 类，这些都方便了程序编写人员的使用。 3 6 数据库实施及维护 表的建立使用s q l 语句动态建立，考虑到电网数据的规律性，采用复制模板 并用s o l 添加数据的方式。为了减少用户的数据输入量，本平台设计一个数据库 模板，在该模板中包含了实际中常用的发电机类型、线路类型、变压器类型等信 息，用户可以直接在此模板基础上再添加所需数据信息。 数据库生成后，作为辅助决策系统的后台，用户很少直接接触。用户通过程 序添加、更新、删除节点名、型号、设备。潮流计算中的节点类型、环流计算中 的母线注入电流。需要用户修改的数据一般具有很少变化的特点。总的说来，大 部分的信息由程序修改，而程序检查数据的有效性，这保证了数据库的完整性， 避免了不符合逻辑的数据输入。 绕组接线方式 电压等级 发电机型号发电机 双绕组变型号双绕组变压器 三绕组变型号 线路型号 三绕组变压器 电网线路 消弧线圈型号 节点名 开关状态 消弧线圈 电网母线 电网出线 电网开关 匦函圆圆 图3 - 1 数据库简化e - r 图 f i g u r e3 - 1s i m p l ee ro f d a t a b a s e 上海交通大学硕士学位论文 第四章潮流计算 第四章潮流计算 在平台数据库建立后，用户即可进行各种常用的电力系统计算( 潮流计算、 循序渐进式潮流计算、环流计算、冲击电流计算、故障计算、辅助工具箱应用) 。 在进行各种计算前，必须先进行网络拓扑分析。本章详细介绍网络拓扑分析和潮 流计算模型( 循序渐进式潮流计算) 的设计开发过程。 4 1 网络拓扑分析 网络拓扑分析是电力系统分析软件的基础。电力系统运行时，由于设备检修， 故障等原因，系统的运行方式发生变化，需要重新确定节点数以及节点编号，生 成新的导纳矩阵，作为计算的基础。网络拓扑分析应具有以下功能： ( 1 ) 确定电气接线图中的节点是否连接到系统中，即是否为孤立节点： ( 2 )确定电气接线图中节点的编号： ( 3 )确定节点编号对应的主要节点名； ( 4 ) 将线路和变压器的参数按节点号的顺序存储在一个表中。 文献 7 提出了一种面向对象的抽象电力网络拓扑分析模型，建立了一种通 用的拓扑描述方法。在图形数据库一体化的平台上，实现了一种利用矢量图的坐 标关系自动生成拓扑的快速算法。该方法的核心是压缩参与拓扑形成的图元数和 采用分区方法来减少计算量。 在本平台的使用过程中，用户首先在数据库模板的基础上输入设备类型信 息、节点电压等级信息等基本数据。然后，用户把网络中的电气设备按照节点号 连接情况输入数据库。并在视图上绘制电气接线图。在用户选择进行电力系统计 算时，程序首先进行了拓扑分析。 电气接线图中节点号表示了设备之间的物理连接，而计算用的节点编号表示 了设备的电气连接，两者具有较大的差异。将节点号转化为节点编号可通过两个 步骤实现。首先将节点号按电气连接分组，即每组节点号对应一个节点编号。然 后从平衡节点开始编号，建立一个映射关系，将所有属于系统的节点号映射到节 点编号。节点号分组的根据是系统的物理概念，只有母线节点和机端节点才是电 r 海交通大学硕士学位论文第四章潮流计算 气意义上的节点，通过断路器、隔离开关与这些节点连接的节点号和其同组。对 于每个电气节点通过广度优先的搜索办法找到和其连接的节点号，保存在数组 中，另外用一个数组保存每组的节点数。编号从平衡节点开始，通过电气连接， 如线路和变压器，找到系统中的所有电气节点并编号。同时建立节点号到节点编 号及节点编号到主要节点号的两个映射关系。随后按节点编号生成线路和变压器 参数表。 4 2 潮流计算 4 2 1国内外研究现状 电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行中最常用的基本计算。