供变电技术课程实习报告.doc

目 录一、引言- 3 -二、研究的主要内容及工作- 5 -三、研究设计的结论及建议- 11 -四、个人的总结及感想- 12 -参考文献- 12 -利用计算机进行潮流计算一、 引言1.1潮流计算的概念潮流计算一般叫做负荷潮流计算，是电力系统分析的一个重要部分。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。它的任务是根据给定的运行条件和网路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）、网络中的功率分布以及功率损耗等。潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出的各种问题。对规划中的电力系统，通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求；对运行中的电力系统，通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危及系统的安全，系统中所有母线的电压是否在允许的范围以内，系统中各种元件(线路、变压器等)是否会出现过负荷，以及可能出现过负荷时应事先采取哪些预防措施等。1.2潮流计算的意义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。 综上所述，在电力系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。同时，为了实时监控电力系统的运行状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。因此，潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算；在电力系统运行状态的实时监控中，则采用在线潮流计算。1.3计算机潮流计算的发展利用电子计算机进行潮流计算从20世纪50年代中期就已经开始。此后，潮流计算曾采用了各种不同的方法，这些方法的发展主要是围绕着对潮流计算的一些基本要求进行的。对潮流计算的要求可以归纳为下面几点：算法的可靠性或收敛性；计算速度和内存占用量；计算的方便性和灵活性。电力系统潮流计算属于稳态分析范畴，不涉及系统元件的动态特性和过渡过程。因此其数学模型不包含微分方程，是一组高阶非线性方程。非线性代数方程组的解法离不开迭代，因此，潮流计算方法首先要求它是能可靠的收敛，并给出正确答案。随着电力系统规模的不断扩大，潮流问题的方程式阶数越来越高，目前已达到几千阶甚至上万阶，对这样规模的方程式并不是采用任何数学方法都能保证给出正确答案的。这种情况促使电力系统的研究人员不断寻求新的更可靠的计算方法。 在用数字计算机求解电力系统潮流问题的开始阶段，人们普遍采用以节点导纳矩阵为基础的高斯-赛德尔迭代法（以下简称导纳法）。这个方法的原理比较简单，要求的数字计算机的内存量也比较小，适应当时的电子数字计算机制作水平和电力系统理论水平，于是电力系统计算人员转向以阻抗矩阵为主的逐次代入法（以下简称阻抗法）。 20世纪60年代初，数字计算机已经发展到第二代，计算机的内存和计算速度发生了很大的飞跃，从而为阻抗法的采用创造了条件。阻抗矩阵是满矩阵，阻抗法要求计算机储存表征系统接线和参数的阻抗矩阵。这就需要较大的内存量。而且阻抗法每迭代一次都要求顺次取阻抗矩阵中的每一个元素进行计算，因此，每次迭代的计算量很大。 阻抗法改善了电力系统潮流计算问题的收敛性，解决了导纳法无法解决的一些系统的潮流计算，在当时获得了广泛的应用，曾为我国电力系统设计、运行和研究作出了很大的贡献。但是，阻抗法的主要缺点就是占用计算机的内存很大，每次迭代的计算量很大。当系统不断扩大时，这些缺点就更加突出。为了克服阻抗法在内存和速度方面的缺点，后来发展了以阻抗矩阵为基础的分块阻抗法。这个方法把一个大系统分割为几个小的地区系统，在计算机内只需存储各个地区系统的阻抗矩阵及它们之间的联络线的阻抗，这样不仅大幅度的节省了内存容量，同时也提高了节省速度。 克服阻抗法缺点的另一途径是采用牛顿-拉夫逊法（以下简称牛顿法）。牛顿法是数学中求解非线性方程式的典型方法，有较好的收敛性。解决电力系统潮流计算问题是以导纳矩阵为基础的，因此，只要在迭代过程中尽可能保持方程式系数矩阵的稀疏性，就可以大大提高牛顿潮流程序的计算效率。