第一章-电力系统潮流计算的概述

摘要信息潮流计算是电力系统各种计算的基础，同时也是电力系统研究的重要分析功能，是故障计算、继电保护识别、安全分析的工具。电力系统潮流计算是计算系统动态稳定性和静态稳定性的基础。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，必须利用电力系统潮流计算，对电力供应系统或运行方式的合理性、可靠性和经济性进行定量比较。潮流计算的目的在于确定：是电力系统的工作方式。确定系统中的每个组件是过电压还是过载。为电力系统继电保护设置提供了依据。为电力系统的稳定计算提供了初始值，为电力系统规划和经济运行提供了分析基础。因此电力系统潮流计算是电力系统中最基本的计算之一，具有一定的独立性，是研究其他问题的基础。传统的潮流计算器缺少图形用户界面，结果不直观，难以与其他分析功能集成。本文以数学模型和计算方法为基础，针对软件编写和数据测试工作，使用MATELAB语言，重点开发和设计潮流计算软件，结果更准确、收敛更好，是基于功能分解将整个软件工程视为一个对象组合的结构化编程方法。由于对象配置基本上不会针对特定问题域发生变更，因此基于对象分解方法设计的此软件结构相对稳定，易于维护和扩展。设计主要以牛顿-瑞弗森方法作为算法背景。此软件的主要特征是：(1)操作简单。(2)直观的图形界面；(3)运行稳定，计算准确；关键字：潮流计算；牛顿-拉布森法；MATLAB第一章电力系统潮流计算概述1.1电力系统说明电力产业发展初期，电力直接从用户附近的发电站(或发电站)生产，各发电站孤立地运行。随着工业农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加，煤炭等热能和水力资源丰富的地区往往离电力比较集中的城市和工业区很远，为了解决这一矛盾，必须在动力资源丰富的地区建设大型发电站，然后将电力量输送给远距离电力用户。与此同时，为了提高电力供应的可靠性和资源利用的综合经济性，各种分布式发电站通过输电线和变电站连接在一起。通过发电机、升压和降压变电站、输电线路和电气设备有机连接的这一整体称为电力系统。电力系统与发电机的原动机(如涡轮、涡轮)一起，作为原动机的动能部分(如热力锅炉、水库、核电站的核反应堆)、加热和热力设备，称为动力系统。在电力系统运行模式管理中，潮流是确定电网运行方式的基本起点：在规划领域中，需要对潮流分析验证计划方案的合理性：在实时运行环境中，调度器潮流在电网中提供潮流分布，以验证运行稳定性。电力系统调度运营的很多领域都伴随着潮流计算。潮流是决定电力网络运行状态的基本因素，潮流问题是研究电力系统稳态问题的基础和前提。1.2配电网潮流计算研究的目的和意义随着我国经济的快速发展和人民生活水平的持续提高，电力的供给和需求已经达到社会生产、人民生活的各个层面，社会对电力的需求越来越大。与此同时，产业结构的调整、电力市场的逐步形成、电价机制的完善也对电力网格的经济性和可靠性提出了更高的要求。在现代电力系统中，大型发电厂通常离负荷中心很远，发电厂传送的电力通常通过高压或EHV电网发送到负荷中心，然后从负荷中心将电力分配给不同电压等级的用户。这种在电网中主要起到分配电力作用的网络称为配电网。流通网按区域或服务对象划分，由城市配电网和农村配电网组成。在一个城市及其郊区分配和供应电力的电网称为城市配电网。城市配电网和为其供电的输电线路及变电站统称为城市电网。供给县(县级市)范围内的农村、乡镇、县电力电网称为农村流通网，简称农网。配电网络分级为高压配电网络(35 11OKv)、中压配电网络(6 1 loKv)和低压配电网络(220 1 38ov)。成网可分为220KV配电网、35Kv高压配电网、IOKv中压配电网、380/2 20v低压配电网(王明俊等，1998)。配电网络一般包括配电变电站、主配电线路、次配电线路、配电变压器、继电保护设施等，是连接传输和传输系统和用户的重要环节。城市配电网是城市现代化的重要基础设施之一，是现代城市必备的供电系统。其建设的好坏直接影响着城市经济的发展速度、人们生活水平的提高、投资环境的优化等。目前，国家高度重视电力系统改革事业，向电力产业引入竞争机制，开展电力市场建设。