在6 0 年 代提出的n e w t o n 算法，由于其良好的收敛特性和在采用稀疏矩阵技术后，只需 要中等需量的内存，从而奠定了它在电力系统研究领域的地位，得到了国内外的 普遍应用。 近年来，随着电力网络结构的目益复杂，f a c t 技术、并行处理技术等在电 力系统中的应用，以及计算精度和速度要求的提高，许多新的算法和技术也不断 涌现。 文献 8 在电流注入模型基础上形成了一种新的n e w t o n r a p h s o n 法。通过该 法形成的雅可比矩阵与传统方法在结构上相同，都类似于导纳矩阵，但在计算速 度上有明显的优化。 文献 9 将矩阵求逆运算的松弛方法应用于电力系统潮流计算，提出了一种 新的电力系统潮流的并行松弛牛顿计算方法。该方法不仅在串行计算方式下与传 统的、基于严格牛顿法的潮流计算方法相比具有优势，而且非常适合于并行计算。 但该法在应用在解耦潮流计算的串行方式下并没有体现出良好的计算优势。 八十年代以来随着柔性交流输电技术( f a c t s ) 在电力系统的迅猛发展，传 统的潮流计算方法已经不太满足需要。文献 1 0 在对f a c t s 元件分析的基础上， 综合考虑国内外的研究成果，提出了一个简单、有效的统一潮流控制器( u p f c ) 的潮流计算模型。利用此模型，只要稍加改变就可在潮流计算中同时计及多种 f a c t s 元件的使用，且能较好的与传统潮流算法相结合。文献 1 1 提出了一种新 的f a c t s 潮流算法，即：在节点功率平衡方程外，引入考虑f a c t s 元件控制目标 的稳态约束方程和相应的状态变量，考虑到f a c t s 元件的特点，尽量减少新方程 1 2 ：海交通大学硕士学位论文 第四章潮流计算 的维数，在此基础上联立求解所有非线性方程组，即可以计算出潮流分布。 经典n e w t o n 潮流算法的原理可参照参考文献 6 ，其计算程序框图如图4 1 。 图4 - in e w t o n 法潮流程序计算框图 f i g u r e4 - 1 f l o wc h a r to f p o w e rf l o wc o m p u t a t i o n 4 2 2算法介绍 本文在经典n e w t o n 算法的基础上，讨论如何在考虑发电机约束条件“2 1 的情 况下，实现算法和计算结果的全面性，并对迭代过程中雅可比矩阵的处理采取优 化技术，减少计算耗费。理论分析后附有算例检验。 a 考虑发电机约束条件 在传统的潮流计算中，节点一般分为三类，即p q 节点、p v 节点和平衡节点。 对于一个p v 节点来说，电压幅值v 被设定为v 。它意味着，发电机无功出力瓯 上海交通大学硕士学位论文第四章潮流计算 在约束q g 。sq 6s q 。一内调节，能保持节点电压v v 。恒定，如果无功出力超过 其极限值，一般潮流程序是将该p v 节点自动转换成p q 节点，p q 节点的无功功 率，视超上限或超下限，设定为如= 绋。或如= 吼。，即维持无功出力恒定， 而与节点电压无关。这种假设在正常负荷范围内是合理的，但在某些严重的运行 条件下将带来明显的误差，特别是在稳定分析的计算中，为了求得功角或电压的 临界点，随着功率的增加，某些发电机母线的电压可能降至额定值的8 5 或更 低。在这样低的电压下，由无功出力越上限q 。，而从p v 节点转换来的p q 节点， 往往因为发电机转子电流受到限制，不能保证其无功出力等于q 。从另一个角 度看，发电机的极限出力q 。不再是一个简单的常数，而随电压的变化而变化。 本文中，在潮流计算中定义p i ，节点，p i ，节点能较好的模拟那些转子励磁电 流i ，超过其极限值i 。，的发电机的无功出力行为，并给出该节点在极坐标系统下 无功出力和雅可比矩阵元素修正的公式。 ( 1 ) p i ，定义 在潮流计算中，由于发电机无功出力越上限，将p v 节点转换成p q 节点，如 果该p q 节点的发电机励磁电流i ，又超过极限值，则定义该节点为p i ，节点，p i ， 节点维持其有功出力和励磁电流i ，恒定，即p = p 。i ，= i 。，。 ( 2 ) p i ，节点的无功出力表达式 为清楚起见，下文各量说明如下： d 轴和q 轴一一发电机转子的纵轴和横轴： x 轴和y 轴一一组成参考坐标系统，设平衡节点电压矢量与x 轴同向： v 一一机端电压矢量； 0 一一v 与x 轴夹角； l 一一发电机定子电流； x 。和x 。一一发电机纵轴和横轴同步电抗； e q 一一发电机x d 后的内电势： 6 一一民与v 夹角； v 。，v 。和v ，v ，一一兮别为v 在d ，q 和x ，y 轴上的分量； i 。和i 。一一分别为i 在d 轴和q 轴上的分量。 上海交通大学硕士学位论文 第四章潮流计算 根据同步电机的理论，发电机的有功和无功出力表达式为 圪= 等s i n a + 等等s i n z 占 ， 甄= 等c o s 纠2 + c o 以s 2 8 ，( 4 - z ) 众所周知，e q = l , x 。，式中x 。a 是发电机纵轴反应电抗。在不计饱和的情况下， ir 与e 。成正比，即当i ，达到其极限值i “，时，e 。也达到其最大值e 。在标么值 下， = 等= 等等_ ，m “( 刖) ( 4 _ 。) 即e q 一( p “) = l j 一( j 口“) ，式中i m 为产生空载额定电压v n _ e 。的励磁电流值。 根据p i r 节点的定义，将e 。= e 一和r = 代入式( 4 - 1 ) 和( 4 - 2 ) ，得p i 。 节点有功功率方程和无功功率方程表达式： 厶= 等s i n 艿+ 等等s i n z aa ， 线= e q 五, , = 。, vc o s s _ v 2 ( s i z n2 。6 + 警 ( 4 - 5 ) ( 3 ) 雅可比矩阵元素的修正 在本文中，潮流计算采用的是极坐标形式，所以在此给出极坐标下雅可比矩 阵元素的修正方法。 在极坐标系统下，矿= y e j 。p i ，节点i 的有功和无功功率平衡方程为： f = ￥一屹，一k i v , ( c 口c o s ( e j 一目，) + 嘞s i n ( e ，一巳) ) 】_ o ( 4 6 ) g 。= q g 一q p k 矿，( g 。s i n ( e , 一0r ) 一b 口c o s ( o ，一o j ) ) 1 = o ( 4 7 ) 式中，兄。和吼。分别为设定的发电有功、负荷有功和无功功率；q g ， 为发电无功功率，由式( 4 5 ) 表达。将式( 4 - 5 ) 代入( 4 - 7 ) ，得 g 。= 笺2c 警+ 等等地，。， 一v , x j “( ( g s i n ( e t 一口，) 一嘞c o s ( a , 一目，) ) 】= o p 海交通大学硕士学位论文第四章潮流计算 变量增量的方程式有如下形式： 耄喜 ( 4 9 ) 因为瓯t 是v 。和占，的函数，而v t 与口的关系又隐含在功率方程( 4 4 ) 中， 所以式( 4 啕) 的雅可比矩阵对角元素雾中包含附加项等。 为此，将式( 4 5 ) 对v 。求导数，考虑到点也是v 。的函数，得 式中譬可由式( 4 - 4 ) 两边对v 。求导数而得，即 d v 。 堕：一：! ：竺兰! 垫苎：竺! 兰! 二兰! ! ! ! ! ! ! !( 4 1 1 ) d v i y ? q m x q ) c o n 2 6 j + e p “。xq ic o s 6 i ( 4 )程序实现 节点类型转换的逻辑如图4 - 2 所示，对其中的几点作简要说明。 i 节点类型的转换在程序中自动判别进行，发电机节点一开始被设定为p v 节点，只是如下数据必须输入；q 。