【基于powerworld软件的电力系统潮流计算分析8000字（论文）】

VII基于powerworld软件的电力系统潮流计算分析目录TOC\o"1-3"\h\u179321绪论 2115901.1题目来源和背景 2145341.2研究目的 2321731.3国内外研究现状 2143261.3.1国内研究现状 2288181.3.2国外研究现状 3186981.4设计依据 4201402电力网络潮流计算 437992.1电力网络各元件的数学模型 483342.2.1节点的分类 578452.2.2潮流计算的基本方程 510783第3章潮流计算模块开发 10135373.1模块设计 1024112图3-2软件数据的输入 12摘要在电力系统中，潮流计算是最基本的操作，与电力系统的稳态操作直接相关。潮流计算是基于系统的网络参数和运行状况，进一步确定电力系统的运行状态，包括节点电压，网络中的配电，网络损耗等。电力系统是否可以正常运行，是否可以正常运行。规划是否合理，能否保证系统的安全性和可靠性取决于潮流计算。同时，它也成为电力系统暂态分析的基础和出发点。介绍了潮流计算算法的发展过程，分析了电网部件的数学模型，几种典型的潮流计算算法原理，研究了导纳矩阵的计算过程和计算步骤，编制了潮流计算程序。利用MATLAB软件，分析了其计算方法。在实际电网上进行潮流计算，并通过与powerworld软件进行比较，验证了算法和程序的可靠性，并给出了几种算法的优缺点和适用条件。关键词：潮流计算；网络参数；电力系统；PowerWorld1绪论1.1题目来源和背景我毕业项目的主题基于powerworld的电力系统网络趋势。在整个毕业设计过程中，我将严格按照设计规范和设计任务，认真，独立地完成设计，并合理地运用专业。了解并解决与之相关的问题。1.2研究目的Powerworld的电力系统网络潮流计算是电力系统分析中最基本的计算之一，是能源系统分析的基本计算，其目的是确定功率分布，并且所有网络总线的功率和电压损耗均符合指定的操作条件。计算电流的主要目的是：1）规划电源系统，以选择连接方法并选择电气设备的电线部分；（2）用于确定电源系统在使用中的工作状态；（3）为继电保护，设计和调整自动装置提供数据。1.3国内外研究现状1.3.1国内研究现状我国的电网调度自动化起步较早，一般已经经历了远动，数字化和自动化三个阶段。早在1950年代中期，在计算机技术的影响下，国内外交，直流混合动力技术的兴起，接触式远程信号，频率遥测和遥控设备的开发就开始在东北，北京等地区的无人值守变电站进行试点。系统已经过测试。研究[1]。追溯到1950年代，世界上第一条直流输电线路建于1954年，用以连接瑞典的哥特兰岛和瑞典大陆。在随后的几十年中，国内外研究人员从未停止过研究AC-DC混合传输系统[2]。随着电力电子技术的飞速发展，换流器设备已从传统的汞弧阀转换为性能更高的晶闸管，进一步降低了交流和直流之间的换流站的建设成本。然后，随着进一步的深入研究，电压源转换器（VSC）的出现导致了HVDC（电压直流输电）技术的飞速发展，增强了与交流电网的耦合，并改善了AC/DC电源流。计算和潮流优化提出了更高的要求[3]。交流和直流潮流计算是后续潮流优化的必要准备。当前的交流和直流潮流计算可分为两类：统一解法将交流系统方程与直流系统方程相结合，然后执行迭代方法来解决该问题。整个AC-DC混合系统被视为用于潮流计算的统一整体。可以充分考虑交流系统和直流系统之间的变量耦合，因此可以保证算法的收敛性，并可以达到令人满意的精度，但是原因是计算量大。该缺陷并不掩盖Yu的缺点[4]。交替求解法将直流系统方程和交流系统方程分开并进行迭代，并且相互的计算结果通过接口变量进行传输。因为这种方法将交流和直流计算分开，所以可以在交流潮流计算程序上修改该计算程序，并可以将其移植为Highsex[5]。但是，AC和DC变量分别迭代的缺点是该算法收敛性差，并且在具有大量转换器的情况下会恶化[6]。