电力系统课程设计汇本~牛顿拉夫逊法潮流计算

1、课程设计说明书题目电力系统分析系(部)专业（班级）学号指导教师起止日期电力系统分析课程设计任务书系部：专业：指导教师:设 计 容 及 要 求1. 了解电力系统专家潮流计算的根本原那么2潮流计算不收敛原因分析3潮流计算收敛性分析4. 电力系统专家潮流计算的流程图设计5. 分析结果1. 掌握相关根底概念2. 了解潮流计算不收敛的数学解释3. 对潮流计算收敛的分析4. 设计计算的流程图进度安排起止日期或时间量设计容或预期目标备注第1天课题介绍，收集相关材料，分析原始数据第2天学习相关的根底理论第3天初步了解潮流计算的收敛问题第4天流程图的设计第5天编写设计说明书电力系统专家潮流初步设计课题名称教研室

2、意见系部主管领导意 见年 月曰年 月曰一、潮流计算根本原理1.1潮流方程的根本模型1.2潮流方程的讨论和节点类型的划分1.3、潮流计算的意义牛顿-拉夫逊法目录2.1牛顿-拉夫逊法根本原理2.2节点功率方程2.3修正方程2.4牛顿法潮流计算主要流程三、收敛性分析四、算例分析总结参考文献电力系统分析潮流计算一、潮流计算根本原理1.1潮流方程的根本模型电力系统是由发电机、变压器、输电线路及负荷等组成，其中发电机及负荷是非线性元件，但在进展潮流计算时，一般可以用接在相应节点上的一个电流注入量来代表。因此潮流计算所用的电力网络系由变压器、输电线路、电容器、电抗器等静止线性元件所构成，并用集中参数表示的串

3、联或并联等值支 路来模拟。结合电力系统的特点，对这样的线性网络进展分析，普通采用的是节点法，节点电压与节点电流之间的关系 1 1其展开式为N |_ I 】1 2在工程实际中，已经的节点注入量往往不是节点电流而是节点功率，为此必须应用联 系节点电流和节点功率的关系式X 1 x I 1 3将式1 3代入式1 2得到1 4交流电力系统中的复数电压变量可以用两种极坐标来表示I15或1 1 6而复数导纳为将式1 6、式1 7代入以导纳矩阵为根底的式1 4，并将实部与虚局部开，可以得到以F两种形式的潮流方程。潮流方程的直角坐标形式为潮流方程的极坐标形式为1 10以上各式中,的情况。这两1 11种形式的潮流

4、方程通常称为节点功率方程，实牛顿-拉夫逊等潮流算法所采用的主要数学模型。1.2潮流方程的讨论和节点类型的划分对于电力系统中的每个节点，要确定其运行状态，需要由四个变量：有功注入注入有功|押、无功注入伸 电压幅值|区及电压相角m。对于有日个独立节点的网络，其潮流方程有凹个，变量数为旦个。根据电力系统的实际运行情况，一般每个节点4个变量中总有两个是的， 两个是未知的。按各个节点所 已经变量的不同，可把节点分成三种类型。(1) 到 节点。这类节点节点注入有功功率、无功功率F，待求的未知量是节点电压值'I及相位角二，所以称这类节点为 二节点。般电力系统中没有发电设备的变电所母线、发固定功率的发

5、电厂母线可作为凹节点，这类节点 在电力系统中占大局部。和电压值勺，待求的未知量是节点注入无功功(2) 匸I节点。这类节点已经节点注入有功功率率勺及相位角M，所以称这类节点为旦节点。这类节点一般为有一定无功功率储藏的发电厂母线和有一定无功功率电源的变电所母线，这类节点 在电力系统中位数不多，甚至可有可无。(3) 平衡节点。潮流计算时，一般只设一个平衡节点，全网的功率由平衡节点作为平衡机来平衡。平衡节点电压的幅值蚪及相位角 勺是的，如果给定 | = |、 it ，待求的那么是注入功率凶、|凹。1.3潮流计算的意义早在20世纪50年代中期，就已开场使用数字计算机进展电力系统潮流计算。时至今日，潮流计