，。x 。，x 。，i 。和i 。 q 。，和。为只考虑定子电流约束的无功功率上下限，i 。为发电机空载实验 曲线上相对额定电压的空载励磁电流，i 。为转子电流极限值。 2 占的计算 无功出力方程和雅可比矩阵元素的附加项中要用到占，其值由非线性方程式 ( 4 4 ) 通过一阶牛顿一拉夫逊法迭代求解，令初值矗= s i n _ 1 主多可以得到很好 的收敛特性。 ( 5 )算例 考虑图4 - 3 的7 节点系统接线图“”，系统部分参数已在图中标出，3 个发电 机的参数如表4 - 1 。设7 号节点的负荷不断增加，检验2 号节点的电压变化情况， 计算结果如表4 2 。 1 6 习哙 = 1j 酣一r 1 p o o o o o j 卵一掰一耖 亭蜡兰碱 嘲 擎 上海交通大学硕士学位论文第四章潮流计算 图4 - 2节点类型转换逻辑图 f i g u r e4 - 2 t h e l o g i cc h a a o f n o d et r a n s f o r m a t i o n 乙雳_ 一寸 陪对翊_ 9 。4 “- 地、i | ；) 图4 - 37 节点系统接线图 f i g u r e 4 - 3c o n n e c t i o nc h a r to f 7 - n o d e s y s t e m 上海交通大学硕士学位论文第四章潮流计算 表4 - 1 发电机参数 t a b l e4 - 1p a r a m e t e r so f g e n e r a t o r s 发电机额定有额定无无功功转子电直轴交轴 功功率功功率率约束流约束电抗值 l2 ol - 2 41 4 52 4 4 2 0 5 0 4 21 60 9 9 1 6l1 61 9 3 8 0 5 0 4 3 平衡节点o 3 02 2 表4 - 2 算例结果 t h b l e4 - 2r e s u l t so f t e s t 7 号节点功率 一2 0 0一2 12 22 3- 24 电压无约束 1 _ 0 31 0 2 51 0 1 71 0 0 30 9 8 幅值 ( 2 号 有约束 1 0 2 21 0 1 00 9 8 50 9 7 60 9 6 6 扣点) 由此可见，随着负荷的增加，由于考虑了励磁电流约束，节点电压将比传统 方法的低，差距比较明显。相应的，发电机无功出力也不能达到上限值，而是比 传统方法计算的要低，与上述理论分析的结果相一致。 b 准牛顿法( q u a s i n e w t o n ) 的改进和应用“” 为了提高牛顿法的计算速度，减少计算耗时，人们已在算法方面做了大量探 讨，特别是在迭代过程中雅可比矩阵的处理上做了很多研究。 在文献 1 4 中，作者提出了在牛顿法( n p f ) 中的部分迭代过程中保持雅可 比矩阵不变来减轻计算负担的方法，但是到如今公开的试验结果并不多见。保持 雅可比矩阵不变的方法在暂态稳定性研究中也被使用过。 本文中研究实践了以下方法：在牛顿迭代步骤中采用雅可比矩阵不变 ( c o n s t a n t ) 以及雅可比矩阵部分更新( p a r t i a lu p d a t e ) 相结合的策略。此法 中通过预测下次功率偏差值来选择迭代策略。在对雅可比矩阵的部分更新处理 上，可以采用l u 分解或矩阵修改定理( m m l ，参加附录i ) 来实现。 ( 1 ) 方法简介 为了提高牛顿法潮流计算的速度，我们将注意力放在雅可比矩阵的更新和因 子分解方式上，因为它的因子分解大约占了8 5 的计算时间。