以上两种潮流计算方法广泛应用于各种交直流混合系统中，提出了VSC-HVDC系统潮流计算算法，但适用场合仅限于双端VSC-HVDC系统。因此，AC/DC混合电源优化的潮流将减少整个AC-DC混合电源网络的总功率损耗和发电成本。优化是为了改善已获得的功率流。因此，目前国内外的研究主要集中在直流系统模型，交流和直流潮流计算以及交流和直流潮流优化[7]。省略了逆变器的各种控制方法。针对逆变器控制模式的模型等效性，提出了一种替代迭代算法，但没有考虑逆变器的损耗特性。研究了转换器的损耗特性，并建立了一种新的交替迭代算法，该算法可以应用于不同的电压控制方法，但结果表明计算精度不是很理想[8]。1.3.2国外研究现状早期潮流计算主要是通过手动计算或在通信平台上进行仿真来完成的。由于系统规模的限制，不可能解决大型电网的潮流问题。随着电力系统的不断发展和电网规模的不断扩大，这种潮流算法无法快速，可靠地获得潮流结果[9]。在1950年代，数字计算机开始用于电力系统计算中，并且可以由计算机来完成潮流计算。大量的潮流算法相继出现，例如高斯方法，牛顿方法，快速解耦方法，保留非线性方法，正向和反向方法等。在1960年代初期，数字计算机发展到第二代，计算机的内存和速度得到了改善和提高，这为基于节点阻抗矩阵的高斯迭代法的应用创造了条件[10]。阻抗矩阵迭代法具有良好的收敛性。各种加速方法（例如加速因子，节点优化数等）的应用可以更好地提高潮流计算的收敛性能，提高计算速度，并完成导纳矩阵迭代方法。系统潮流计算。但是由于占用大量内存，解决问题的规模有限。随着系统规模的扩大，这些缺点变得更加突出。牛顿-拉夫森法（牛顿-拉夫森法，简称牛顿法）适用于电力系统潮流。经过多年的研究，牛顿法已被广泛应用于电源系统[11]。为了形成和求解校正方程。它的主要优点是收敛速度。但是，如果您选择一个更好的初始值，则由于牛顿方法的每次迭代都必须重新构造雅可比矩阵，并使它与乘数保持一致，并且计算效率低下，因此这是不正确的。随机选择起始值可能会导致牛顿计算不累加[12]。目前，在牛顿定律的实际应用中，受初始值影响较大的系统可以会合，并且可以首先应用受初始值影响较小的收敛算法。例如，Gauss-Dela方法计算初始值。根据研究结果，在上一次1970年代后期在牛顿举行的第三次外层空间会议上，岩石厚度是非线性流动的守恒算法。牛顿法在校正方程式时会添加二阶元素。（a）泰勒使用雅可比常数矩阵代替传统的牛顿法，这将大大节省时间；计算需要每次迭代，尽管收敛需要更多迭代，但是总的计算速度要高得多[13]，使用固定的雅可比矩阵的原始计算值，并且保留了非线性流的迭代算法;选择初始值是维持收敛算法非线性快速流动的关键[14]。目前，在能量系统的计算中使用以下方法：当前的计算方法：高斯-塞德尔方法，牛顿-拉夫森方法和快速分解方法。每种方法都有其优点和缺点。因此，研究了这些方法的计算速度。而收敛的效果具有现实意义。1.4设计依据本文主要针对交流网络进行潮流算法程序编写，主要工作如下：1.究潮流计算的算法原理、计算流程和导纳矩阵的形成与存储技术。2.构造区域网络模型，计算节点导纳矩阵，利用MATLAB编写高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法、快速分解法的程序计算模块。3.利用算例和实际电网进行潮流计算，将计算结果与专业潮流计算软件PowerWorld对比，验证程序计算模块的可信性。4.通过对电力网络的潮流计算，分析程序模块中的三种算法的优缺点，给出各算法的适用条件。2电力网络潮流计算2.1电力网络各元件的数学模型在电力网络潮流计算中，可以由以下元件等效而成：(1)交流输电线支路（在本文中不考虑直流输电线路）；(2)变压器支路；(3)发电机、负荷（吸收电流或功率）；(4)补偿设备；(5)对地支路交流输电线的模型如图2-1所示：图2-1交流输电线路2.2潮流计算数学模型的建立2.2.1节点的分类在电力系统中，根据节点的实际运行状况，将节点分为三种类型：（1）FP节点：已知该节点类型的功率（P，q），并且要求解的数量节点电压矢量。