电力系统分析的计算机辅助算法和仿真

1、电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析电力系统分析本章提示本章提示l节点导纳矩阵的特点、形成原理；节点导纳矩阵的特点、形成原理；l节点阻抗矩阵的特点、形成原理。节点阻抗矩阵的特点、形成原理。电力系统分析电力系统分析电力网络可以用电力网络可以用节点方程式节点方程式或或回路方程式回路方程式表示出来。表示出来。电力系统的电力系统的基础网络方程式一般都用节点方程式表示。基础网络方程式一般都用节点方程式表示。 15.1 简化的有源电力网络接线图简化的有源电力网络接线图电力系统分析电力系统分析网络方程组可以表示为网络方程组可以表示为nnnknknnnnnkknnkkUYUYUYUYI

2、UYUYUYUYIUYUYUYUYI2211222221212112121111或者写成或者写成 YU 1 YZ其中其中 njjijiUYI1简单写成简单写成(i =1,2,n)上式可化为上式可化为 UZI 电力系统分析电力系统分析15.2.1 节点导纳矩阵节点导纳矩阵15.2.2 节点导纳矩阵的计算方法节点导纳矩阵的计算方法电力系统分析电力系统分析1.1.自导纳自导纳 定义：节点定义：节点i的自导纳的自导纳Yii 是当节点是当节点i以外的所有节点都接地，以外的所有节点都接地，而在节点而在节点i加上单位大小的电压加上单位大小的电压( =1单位电压单位电压)时，时， 由节点由节点i流向网络的电流

3、就等于流向网络的电流就等于i节点的自导纳节点的自导纳。iUYiiYii就等于与节点就等于与节点i i连接的所有支路导纳的和连接的所有支路导纳的和iiiiIYU0,jUji电力系统分析电力系统分析图图15.2 电力网络接线图电力网络接线图图图15.215.2中节点中节点2 2的自导纳的自导纳Y Y2222为为 = = + + =0.25-j0.25(s)22Y22UI61j31j41j电力系统分析电力系统分析2.2.互导纳互导纳 定义：节点定义：节点j j以外的节点全接地以外的节点全接地, ,而在节点而在节点j j加以单位电加以单位电压时，由节点压时，由节点i i流向流向j j的电流加上负号就是

4、互导纳的电流加上负号就是互导纳YijYij Y Yijij 是连接节点是连接节点j j和节点和节点i i支路的导纳再加上负号而得支路的导纳再加上负号而得ii jjIYU0,kUkj 电力系统分析电力系统分析图图15.3 电力网络接线图电力网络接线图在图在图15.215.2中节点中节点1,21,2间的互导纳间的互导纳Y Y1212为为 =- =j0.1677(s)12Y61j如图如图15.3 15.3 ，节点，节点i,ji,j间有阻抗分别间有阻抗分别为为 和和 的两条并联输电线时，的两条并联输电线时，互导纳为互导纳为 ZZ =- (1/ +1/ )jiYZZ 电力系统分析电力系统分析例例:15.

5、1 :15.1 求图求图15.415.4的系统的导纳矩阵的系统的导纳矩阵( (所给数字是标么阻抗所给数字是标么阻抗) )图图15.4导纳矩阵是对称矩阵；导纳矩阵是对称矩阵；导纳矩阵是稀疏矩阵；导纳矩阵是稀疏矩阵；导纳矩阵能从系统网络接线图直观地求出。导纳矩阵能从系统网络接线图直观地求出。导钠阵的特点导钠阵的特点电力系统分析电力系统分析解解: :节点节点i i的的自导纳为自导纳为 = + + =0.9346-j4.261611Y0 .301j40. 008. 01j50. 012. 01j互导纳为互导纳为Y =- =-0.4808+j2.40381240. 008. 01j对其它节点进行同样的计

6、算，则依次得到对其它节点进行同样的计算，则依次得到3333. 33333. 3003333. 35429. 70421. 13529. 288252. 08911. 14539. 003529. 25882. 07274. 40690. 14038. 24808. 008911. 14539. 040138. 240808. 02616. 49346. 0jjjjjjjjjjjjY电力系统分析电力系统分析非标准变比变压器是指变压器的线圈非标准变比变压器是指变压器的线圈匝数比不等于标准变比。匝数比不等于标准变比。122210UKIZUIKI 由上式解出21,II21221211UZUZKIUZK