研究配电网问题，大幅提高电力的质量和可靠性，对于提高电力公司的经济效益和竞争力，减少电力网上的电力损失，节约能源具有重要意义。随着我国经济的全面发展，中低压配电网络的供电可靠性低，发展滞后问题越来越突出。城市低压配电网络在城市电力销售中占据了大部分市场，但其发展滞后，不再适应城市的需求，成为顾客抱怨的主要对象。这种问题主要表现为： 1在电网中停电太多。第二，停电时间长。第三，报告时间长。第四，电压不稳定。为了解决这些配电网问题，及时准确的配电网潮流分析结果至关重要。当然，这需要更有效、更可靠的潮流计算、分析方法。配电网现有的潮流是根据已经知道的网络结构和运行条件，确定各个总线的电压、网络的功率分布、电力损失等整个网络的运行状态。潮流计算是电力系统分析中最基本最重要的计算，是电力系统运行、计划和安全、可靠性分析和优化的基础，也是各种电磁暂态和机电暂态分析的基础和出发点。随着系统网络结构的日益复杂和完善，潮流计算作为电力网络分析的基本计算之一不断提高。1.3配电网潮流计算的研究与开发配电网在高压输电网和结构及参数方面差别很大。特别是，在以下：的结构方面，配电系统使用了大量闭环网络结构来执行开环操作。在参数方面，x比率更大。在负荷方面，配电负荷存在严重的三相不对称。根据这些特性，配电网的潮流计算和电网的潮流计算是不同的。随着科学技术和电力系统的发展，关于配电网潮流计算的研究经历了大约三个阶段的发展；手动计算阶段、对称潮流计算阶段和三相潮流计算阶段。对电力系统潮流的研究从60年代开始，但电力行业对电力系统的重视不够，到70年代末，配电网的潮流计算还处于手续阶段。此阶段的功率流以正向循环方式计算，其中：假定整个网络的节点电压初始值为额定电压，在末端第一末端反向流方向计算分支功率，然后在第一端到末端方向计算每个节点电压。该方法原理简单，计算量小，没有收敛问题，但只适用于单电源开放式网络，对大型网络不容易编程。从80年代初期到90年代中期，为了电力产业的发展，开始重视流通系统的线路损失计算和规划问题等，电力流量计算也基本受到关注。人们开始研究潮流方法的研究主要针对对称负荷(李光奇，1998)的潮流的计算机算法。针对配电网的特殊网络结构出现了很多对称潮流算法。这种算法主要可以分为两类，第一种是将电网计算方法应用于隐式高斯方法等分配网络，第二种是基于前向后代方法(例如功率分配系数方法、二次电压设置方法等)的计算机算法。隐式高斯方法在1991年由T.H.Chen.M.s.Chen等提出，该方法利用叠加原理形成节点导纳矩阵，计算在每个节点上单独工作的电源和负载的电压叠加。该方法原理简单，编程更容易，可以根据配电网结构的变化创建新的节点导纳矩阵，导纳矩阵是对称的、非常稀疏的矩阵，非常节省内存。但是，如果收敛速度慢，随着计算的网络节点数的增加，迭代次数增加，计算量急剧增加。因此，此方法仅适用于区段数较少的流通网。前向后代法的计算机算法与手算法基本相同，是以分支网络损失为状态量的一般算法。这些算法研究的核心问题是如何使用配电网结构特性生成网络矩阵，从而在网格计算中节省内存，提高计算速度，在网络结构发生变化时容易修改。目前有两种生成网络矩阵的方法。一种是手动编号方法，一种是如何设置节点和分支的相关性矩阵，一种是明确、简单、占用大量内存、不易跟踪网络更改的方法，另一种是根据网络的拓扑信息自动生成网络计算序列的计算序列方法。这意味着使用更少的内存，更容易跟踪网络结构中的更改。在利用数字计算机解决电力系统潮流计算问题的初始阶段，通常采用基于节点导纳矩阵的预推回方法。该方法的原理比较简单，要求的数字计算机内存量与70年代电子计算机制造水平和当时的电力系统理论水平相匹配。但是，如果收敛不好，系统大小变大，迭代数将急剧增加，通常不会收敛到计算中。因此，电子系统计算者需要转向基于阻抗矩阵的迭代方法。阻抗法改进了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潮流计算，在80年代得到了广泛应用。阻抗法的主要缺点是占用了大量计算机内存，每次迭代的计算量很大。当系统继续扩展时，这些缺点更加明显。为了克服阻抗法在内存和速度上的缺点，80年代中期开发了基于阻抗矩阵的块阻抗方法。该方法将大系统分成多个小区域系统，仅将每个区域系统的阻抗矩阵和其间的联络线的阻抗存储在计算机中，从而大大节省了内存容量，同时提高了计算速度。