本文中，对于迭 代过程中雅可比矩阵的处理方式归结为以下三种类型： a ) 牛顿步( n e w t o ns t e p s ) ，整个雅可比矩阵重新进行计算并因子分解： b ) 简单步( s i m p l es t e p s ) ，最近一次的雅可比矩阵保持不变且被重用一次： 上海交通大学硕士学位论文第四章潮流计算 c ) 部分雅可比更新( p a r t i a lj a c o b i a nu p d a t e s ) ，雅可比矩阵的一部分元素进 行更新，其余大部分元素保持不变。 如果将上面的b 、c 两种处理方式引入迭代过程后，潮流计算将以介于线性 和二次性之间的速度收敛。如何来选择最合适的下一步操作在整个迭代过程中是 很重要的。例如，在某些情况下，也许采用整个雅可比矩阵完全更新的方法更有 效，而另外些情况下，部分更新法( 相应的部分因子分解) 或简单步迭代会更方 便节省。本文将考虑两私t 策略在潮流迭代中实施。 首先在文献 1 4 的基础上一种根据迭代过程中功率偏差量变化的适应性 技术被用来考虑如何选择下一步的迭代策略，然后将讨论如何进行部分雅可比矩 阵元素的更新。 ( 2 ) 牛顿步与简单步相结合 在潮流计算的迭代过程中，有些步骤没有必要采取重新计算雅可比矩阵，因 为那样的计算量太大。但是，在下一步迭代计算前，关键是如何选择进行重新计 算雅可比矩阵( 牛顿步) 还是保持上一次数据不变( 简单步) 。 本文提出一种策略方法来决定在下一次迭代中采取牛顿步还是简单步，即根 据最大功率偏差的预测值，我们将主要注意力放在最大偏差上是因为它往往决定 了整个迭代过程何时收敛。 根据最近两次迭代步骤的结果来预测究竟是一次牛顿步还是m 次简单步会 产生一个更小的功率偏差。i l l 代表采用多少次简单步迭代跟一次牛顿步迭代的浮 点数操作次数相同。之所以用浮点数操作次数而不是计算时间来表示计算耗费， 是因为计算时间会因硬件条件的不同而不同。 牛顿步迭代只有在接近于终点解的附近有二次收敛特性。在中间迭代过程 中，它的收敛速度介于线性和二次之间。因此，第k 次迭代过程中的功率偏差量 可用玑表示，其估测方法如下 _ = 口群 ( 4 1 2 ) 其中1c 口c2 ，a 可以用前两步的迭代结果通过式( 4 - 1 2 ) 来预测 8 = 争 ( 4 _ 1 3 ) 叩二- 当q 较大时( 最初的迭代过程) ，卢z 1 ，当q 较小时( 最后的迭代过程) t 则 1 9 上海交通大学硕士学位论文第四章潮流计算 芦* 2 。因此我们可以假定 口：2 一旦( 4 1 4 ) 叩i 1 则，当口“玑时，一“1 ，当仉 玑时，卢a 2 。 简单步迭代的收敛速率是线性的 _ = k r i ( 4 - 1 5 ) 所以m 此简单步迭代后有， ” + 。= k ”q ( 4 - 1 6 ) 这里，k 可以通过前两次的迭代结果计算得到 k ：旦( 4 - 1 7 ) 印 一1 整个计算的迭代过程可以以一次牛顿步和一次简单步来开始。当在每次简单 步迭代结束后，比较通过式( 4 1 2 ) 和( 4 1 6 ) 得到的偏差预测值。如果式( 4 1 6 ) 的预测值小于式( 4 1 2 ) 的预测值，则继续进行下一次简单步迭代。应注意，n 和在一次简单步迭代后并不进行更新，只有在新的牛顿步迭代后才进行更新。 但是，新得到的日被用在式( 4 1 2 ) 中预测下一步的牛顿步偏差。如果式( 4 1 2 ) 的预测值小于式( 4 1 7 ) ，则进行一次新的牛顿步迭代。 ( 3 ) 雅可比矩阵元素的部分更新 可以通过采用部分雅可比矩阵更新的办法来进一步的减少计算耗费。在大部 分的迭代策略中，通过几次迭代后许多方程等式已经收敛，只剩下少部分还未到 收敛。所以，对于相当数量的方程等式来说，没有必要更新全部雅可比矩阵元素 去达到收敛。但是，如果仅采用简单步迭代，决定整个迭代过程收敛的部分方程 等式往往需要很多步才能达到收敛。因此非常有必要对于雅可比矩阵中收敛较慢 的部分行进行更新，而对于矩阵其余大部分的元素值保