7、UZKI 或者21222111)()() 1(UZKUUZKIUUZKUZKKI电力系统分析电力系统分析在图在图(c)(c)中，由节点中，由节点1 1，即，即变压器的变压器的接入端来看自导纳接入端来看自导纳Y11Y11为为YKYKKKYY211) 1(变压器接入端的对侧来看的自导纳变压器接入端的对侧来看的自导纳 为为22YYYKKYY)1 (22 节点节点1 1、2 2间的互导纳间的互导纳Y12Y12为为12 =-KYY电力系统分析电力系统分析先不考虑非标准变比先不考虑非标准变比( (认为认为K=1)K=1)求导纳矩阵；求导纳矩阵；再把接入非标准变比变压器的节点的自导纳加上再把接入非标准变比变

8、压器的节点的自导纳加上(K -(K -1)Y 1)Y ，其中，其中Y Y是从变压器相连结的另一端节点来看变是从变压器相连结的另一端节点来看变压器的漏抗与两节点输电线的阻抗之和的倒数；压器的漏抗与两节点输电线的阻抗之和的倒数；由接入非标准变比变压器的对端节点来看自导纳不变；由接入非标准变比变压器的对端节点来看自导纳不变；变压器两节点间的互导纳加上变压器两节点间的互导纳加上-(K-1)Y -(K-1)Y 。电力系统分析电力系统分析例例15.2 15.2 利用例利用例15.115.1的结果计算图的结果计算图15.6(a)15.6(a)的节点导纳矩阵。的节点导纳矩阵。图图15.6 例例15.2的图的图

9、电力系统分析电力系统分析解解:将将3、4节点间用节点间用 形等值电路表示，如图形等值电路表示，如图 15.6(b)，则导纳矩阵的变化项只是则导纳矩阵的变化项只是Y 、Y (= Y )，其修改量分别为其修改量分别为3333. 36666. 300666. 32429. 80421. 13529. 25882. 08911. 14539. 003529. 25882. 07274. 40690. 14038. 24808. 008911. 14539. 04038. 24808. 02616. 49346. 0jjjjjjjjjjjjY所以导纳矩阵为所以导纳矩阵为 333443 Y =(K -1)

10、Y=(1.1 -1) =-j0.7000332230. 01j Y =-(K-1)Y=-(1.1-1) =j0.33333430. 01j电力系统分析电力系统分析4.4.系统变更时的修正系统变更时的修正(1)(1)增加新的节点和新的支路增加新的节点和新的支路 如图如图(a)(a)所示，新节点编号为所示，新节点编号为j j，节点节点i i、j j间支路阻抗为间支路阻抗为z z。特点：特点：导纳矩阵导纳矩阵Y Y的阶次增加一阶，除节点的阶次增加一阶，除节点i i以外的原有节点和以外的原有节点和新增节点间互导纳为零，节点新增节点间互导纳为零，节点i i的自导纳由的自导纳由 变变成成 ，还要新增加互导

11、纳，还要新增加互导纳 、节点、节点j j的自导纳为的自导纳为Y Yjj jj 。 iiYzYii1zYij1电力系统分析电力系统分析（2 2）在原有节点）在原有节点i i和和j j 间增加间增加阻抗为阻抗为 z z的新支路的新支路特点特点：导纳矩阵：导纳矩阵Y Y阶次不变，节点的阶次不变，节点的自导纳自导纳YiiYii、YjjYjj和互导纳和互导纳YijYij分别分别变化为变化为（3 3）在上式中把前面的互）在上式中把前面的互导纳导纳Yij Yij 置零，就是附置零，就是附加的新支路加的新支路如图如图（c c）zYYzYYzYYijijjjjjiiii111 图图15.7 系统变更的几种情况系

12、统变更的几种情况电力系统分析电力系统分析既不接负荷也不接发电机的节点，这样的节点称为浮动节点既不接负荷也不接发电机的节点，这样的节点称为浮动节点（或称浮节点）。这样的节点既可以作为节点注入电流为零（或称浮节点）。这样的节点既可以作为节点注入电流为零节点来处理，也可以不作为节点来处理，而归并到图节点来处理，也可以不作为节点来处理，而归并到图15.1的的输电系统输电系统Net中。如果不作为节点来处理，则节点导纳矩阵中。如果不作为节点来处理，则节点导纳矩阵可降低阶次。可降低阶次。zKKYYYYzKKYYijijjjjjiiii1)(1)(22（4 4）变压器变比由）变压器变比由K K变成变成 KK时