KP节点是变电站总线和具有固定输出的发电机。大多数系统节点都属于PQ节点，包括状态相同的节点。2）光伏节点：该节点的已知参数是有功功率和电压模块。要解决的数量通常是该节点的无功功率Q和张量矢量的相角。3）平衡节点：节点由于需要求解的量是peq，所以整个系统的功率平衡都是由这个节点来完成的，一般来说，一个系统中只定义一个平衡节点。在系统中用作频率和电压设置的发电厂母线通常被选为平衡node。也可选择出线较多或靠近电网中心的电厂母线作为平衡节点。2.2.2潮流计算的基本方程在计算电磁稳态潮流时，电力系统的组成部分（参数）可以等效于有源网络，发电机和负载通过无阻抗线路从网络中提取，其余部分则由接地和接地组成。非圆形电磁线圈无源线性网络。入口矩阵（y）或阻抗矩阵（z）可用于描述网络。使用入口矩阵时，节点电流和节点张力形成以下方程式：I=YU2.3潮流计算的基本算法（1）自导纳节点i在接受iiY方面处于主导地位。当除节点i外的所有节点都接地时，节点i查看整个网络以获得导纳。更具体地说，iiiY等于连接到节点i的所有分支的总和。互导纳J表示除节点J外的所有节点都接地。当电源电压施加到节点j时，从节点i到j的电流会加上一个负号。更具体地说，它是通过添加负号以包含节点j和节点i来获得的。（3）导纳矩阵计算的程序设计1）计算流程导纳矩阵的阶数等于电力系统网络中的节点数，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，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，导纳矩阵非对角元素ijY等于节点i与节点j之间的导纳的负数。2）形成节点导纳矩阵的原始数据要形成节点入口矩阵，需要知道能源系统的接线图。网络连接由连接两个节点的节点和分支决定。实际上，由于您在cadA分支的两端输入节点编号，相当于插入系统接线图，除了系统旋转图外，还需要知道系统的cada支路阻抗值。图2-2计算线路潮流的线路模型线路连接节点i和节点j，在节点i测量支路电流ijI，规定由节点i流向节点j时为正。2.4高斯-赛德尔法的程序流程图及计算步骤计算高斯绳法的步骤（1）设置每个节点的初始电压值：已经在系统中确定了平衡节点和光伏节点的电压值，应用程序的初始值为PQ节点，通常设置为至幅度1，相位角065288;2）替换方程式中每个节点的初始值以替换（r1）V+，（3）新值（r1）V+。如果不满足该公式，请跳回到步骤（2）以进行下一次迭代。光伏节点的电压VI是恒定的，因此在每次迭代后，新的相位角1I达到dD+-V（I+1）被VI替换，然后进行下一次迭代。如果方程满足，然后进行步骤（4）并替换方程中计算出的VI，得到平衡节点的PI、Qi和非652881光伏节点的Qi；5）计算线路性能和线路损耗性能。高斯－赛德尔法潮流计算的程序流程如图2-3所示：图2-3高斯-赛德尔法流程2.5牛顿－拉夫逊法）Newton-Raphson法潮流计算程序流程图（以直角坐标系为例，极坐标系相似），如图2-4所示。2）牛顿-拉夫森法潮流计算步骤（1）给定每个节点电压的初始值（2）将上述电压的初始值代入方程式，即可在校正方程式（3）中获得误差函数值将电压的初始值代入等式，得到雅可比矩阵中的每个元素（4）求解校正方程，得到节点电压校正（5）校正每个节点的电压图2-4牛顿－拉夫逊法程序流程图2.6计算流程图及分析快速分解法潮流计算流程如图2-4所示。2)快速分解法分析（计算流程基本同上述两种方法）（1）在快速分解方法中，使用两个半阶方程代替方程，这大大减少了计算和存储量。矩阵的元素来自系统导纳矩阵的虚部。它们都是对称的稀疏常数矩阵，因此因子表只能在迭代之前通过一次三角分解来形成，并且只存储上三角部分，可以在迭代过程中重复使用。这不仅减少了计算量，而且节省了内存和计算时间。