克服阻抗法缺点的另一种方法是使用牛顿-拉弗森方法。这是数学中求解非线性方程的典型方法，收敛更好。在解决电力系统潮流计算问题时，基于导纳矩阵，因此，在迭代过程中，如果能最大限度地保持方程系数矩阵的稀疏性，就能大大提高牛顿潮流程序的效率。自20世纪80年代中期牛顿法运用最佳顺序剔除方法以来，牛顿法在收敛、内存要求、速度方面超过阻抗法，成为当代末期以来广泛采用的优秀方法。第二章潮流计算原理2.1潮流计算简介2.1.1潮流计算任务电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行的一种计算。其任务是计算给定电力系统运行条件下电力系统的运行状态。电力系统运行条件是指电力系统中每条总线的负载功率、发电机的功率、某些总线保持的电压值等。操作状态表示电源系统中每条总线的电压幅度和相位角度。确认电力系统运行状态后，可以计算电力网络中的配电和网络损耗。2.1.2潮流计算的历史最初，手动计算了电力系统潮流计算。之后，为了适应电力系统日益增长的要求，采用了交流计算台。随着电子数字计算机的出现，1956年Ward等公司制定了实用的计算机趋势计算程序。这样，为日益复杂的大规模电力系统提供了非常强大的计算手段。经过几十年的时间，电力系统潮流计算已经发展得很成熟。电力系统潮流计算形式分为离线计算和在线计算两种。前者主要用于电力系统计划设计、系统运行计划、运行系统的实时监控和实时控制。离线和在线潮流计算在计算原理上是相同的，必须满足以下条件：1)计算方法可靠，收敛好。2)占用的计算机内存较少。3)计算速度高。4)界面好，使用方便。2.1.3潮流计算的用途在以下情况下需要电力系统潮流计算：(1)对于完成的电力系统，根据给定的运行条件和网络的结构形式，确定整个网络的运行条件。例如，每个节点的电压、每个组件通过的电源、整个系统的功率损失等。根据计算结果，可以评价该电力系统运行方式的合理性和经济性。2)在负荷增加或网络扩展条件下，进行预期事故的基本情况和潮流计算，为所需的扩展安装容量和所需的额外传输和转换设备提供可行的依据，保证电源的可靠性，降低投资成本；3)此外，在计算电力系统的暂态稳定性和静态稳定性之前，使用潮流计算来确定系统在该运行条件下的抗干扰能力的初始运行方式。因此潮流计算是电力系统分析中最广泛、最基本、最重要的计算之一。复杂电力系统网络简化后，可以认为是两种类型的简单网络发射和环形网络的集合，分析方法与典型集中式参数交流网络的分析方法大致相同。辐射网络的潮流分布基本上通过电源节约电压方法每个节点电流(功率)和每个节点电压之间的关系，即根据每个节点的功率平衡确定网络的潮流分布来计算。在环形网络中，潮流分布计算直接使用电路电流方法各电路电压与各电路电流(功率)的关系。在类似的动力学中，通过使用力矩平衡关系 m=0求出环网中流向功率分割点和分叉点的功率，然后在功率分割点上解环，可以使用计算辐射网络的方法计算功率流分布。用电子计算机计算、分析、研究电力系统，往往是计算潮流方差不可缺少的。此方法通常需要几个步骤：创建数学模型、建立付款方法、开发计算流程、准备计算流程等。2.1.4计算潮流的几种计算机算法为了适应电力系统不断增长的需求，潮流计算的计算机算法为日益复杂的大规模电力系统提供了非常有利的计算手段。30多年来，国内外使用了多种算法来解决收敛可靠性、快速计算、减少内存需求等问题。主要有三种算法：1)节点导纳阵列迭代方法该方法的特点是由于节点导纳矩阵的稀疏性，所需内存减少，编程简单。但是，随着电力系统大小的增加，要查找的方程的阶数急剧增加，满足收敛条件的迭代次数也急剧增加，可能导致不收敛的结果。2)节点阻抗阵列迭代法该方法克服了节点导纳阵列迭代方法不易收敛的缺点。但是，阻抗阵列z阵列是占用大量内存的完整阵列，通过添加分支方法形成z阵列需要大量计算，因此，此方法在大型电力系统分析计算中的应用受到限制。3)牛顿法牛顿法的原理是，在每次迭代计算中形成Jacobian矩阵(修正方程)后，使用修正方程的三角分解方法，通过求出状态变量(通常是求出节点电压量的模式和角度或电压的实际和虚拟部分)的修正量来计算状态变量的新值。下一次迭代再次求解修正方程。如果状态变量的修改量的绝对值小于指