13、时电力系统分析电力系统分析导纳矩阵的阶数等于电力系统网络的节点数；导纳矩阵的阶数等于电力系统网络的节点数；导纳矩阵各行非对角元素中非零元素的个数等导纳矩阵各行非对角元素中非零元素的个数等于对应节点所连的不接地支路数；于对应节点所连的不接地支路数；导纳矩阵的对角元素即，各节点的自导纳等于导纳矩阵的对角元素即，各节点的自导纳等于相应节点所连支路的导纳之和。相应节点所连支路的导纳之和。导纳矩阵非对角元素导纳矩阵非对角元素Y Yijij 等于节点等于节点i i与节点与节点j j之间之间的导纳的负数。的导纳的负数。电力系统分析电力系统分析 网络接线由节点及连结两个节点的支路确定，网络接线由节点及连结两个

14、节点的支路确定，只只要输入了各支路两端的节点号，就相当于输入了系要输入了各支路两端的节点号，就相当于输入了系统的接线图。统的接线图。一条一条支路一般需要输入六个数据支路一般需要输入六个数据, ,即即i,j,z,bc,t,iti,j,z,bc,t,it，在程序中在程序中用矩阵用矩阵B B来进行输入来进行输入( (其中其中矩阵的行数为支路数，列数为上述六个数据矩阵的行数为支路数，列数为上述六个数据) ) 。矩矩阵阵X X是由各节点的节点号与该节点的接地阻抗构成。是由各节点的节点号与该节点的接地阻抗构成。电力系统分析电力系统分析 形成节点导纳矩阵的程序框图形成节点导纳矩阵的程序框图电力系统分析电力系

15、统分析例例15.3 15.3 用节点导纳矩阵的程序求图用节点导纳矩阵的程序求图15.915.9所示网络的所示网络的节点导纳矩阵。节点导纳矩阵。 图图15.9电力系统分析电力系统分析解：解：输入数据：输入数据：请输入节点数请输入节点数:n=5请输入支路数请输入支路数:nl=5请输入由支路参数形成的矩阵请输入由支路参数形成的矩阵:B=1 2 0.03i 0 1.05 0; 2 3 0.08+0.3i 0.5i 1 0; 3 4 0.015i 0 1.05 1; 2 5 0.1+0.35i 0 1 0; 3 5 0.04+0.25i 0.5i 1 0请输入由节点号及其对地阻抗形成的矩阵请输入由节点号

16、及其对地阻抗形成的矩阵:X=1 0;2 0;3 0;4 0;5 0电力系统分析电力系统分析结果：结果：导纳矩阵导纳矩阵Y=0 -33.3333i 0 +31.7460i 0 0 0 0+31.7460i 1.5846 -35.7379i -0.8299 + 3.1120i 0 -0.7547 + 2.6415i0 -0.8299 + 3.1120i 1.4539 -66.9808i 0 +63.4921i -0.6240 + 3.9002i0 0 0 +63.4921i 0 -66.6667i 0 0 -0.7547 + 2.6415i -0.6240 + 3.9002i 0 1.3787 -

17、 6.2917i电力系统分析电力系统分析15.3.1 节点阻抗矩阵节点阻抗矩阵15.3.2 自阻抗和互阻抗自阻抗和互阻抗15.3.3 阻抗矩阵的计算方法阻抗矩阵的计算方法电力系统分析电力系统分析将式（将式（15.6）展开写成）展开写成nnnnnnnnnnUIZIZIZUIZIZIZUIZIZIZ22112222212111212111 或缩写为： = （i=1, 2, 3, n）iUjnjijIZ1 式中系数矩阵为节点阻抗矩阵式中系数矩阵为节点阻抗矩阵nnnnnnZZZZZZZZZZ212222111211 电力系统分析电力系统分析自阻抗和互相抗之间的自阻抗和互相抗之间的关系，可以形象地用图来