据统计，快速分解方法大约需要牛顿方法的60％的内存，每次迭代所需的时间仅为牛顿方法的1/5（3）快速分解方法具有线性收敛性，这需要更多迭代以实现收敛。但是，由于每次迭代都需要较少的时间，因此快速分解方法的总计算速度仍比牛顿方法的总计算速度还要快。因此，该算法不仅可以用于电力系统的离线计算，还可以用于电力系统的在线安全分析。（4）快速分解法的应用有一定的局限性。从牛顿法到快速分解法的演变是基于简化的假设，即传输线两端的分量R<x和相角差很小。在实际计算中，R>>x的情况不会收敛。因此，当系统中存在不满足这些假设的因素时，迭代次数将大大增加甚至收敛。实际上，R/X比率大的病态问题已成为应用快速分解方法的最大障碍之一。图2-4快速分解法程序框图2.7本章小结分析了电力网络中各元件的数学模型、导纳矩阵与潮流计算方程的形成，研究了三种典型的电力潮流计算的方法——高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法、快速分解法的算法原理及程序设计流程，为潮流计算模块的开发奠定了基础。潮流计算模块开发PowerWorld程序是大型电力系统的可视化操作的规划，分析和运行控制计划。它的工程界面，交互性很强。它可以用于专业的大规模工程分析。它具有良好的互动性和欣赏力。它也可以向非专业人士解释能源系统的基本原理和运行过程，并可以有效地计算出一个独立的能源流借用包，可以产生多达100,000次的能源系统是非常实用的。使用powerworld作为比较软件，对自行开发的能量流软件进行了性能分析。3.1模块设计实际电力系统中，由于元件种类繁多和数量大，使得系统异常庞大，数千个节点的系统是很常见的，因此对正常条件下的电力系统进行潮流分析本身相当复杂。这样的大系统还经常受到各种外界干扰，各种故障、随机因素都影响系统的正常运行，从而产生各种特殊的运行问题，更增加了分析计算的复杂性。这些特殊的问题包括：负荷的电压静态特性问题、节点类型的相互转化和多平衡节点的问题、中枢点电压及联络线功率的控制等问题。在本课题中将忽略实际潮流分析中遇到的特殊问题。基于以上原因本课题中设计的软件还不能对实际电力系统进行潮流计算，如果要计算实际电网，需要对实际电网进行一些近似处理。基于以上原因，本文设计的软件只可以完成中小规模简单电网的潮流计算。图3-1软件导入界面1.数据导入模块将在Excel电子表格中整理好的系统数据导入到软件中，它们包括：节点数n，支路数nl，平衡节点isb，要求精度pr；2.初始数据导入界面（如图3-1所示）1）坐标轴：更直观的显示各节点实际的潮流标幺值。2）界面右上部分：牛顿-拉夫逊法、PQ分解法、高斯-塞德尔法、前推回代法选择。运行：运行你所选择的算法3）清除坐标轴：清除坐标轴上次计算的内容4）退出：退出该程序3.2潮流计算模块1.软件操作流程点击右下的“运行”按钮，界面会弹出SelectFiletoOpen对话框，要求用户输入电力网络信息B1、B2，如图3-2所示。图3-2软件数据的输入3.3数据输出模块输入完成后软件开始运行，在坐标轴上会显示各节点的标幺值和相角得变化趋势，如图3-3所示。图3-3节点电压计算结果显示在软件界面形成节点图的同时，在相应文件夹中会形成Excel格式的计算结果。下边介绍一下该功能的相应程序。3.4程序设计流程等方式对应用程序进行初始化，然后根据用户的特定指令进行初始化。该软件的一般过程如图3-4所示。Matlab占用很大空间，安装非常烦人。本文使用Matlab编译器在C++程序中编写Matlab程序。用Matlab编写的程序使用C++中的mcc-mChaoliu汇编进行编译。程序可以使用200m软件mcrinstaller进行编译，因此不需要编写Matlab程序即可完成功率计算软件的打包。图3-4软件总流程图3.5本章小结研究了利用MATLAB设计潮流计算模块的详细过程。