6、 算曾采用过多种不同的方法，这些方法的形成和开展都围绕着潮流计算的一些根本要求进展。这些要求根本上可以归纳为以下几个方面：算法的可靠性和收敛性、结果的可信性；满足计算速度和存占用量的要求；计算方便灵活、适应性好。电力系统潮流的计算和分析是电力系统运行和规划工作的根底。运行中的电力系统，通过潮流计算可以预知，随着各种电源和负荷的变化以及网络构造的改变，网络所有母线的电压是否能保持在允许围，各种元件是否会出现过负荷而危及系统的平安，从而进一步研究和制订相应的平安措施。规划中的电力系统，通过潮流计算，可以检验所提出的网络规划方案能否满足各种运行方式的要求，以便制定出既满足未来供电负荷增长的需求，又保

7、证平安稳定运行的网络规划方案。二、牛顿-拉夫逊法2.1牛顿-拉夫逊法根本原理设有单变量非线性方程 耳 （4-1）求解此方程时。先给出解的近似值它与真解的误差为回，那么 L=将满足方程，即(4-2)将（3-8 ）式左边的函数在附近展成泰勒级数，于是便得（4-3）式中，上1 ,分别为函数® 在叵处的一阶导数，.，n阶导数。如果差值叵1很小，（3-9）式右端因的二次及以上阶次的各项均可略去。于是，（3-9）便简化(4-4)这是对于变量的修正量的现行方程式，亦称修正方程式。解此方程可得修正量(4-5)用所求的去修正近似解，变得(4-6)由于(3-10)是略去高次项的简化式， 因此所解出的修正

8、量 固 也只是近似值。同真解仍然有误差。但是，这样的迭代计算可以反复进展下去，迭代计算的通式是迭代过程的收敛判据为LHJ式中，LI为预先给定的小正数。(4-7)(4-8)(4-9)或I K 这种解法的几何意义可以从图3- 1得到说明。函数y= f(x)为图中的曲线。f(x)= 0的解相当于曲线与x轴的交点。如果第 k次迭代中得到二1，那么过|点作一切线，此切线同x轴的交点便确定了下一个近似值一。由此可见，牛顿-拉夫逊法实质上就是切线法，是一种逐步 线性化的方法。应用牛顿法求解多变量非线性方程组(3-1)时，假定已给出各变量的初值因 ,上回，令严I , 戶可，叵分别为各变量的修正量，使其满足方程

9、(3-1)将上式中的n个多元函数在初始值附近分别展成泰勒级数，并略去含有叵二次及以上阶次的各项，便得三(4-11)方程式(3-17)也可以写成矩阵形式(4-12)方程式(3-18)是对于修正量丨，| ,，|的线性方程组，称为牛顿法的修正方程式利用高斯消去法或三角分解法可以解出修正量丨， I ,， 丨。然后对初始近似值进展修(i=1,2,.，n)(4-13)如此反复迭代，在进展k+1次迭代时，从求解修正方程式Hl(4-14)得到修正量叵I ,I ,I ,并对各变量进展修正(i=1,2,，n)(4-15)式(3-20)和(3-21)也可以缩写为(4-16) (4-17)式中的X和 I分别是由n个变

10、量和修正量组成的n维列向量；F(X)是由n个多元函数组成的 n维列项量；J是n阶方阵，称为雅可比矩阵，它的第是第n个函数对第j个变量到的偏导数；上角标(k)表示凶阵的每一个元素都在点_*处取值。迭代过程一直到满足收敛判据(4-18)(4-19)为止。N和冋为预先给定的小正数。2.2节点功率方程电力系统的负荷习惯用功率表示，对于有n个节点的电力系统，系统中各节点注入电流与注入功率以标幺值表示的关系为i=1, 2,n3-20式中 表示其共轭复数。将此关系式代入节点电压方程的通式，可得到以节点注入功率表示的节点电压方程：导纳表示为3-25上述的方程式，通常称为功率方程。根据方程中的节点电压向量表示的

11、不同，可以得到不同形式的功率方程。假设节点电压向量以直角坐标表示，即以复数平面上实轴与虚轴上的投影表示可写成3-22其共轭值为3-233-24把这两关系式代回式3-21的功率方程中，展开后再将功率方程的实部和虚局部别写成有功、无功功 率别离的节点方功率方程：式中：i=1, 2,n为各节点的编号。将其同导纳的复数表达式一起代入式假设节点电压以极坐标表示，那么或写成3-263-27式中： 卩亍 i与j节点电压的相角差。由式3-25和3-27给出的功率方程表示方法防止了复数运算，因此，在潮流计算中普遍采用。2.3修正方程采用牛顿法计算潮流时，需要对功率方程进展修改。下面将根据在不同坐标的修改良行讨论