自从20世纪60年代中期采用了最佳顺序消去法以后，牛顿法在收敛性、内存要求、计算速度方面都超过了阻抗法，成为直到目前仍被广泛采用的方法。 在牛顿法的基础上，根据电力系统的特点，抓住主要矛盾，对纯数学的牛顿法进行了改造，得到了P-Q分解法。P-Q分解法在计算速度方面有显著的提高，迅速得到了推广。 牛顿法的特点是将非线性方程线性化。20世纪70年代后期，有人提出采用更精确的模型，即将泰勒级数的高阶项也包括进来，希望以此提高算法的性能，这便产生了保留非线性的潮流算法。另外，为了解决病态潮流计算，出现了将潮流计算表示为一个无约束非线性规划问题的模型，即非线性规划潮流算法。 近20多年来，潮流算法的研究仍然非常活跃，但是大多数研究都是围绕改进牛顿法和P-Q分解法进行的。此外，随着人工智能理论的发展，遗传算法、人工神经网络、模糊算法也逐渐被引入潮流计算。但是，到目前为止这些新的模型和算法还不能取代牛顿法和P-Q分解法的地位。由于电力系统规模的不断扩大，对计算速度的要求不断提高，计算机的并行计算技术也将在潮流计算中得到广泛的应用，成为重要的研究领域。二、 研究的主要内容及工作电力系统潮流计算属于稳态分析范畴，其数学模型不包含微分方程，是一组高阶非线性方程。非线性代数方程组的解法离不开迭代，因此，潮流计算方法首先要求它是能可靠的收敛，并给出正确答案。随着电力系统规模的不断扩大，潮流问题的方程式阶数越来越高，目前已达到几千阶甚至上万阶，对这样规模的方程式，显然手工计算是不可能实现的。在这种情况下，必须借助计算机，采用一定的算法进行潮流计算。目前比较常用的潮流计算算法有：高斯塞德尔法、牛顿拉夫逊法、P-Q分解法、直流潮流法，以及由高斯塞德尔法、牛顿拉夫逊法演变的各种潮流计算方法。由于牛顿拉夫逊迭代法的二次收敛性，在病态情况下不易发散，对大型电力系统更加有效和实用。因此，本课程设计选用牛顿拉夫逊迭代，利用计算机编制相应的MATLAB程序代码，实现潮流计算。2.1牛顿拉夫逊迭代法原理牛顿拉夫逊法中迭代次数和系统的大小是相互独立的，但其每一步迭代需要更多的方程计算，由于在潮流计算中电压控制节点的有功功率和电压幅值是已知的，潮流方程将以极坐标的形式给出。在图1所示的典型节点中，流入节点的电流写成下面的节点导纳矩阵形式：图1 典型节点 (1)在上述方程中，j的值可以等于i，以极坐标的形式写出： (2)节点i的复功率是：程中，j的在上 (3)将式(2)的代入到式(3)得： (4)分离出实部和虚部可得： (5) (6)等式(5)和等式(6)构成一系列的由独立变量组成的非线性代数方程，其中电压幅值以标幺值给出，相角的单位是弧度。对每个负荷节点我们可以得到两个等式，即式(5)和式(6)。电压控制节点有一个等式，即等式(5)。将式(5)和式(6) 在初始估计值处进行泰勒级数展开，并忽略高阶项，可以得到下列一组线性方程： (7)在上述方程中节点1为平衡节点，雅可比矩阵给出了电压相角的微小变化 和幅值的微小变化，与有功无功功率的微小变化和 的线性关系。雅可比矩阵中的元素为式（5）和式（6）对 和的偏导数，简写为： (8)对电压控制节点来说，电压幅值已知，因此，如果m个节点为电压控制节点，雅可比矩阵中涉及Q和V的m个方程就可以消掉。相应的，有(n-1)个有功功率约束方程和(n-1-m)个无功功率约束方程，雅可比矩阵为(2n-2-m)(2n-2-m)阶。是(n-1)(n-1)阶矩阵，是(n-1)(n-1-m)阶矩阵，是(n-1-m)(n-1)阶矩阵，是(n-1-m)(n-1-m)阶矩阵。的对角线及非对角线元素分别为： (9) (10)的对角线和非对角元素分别为： (11) (12) 的对角线和非对角元素分别为： (13) (14) 的对角线和非对角元素分别为： (15) (16)和为计划值和计算值的差，叫做功率余额，记作： (17) (18)节点电压新的估计值为： (19) (20)2.2算例描述算例采用4机两区域系统，见图2。该系统由两个相同区域由两个长输电线路相互关联。在每个区域，母线1 和母线2有两个发电机，在母线11和母线12有两个发电机。在母线 4和母线14 各有一个负载。母线1 为平衡母线，电压指定为。图 2 算例系统2.3数据准备1）节点数据文件bus节点信息输入格式为单行输入，输入的数据形成一个矩阵bus。矩阵的格式为：第一列：节点编号第二列：节点电压幅值(p.u.)第三列：节点电压相角(p.u.)