在数据导入方面，将系统数据整理为支路信息（支路参数R、X、B和变压器标幺变比）和节点信息（包括发电机有功和无功、负荷有功和无功、节点电压初始值、基准电压、PV节点电压给定值、节点所接的无功补偿。4潮流计算模块应用本章通过潮流计算模块中的三种算法对4个算例和两个实际系统进行潮流计算，验证各种算法的优缺点，方便在实际计算时做出选择。4.1潮流计算模块测试表4-1系统信息电压计算的比较如图4.1-4.4.1所示。IEEE14结系统软件计算：高斯绳法迭代次数46次，时间0.171874s，牛顿-拉夫逊法迭代次数2次，时间0.025632s，快速分解法迭代次数15次，时间0.15521s。图4-1IEEE14电压幅值结果对比由于该网络的R/X值非常大，因此高速分解方法的计算会产生较大的误差。牛顿法和高斯法的结果基本相同且有效。牛顿法在相同的工作条件下重复次数更少，计算速度更快。发电机的输入为821.07MW，输入为283.58Mvar。负载消耗的功劳为808.75MW，无功功率259.01Mvar，系统损耗有功功率12.32MW，无功功率24.57Mvar和系统效率98.5％。IEEE30节点系统经过软件计算：Gauss-Seidel方法的迭代次数为5，耗时0.10874秒Newton-Raphson方法的迭代次数为3，耗时0.046865秒快速分解方法的迭代次数为7，耗时0.15521秒图4-2IEEE30电压幅值结果对比通过计算，该系统节点电压偏低，计算结果稍有偏差，建议在系统中增加相应的补偿设备。发电机输入有功率为1021.07MW,输入无功为375.58Mvar，负载消耗有功为998.75MW，无功为359.01Mvar，系统损耗有功为22.32MW，无功为16.57Mvar，系统效率为97.8%。3.IEEE57节点系统经过软件计算：高斯-赛德尔法迭代次数16，用时2.03105秒牛顿-拉夫逊法迭代次数3，用时0.265625快速分解法迭代次数6，用时0.03125秒。图4-3IEEE57电压幅值结果对比该图表明这三种算法在计算57节点网络时结果基本一致，但31~33节点电压偏低，46和51节点电压偏高，建议适当增减补偿设备，。发电机输入有功率为1531.02MW，输入无功为385.58Mvar，负载消耗有功为1498.75MW，无功为369.02Mvar，系统损耗有功为32.32MW，无功为18.56Mvar，系统效率为97.5%。4.IEEE118节点系统经过软件计算：高斯-赛德尔法不收敛，牛顿-拉夫逊法迭代次数3，用时2.109373秒快速分解法迭代次数7，用时0.20325秒。图4-4IEEE118电压幅值对比结果在网络较大时，高斯-赛德尔法会出现不收敛的情况，而其他两种方法都能计算潮流。发电机输入有功率为1731.05MW，输入无功为512.58Mvar，负载消耗有功为1676.75MW，无功为479.02Mvar，系统损耗有功为54.32MW，无功为33.56Mvar，系统效率为96.9%。4.2实际系统潮流计算本节开发的功率计算模块与powerWorld软件计算相同的两个电网，当模块计算电流时，将所有PQ节点的电压设置为1.0+j0.0，所有光伏节点和平衡节点的初始电压值均为0.0spv+J（VSP为电压整定值，收敛容限为0.00001），对河南省37节点电网和70节点电网进行了比较。表4-2电力网络信息1.利用软件中的三种算法计算37节点实例，与PowerWorld中牛顿-拉夫逊法的计算结果对比，结果如图4-5所示:图4-5系统节点电压对比结果（37节点）利用软件中的所有算法和PowerWorld计算70节点的实例，与powerworld中牛顿-拉夫逊法的计算结果对比，结果如图4-6所示：图4-6系统节点电压对比结果（70节点）3.结果分析(1)通过运用三种方法对以上两个实例进行潮流计算的计算结果可以看出，对于能够正常收敛的系统，使用本软件的任何方法，计算结果与PowerWorld基本一致。(2)几种算法中，快速分解法收敛性最好，对支路电阻R小于支路X