12、：1在直角坐标系时，由PQ节点功率方程3-25可知：节点i的注入功率是各点电压的函数，设节点的电压，代入式3-25，可以求出节点i的有功及无功功率凹 ，它们与给定的PQ节点的注入功 率 丨的差值应满足以下方程10 / 203-283-29共23-30对于PV节点，节点的注入有功功率及节点电压大小，记作，其节点的有功功率应满方程:对于平衡节点，因为其电压给定，故不需要迭代求解。通过以上分析可见，式3-28丨和式3-29共2n-1个方程，待求量 |n-1丨个。将上述2n-1个方程按泰勒级数展开，并略去修正量的高次方项后得到修正方程如下:3-28丨和式3-29求偏导数获得。其中雅克比矩阵的各元素可以

13、对式 对于非对角元素有3-31对于对角元素有3-32由上述表达式可以看到，雅克比矩阵具有以下特点：1各元素是各节点电压的函数，迭代过程中每迭代一次各节点电压都要变化，因而各元素每次也变 化；2雅克比矩阵不具有对称性；3互导纳凹 ，与之对应的非对角元素亦为零，此外因非对角元素，故雅克比矩阵是稀疏矩。当在极坐标系时，由功率方程3-27可知节点i的注入功率是各节点电压幅值和相角的函数。代入式3-27可以求出节点i的有功功率和无功功率，它们与给定的PQ节点的注入功率凹 的差值满足下面方程:3-33式中： I x i与j节点电压的相角差。在有n个节点的系统中，假定第 丄号节点为PQ节点，第m+1n-1号

14、节点为PV节点，第n号节点 为平衡节点。 和 是给定的，PV节点的电压幅值也是给定的，因此，只剩下 n-1个节点的电压相角| 和m个节点的电压幅值| 是未知量。由了 n-1+m方程式，正好同未知量的数目相等，而直角坐标形式的方程少了n-1-m3-33可知一共包含 个。式中其中：H是I 二 1阶方阵，其元素为3；NEZJ；K是1 X 1阶矩阵，其元素为X |是I；L是亠fj(3-34)3-35阶矩阵，其元素为阶矩阵，其元素为对式3-33求偏导数，可得雅克比矩阵元素的表达式如下: 非对角元素 对角元素凹3-363-372.4牛顿法潮流计算主要流程1形成节点导纳矩阵；2给各节点电压设初值；3将节点电

15、压初值代入3-28 3-29，求出修正方程式的常数项向量;4将节点电压初值代入3-31， 3-32，求出雅可比矩阵元素;由方程3-33可以写出修正方程5求解修正方程式3-30，求出变量的修正向量 -;6求出节点电压的新值；7如有PV节点，那么检查该类节点的无功功率是否越限；8检查是否收敛，由式3-19可知，假设电压趋近于真解时，功率偏移量将趋于零。如不收敛, 那么以各节点电压的新值作为初值自第3步重新开场下一次迭代，否那么转入下一步。9计算支路功率分布，PV节点无功功率和平衡节点注入功率，最后输出结果，并完毕。牛顿-拉夫逊潮流计算程序框图如图3-2所示数据输入、收敛性分析小阻抗支路两端都是 P

16、Q节点时，其功率不平衡方程为:kx（4+丄- jf弓）M+j吕 M+G 肚肚I肚（4.9）.11（4+"勺一£乙细+（码一 * 勺）M勺 M+qfct（4 JO）kx * 7 kx氏也-j丘必伦（耳_ j讥电伽、+ j后匂A勺（41）（D -j丄童）勺十人爲XKX（42）+（d-£/）y+j£/;軌+巧t 1. I 4.1.1二j石e尼十j成几C ° j严勺T ;刀巧丰2 °小阻抗支路的电抗 x非常小，它的电纳1/X非常大。且1/x的数值远大于上述方程组中出现的代 数量，为了方便说明，不妨称这些代数量为小代数量。1第一次迭代（4 J