第四列：发电机有功出力(p.u.)第五列：发电机无功出力(p.u.)第六列：负荷有功功率(p.u.)第七列：负荷无功功率(p.u.)第八列：并联发电机流入有功功率(p.u.)第九列：并联母线流入有功功率(p.u.)第十列：母线类型：1为平衡节点；2为电压控制节点；3为负荷节点第十一列：发电机有功最大出力(p.u.)第十二列：发电机有功最小出力(p.u.)第十三列：母线额定电压（kv）第十四列：发电机无功最大出力(p.u.)第十五列：发电机无功最小出力(p.u.)bus = 1 1.03 18.5 7.00 1.61 0.00 0.0 0.00 0.00 1 99.0 -99.0 22.0 1.1 .9;2 1.01 8.80 7.00 1.76 0.00 0.0 0.00 0.00 2 5.0 -2.0 22.0 1.1 .9;3 0.978 -6.1 0.00 0.00 0.00 0.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 230 1.5 .5;4 0.95 -10 0.00 0.00 9.76 1.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 115 1.05 .95;10 1.0103 12.1 0.00 0.00 0.00 0.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 230 1.5 .5;11 1.03 -6.8 7.16 1.49 0.00 0.0 0.00 0.00 2 5.0 -2.0 22.0 1.1 .9;12 1.01 -16.9 7.00 1.39 0.00 0.0 0.00 0.00 2 5.0 -2.0 22.0 1.1 .9;13 0.99 -31.8 0.00 0.00 0.00 0.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 500 1.5 .5;14 0.95 -38 0.00 0.00 17.67 1.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 115 1.05 .95; 20 0.99 2.1 0.00 0.00 0.00 0.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 230 1.5 .5;101 1.05 -19.3 0.00 8.00 0.00 0.0 0.00 0.00 2 99.0 -99.0 230 1.5 .5;110 1.01 -13.4 0.00 0.00 0.00 0.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 230 1.5 .5;120 0.99 -23.6 0.00 0.00 0.00 0.0 0.00 0.00 3 0.0 0.0 230 1.5 .5; ;2）线路数据line节点信息输入格式为单行输入，输入的数据形成一个矩阵line。矩阵的格式为：第一、二列：相邻节点编号第三列：线路电阻(p.u.)第四列：线路电抗(p.u.)第五列：并联电容注入无功(p.u.)第六列：变压器分接头电压系数(p.u.)第七列：变压器分接头相移系数(p.u.)第八列：变压器分接头系数最大值(p.u.)第九列：变压器分接头系数最小值(p.u.)第十列：变压器分接头系数的调整间隔大小(p.u.)line = 1 10 0.0 0.0167 0.00 1.0 0. 0. 0. 0.;2 20 0.0 0.0167 0.00 1.0 0. 0. 0. 0.;3 4 0.0 0.005 0.00 1.0 0. 1.2 0.8 0.05;3 20 0.001 0.0100 0.0175 1.0 0. 0. 0. 0.;3 101 0.011 0.110 0.1925 1.0 0. 0. 0. 0.;3 101 0.011 0.110 0.1925 1.0 0. 0. 0. 0.;10 20 0.0025 0.025 0.0437 1.0 0. 0. 0. 0.;11 110 0.0 0.0167 0.0 1.0 0. 0. 0. 0.;12 120 0.0 0.0167 0.0 1.0 0. 0. 