18、表示，把总阻抗看成是关系，可以形象地用图来表示，把总阻抗看成是Z Ziiii ，而互阻，而互阻抗抗Z Zijij则是其中抽出的一部分。则是其中抽出的一部分。图图15.10 自阻抗和互阻抗的关系自阻抗和互阻抗的关系ikIIUZikIIUZkijjikiiii, 0, 0在节点在节点i i上注入一单位电流，而其他各节点均开路上注入一单位电流，而其他各节点均开路( (即注入电流为零即注入电流为零) )时，节点时，节点i i上的电压即是上的电压即是，而节点，而节点j ( j=1,2,n ,ji)j ( j=1,2,n ,ji)上的电压即是节点上的电压即是节点j j和节点和节点i i之间的之间的。电力系

19、统分析电力系统分析阻抗矩阵是对称矩阵阻抗矩阵是对称矩阵；阻抗矩阵是满矩阵阻抗矩阵是满矩阵；迭代计算时收敛性能较好迭代计算时收敛性能较好；阻抗矩阵不能从系统网络接线图直观地求出，因阻抗矩阵不能从系统网络接线图直观地求出，因此必须寻找其他求阻抗矩阵的方法。此必须寻找其他求阻抗矩阵的方法。电力系统分析电力系统分析：一种是用导纳矩阵求逆，间接求出阻抗矩阵；另一种是用导纳矩阵求逆，间接求出阻抗矩阵；另一种是用支路追加法，直接形成节点阻抗矩阵。一种是用支路追加法，直接形成节点阻抗矩阵。 支路追加法支路追加法 ：矩阵形成的规律性很强，矩阵形成的规律性很强， 易于理解和记忆，且编程方便。易于理解和记忆，且编程

20、方便。 ：追加接地树支，追追加接地树支，追 加树支，追加接地连支，追加连支。加树支，追加接地连支，追加连支。 如图，节点的电压、电流关系为：如图，节点的电压、电流关系为： 321333231232221131211321IIIZZZZZZZZZUUU 原始网络原始网络电力系统分析电力系统分析（1 1）追加接地树支）追加接地树支(0,4)(0,4)4321UUUUzZZZZZZZZZ0000003332312322211312114321IIII=结论：原有矩阵的各元素均不变，新增的行、列元素均为零，结论：原有矩阵的各元素均不变，新增的行、列元素均为零，只有新增的对角元素为只有新增的对角元素为z

21、。：原网络矩阵增加一阶，原网络矩阵增加一阶，新增了一个方程新增了一个方程 ，其中其中z是新增支路的阻抗。是新增支路的阻抗。44I zU电力系统分析电力系统分析追加树支追加树支 ：矩阵增加一阶，节点矩阵增加一阶，节点2 2的注入电流变为的注入电流变为 ，且新，且新增了一个方程：增了一个方程： 42II424IzUU111 1122413 311 112 213 312 4()UZ IZIIZ IZ IZ IZ IZ I221 1222423 321 122 223 322 4()UZ IZIIZ IZ IZ IZ IZ I331 1322433 331 132 233 332 4()UZ IZI

22、IZ IZ IZ IZ IZ I42421 122 223 3224()UUzIZ IZ IZ IZz I电力系统分析电力系统分析写成矩阵形式为写成矩阵形式为4321UUUUzZZZZZZZZZZ223332312322211312110000004321IIII=结论：结论：原有矩阵的各元素均不变，新增的行、列元素分别等于树支所接原有矩阵的各元素均不变，新增的行、列元素分别等于树支所接的原网络节点的原网络节点2所对应的行、列元素，新对角元素等于树支所结所对应的行、列元素，新对角元素等于树支所结的节点的节点2的对角元素加上新增支路的阻抗值。的对角元素加上新增支路的阻抗值。电力系统分析电力系统分

23、析 追加接地连支追加接地连支：矩阵的阶次不变。对原网络来说，矩阵的阶次不变。对原网络来说， 节点节点2的注入电流变为的注入电流变为 其它节点注入电流不变。其它节点注入电流不变。III22则各节点电压方程变为：则各节点电压方程变为：3132121111)(IZIIZIZUIZIZIZIZ123132121113232221212)(IZIIZIZUIZIZIZIZ223232221213332321313)(IZIIZIZUIZIZIZIZ32333232131I zU20IzZIZIZIZ)(22323222121电力系统分析电力系统分析写成矩阵形式为写成矩阵形式为 0321UUUzZZZZZ