17、3）忽略式4.9中的小代数量。设置初始电压，可得：整理式4.13可得（444）这样可得第一次迭代后节点电压虚部的关系:式4.9乘以k后，加上式(4.10)，设置初始电压为，可得:« -g)w吐岭何一占牛)整理式4.16可得第一次迭代后节点电压实部的关系:(46)(4J7)式4.9乘以k后，加上式(4.10)，设置初始电压为，可得：网甌 + Afhj + 碣M +JtC. +q w kPiQ -+ PJQ(<18)式4.11丨乘以k后，加上式(4.12)，设置初始电压为 ，可得：炖比+少阿+览必+饮+巧二kQi3 4缶(4J 9)综合式4.15、 4.17可得，节点电压经过第一次

18、迭代后满足收敛电压关系3.14。且可得新的功率不平衡方程组4.14、4.17、4.18和4.19。这些方程中并不存在小阻抗问题，潮流计 算可正常收敛。2第二次迭代忽略式4.9中的小代数量，并将第一次迭代的结果式4.15、4.17代入，可得:(420)J石解)茲&(勺-色)；1 , . 1=_j歹詢 k xfcr将式4.15代入式4.20，可得(421)忽略式4.11中的小代数量，并将第一次迭代的结果式4.15、4.17代入，可得:(4-22)k xkx或者四脣 一硼”刑(骈)"琦(4-23)由式4.21、4.23，可得(4-24)四、算例分析采用3.4节的5节点系统算例来论证

19、以上结论，收敛精度为。3种情形下的迭代结果分别如各表所示，表格中表示各个节点初给定值与计算值之间的最大差值。表4.1情形1的迭代结果Tab 4the results of casE 1迭代次数纹(pu)内(pu)五(pu)/s(pu)A W (pu)01.00000L 000000.000006 OOQOO-475463.331L 013490. 96940-0( 14389-0. 13763T98078820. 984380.94156'0. 13607-Q. 13015T 05821430. 982080. 93936-0, 13606-0. 13014-0,000443'

20、40.982060- 93934-0. 1360S-0. 13014-0.000005表4.2情形2的迭代结果Tab 4.2 the Tesults of case 2迭代次数跄(pu)7z(pu)/j(pu)，W (pu)00, 991441. 000000. 000000. 00000.-564956,310. 991440. 94831-0.146260.13989-L 08496720. 980650. 93779-0. 14626-0. 139890. 5091823d 982090. 93937-0.13622-0. 939370. 00814740.982060. 939340”

21、 13606-0. 13014-0.000030表4+3情形3的迭代結果Tab 43 the results of case 3迭代次数色(pu)内(pu)h (pu)/5(pu)A 护(pu)0L00000L 000000.00000o. ooooo弋5625.5710.991440. 94831& oooooCL 00000-L 22621720. 991440. 948310. oooooo. ooooo-0+02180630.991440.948310 oooooa ooooo-0.000007计算结果说明：采用改良算法后，3种情形下，节点5和节点2的电压值在各次迭代中保持关系

22、:情形1对应的是小阻抗支路两端都为 PQ节点的情况，采用常规直角坐标牛顿法计算该情形的潮流 时，发散。采用改良方法，经过4次迭代后，收敛。情形2对应的是小阻抗支路处于 PQ节点和PV节点间的情况，常规算法和改良算法都可收敛，切 所需迭代次数一样。情形3对应的是小阻抗支路处于 PQ节点和平衡节点间的情况，常规算法和改良算法都可收敛，且 所需迭代次数一样。总结电力系统潮流计算分布计算，是指电力系统在某一稳定状态的正常运行方式下，电力网络各节点的电压和功率分布的计算。它的主要目的：(1) 根据功率分布，可以选折电力系统的电气设备和导线截面积，可以为电力系统继电保护整定计 算提供必要的数据等。(2) 检查电力系统各节点的电压是否满足电压质量的要求。(3) 根据对各种运行方式的潮流分布计算，可以帮助我们正确地选择系统的接线方式，合理调整负 荷，以保证电力系统平安、可靠地的运行，向用户供应高质量的电能。(4) 检查电力系统各元件是否过负荷。(5) 为电力系统的规划和扩建提供依据。