0. 0.;13 14 0.0 0.005 0.00 1.0 0. 1.2 0.8 0.05;13 101 0.011 0.11 0.1925 1.0 0. 0. 0. 0.;13 101 0.011 0.11 0.1925 1.0 0. 0. 0. 0.;13 120 0.001 0.01 0.0175 1.0 0. 0. 0. 0.;110 120 0.0025 0.025 0.0437 1.0 0. 0. 0. 0.;2.4程序结果输出按照牛顿拉夫逊迭代法的原理，开发出相应MATLAB程序，将以上准备数据代入求解，得到以下输出结果：平衡节点 : bus 1 迭代次数 : 6 总的计算时间 : 0.016 second.总的有功损耗 : 0.943795p.u.总的无功损耗 : 14.377p.u.表1 程序输出结果母线电压（p.u.）相角（。）发电机有功（p.u.）发电机无功（p.u.）负荷有功（p.u.）负荷无功（p.u.）11.038.57.212.090021.018.157.002.800030.948-7.38000.000.0040.992-10.19009.760.999101.0011.8000.000.00111.03-6.967.162.5500121.01-17.316.9993.9300130.915-33.34000.00-0.00141.008-38.290017.660.999200.971-1.30000.00-0.001011.05-21.02-.005.00001100.995-13.66000.00-0.001200.952-24.30000.00-0.00三、 研究设计的结论及建议3.1 结论电力系统是一个具有高度非线性的复杂系统，潮流计算在电力系统的稳定分析、控制、状态估计中起着极其重要的作用。电力系统潮流计算属于稳态分析范畴，其数学模型不包含微分方程，是一组高阶非线性方程。非线性代数方程组的解法离不开迭代。随着电力系统规模的不断扩大，潮流问题的方程式阶数越来越高，目前已达到几千阶甚至上万阶，对这样规模的方程式，显然手工计算是不可能实现的。在这种情况下，必须借助计算机。目前，潮流计算的基本方法仍然是采用迭代的方法，比较常用的潮流计算算法有：高斯塞德尔法、牛顿拉夫逊法、P-Q分解法、直流潮流法，以及由高斯塞德尔法、牛顿拉夫逊法演变的各种潮流计算方法，其中牛顿拉夫逊潮流计算法采用最为广泛。在本课程设计的算例中，总的迭代次数为6次，计算时间为0.016秒，可以看出，牛顿拉夫逊迭代法在收敛性、计算速度方面均能取得较为满意的结果。 3.2 建议由于电力系统的日益扩大，在线潮流计算对算法提出了更高的要求，人们在不断地寻求各种潮流计算的快速方法。本课程设计通过对电力系统潮流计算的研究，根据电力系统的具体特点，提出以下几点建议：1） 改变潮流雅可比矩阵来缩短潮流计算时间；2） 改善牛顿法中将非线性方程线性化的局限性，可将泰勒级数的高阶项也包括进来，提高计算精度；3） 由于电力系统规模的不断扩大，对计算速度的要求不断提高，可利用计算机的并行计算技术提高计算速度；4） 可将人工智能、遗传算法、人工神经网络、模糊算法引入潮流计算。四、 个人的总结及感想在写供变电技术的课程论文之前，我们已经学过相应的课程，如：电力系统分析，在第六章有一章专门讲潮流分析。潮流分析计算是电力系统分析和设计的主要组成部分，对系统规划、安全运行、经济调度和电力系统间的功率交换非常重要，同时还是暂态分析、突发事件等处理的基础。因此，进行潮流计算是非常重要且必不可少的一步，不容忽视。通过查资料和大家的讨论后，本文决定以牛顿拉夫逊法为基础，进行潮流计算。我们了解到：牛顿拉夫逊法是一种广泛适用的解非线性方程的方法。这种方法是对未知数做初始估计，应用泰勒级数展开，连续逼近计算结果的过程，简单来说：就是切线逼近下一个，以的速度收敛。在这次课程设计中，我们尽量按照老师的要求做，但在具体的操作过程中，还是出现了很多的问题，最重要的还是编写程序的问题。不过在大家的讨论和查资料下，最终还是可以解决。对于程序运行后得出的结果，我们还要进行分析，这是其中最难的一部分，而且还是其他电力系统分析的基础，我们花了好多时间在结果分析这一块。咋用matlab编程时，要了解电力系统分析这一块所用的函数，进行数据准备后，才进行运算，matlab的功能强大，但计算函数简洁容易引用，在电力分析特别是潮流分析特别适用。综上所述