24、ZZZZZZZZZZZ22232221323332312223222112131211IIII321= 结论：矩阵可暂时增加一阶，原矩阵元素不变，暂时增加的行、结论：矩阵可暂时增加一阶，原矩阵元素不变，暂时增加的行、列元素分别等于该追加连支的非零节点所对应的行、列元素的负列元素分别等于该追加连支的非零节点所对应的行、列元素的负值；新对角元素等于该点的自阻抗加上连支阻抗值；新对角元素等于该点的自阻抗加上连支阻抗z。形成了暂时增加一阶的节点阻抗矩阵以后，用高斯消去法消形成了暂时增加一阶的节点阻抗矩阵以后，用高斯消去法消去矩阵的暂增行与列，原矩阵的元素去矩阵的暂增行与列，原矩阵的元素 为：为：ijZ

25、4422ZZZZZjiijij(i,j=1,2,3) 电力系统分析电力系统分析追加连支追加连支：矩阵阶次不变，设连支电流由节点矩阵阶次不变，设连支电流由节点3流向流向 节点节点2 ，节点，节点2的注入电流变为的注入电流变为 ( )，节点，节点3的注入电流变为的注入电流变为 ( )。则节点电压方程的矩阵形式为：则节点电压方程的矩阵形式为：II2II3 0321UUU)()( )( )(32233322332332223121333233323123222322211312131211zZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZIIII321=电力系统分析电力系统分析 矩阵可暂时增加一阶，

26、原矩阵的元素不变，暂矩阵可暂时增加一阶，原矩阵的元素不变，暂时增加的行、列元素分别等于该追加连支的两个时增加的行、列元素分别等于该追加连支的两个节点所对应的行元素之差和列元素之差；新增对节点所对应的行元素之差和列元素之差；新增对角元为这两个节点的自阻抗之和减去相互间的互角元为这两个节点的自阻抗之和减去相互间的互阻抗之和再加上该连支阻抗。阻抗之和再加上该连支阻抗。 形成了暂时增加一阶的节点阻抗矩阵之后，形成了暂时增加一阶的节点阻抗矩阵之后，用高斯消去法消去暂增行、列，即得追加连支的用高斯消去法消去暂增行、列，即得追加连支的节点阻抗矩阵。节点阻抗矩阵。电力系统分析电力系统分析对于变压器支路，若变压

27、器变比等于对于变压器支路，若变压器变比等于1，则与一般支路的处理，则与一般支路的处理方法相同；若变压器变比不等于方法相同；若变压器变比不等于1时，如果采用变压器的时，如果采用变压器的形等形等值电路当成三条支路进行追加，显然是增加了运算量。下面讨论值电路当成三条支路进行追加，显然是增加了运算量。下面讨论一种不用变压器一种不用变压器型等值电路，直接追加变压器支路的方法。型等值电路，直接追加变压器支路的方法。：追加变压器树支，追加变压器连支。追加变压器树支，追加变压器连支。（1）追加变压器树支）追加变压器树支追加变压器树支追加变压器树支节点节点2的注入电流为的注入电流为( +k )2I4I11111

28、 1122413 3()UZ IZIKIZ I221 1222423 3()UZ IZIKIZ I331 1322433 3()UZ IZIKIZ I电力系统分析电力系统分析整理后有整理后有:4321UUUU )(222232221323332312223222112131211zZKKZKZKZKZZZZKZZZZKZZZZ4321IIII=另外还有另外还有 =K( +Kz )4U2U4I =K(Z + Z ( +K ) + Z )+Kz 4U211I222I4I233I4I结论：追加变压器树支和追加普通树支支路相似，只是结论：追加变压器树支和追加普通树支支路相似，只是在新增行、列的元素，分

29、别乘以变比在新增行、列的元素，分别乘以变比K K，新对角元乘，新对角元乘以变比以变比K K 2电力系统分析电力系统分析 追加变压器连支追加变压器连支 （2）追加变压器连支）追加变压器连支 节点节点2的注入电流变为的注入电流变为( )，节点，节点3的注入的注入电流变为电流变为( )，则，则:IKI2II3另有: 即:32()Uk UzKI2230KUUzK I111 1122133()()UZ IZIKIZII221 1222233()()UZ IZIKIZII331 1322333()()UZ IZIKIZII电力系统分析电力系统分析把把 、 代入整理后得代入整理后得2U3U2221311223222333322332332()()()()0KZZIKZZ