电力系统课程设计34

1、信息工程系电力系统分析课程设计报告书题目: 电力系统潮流计算 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 钟建伟 2012年3月15日 信息工程学院课程设计任务书学 号 学生姓名 专业（班级）电气工程及其自动化设计题目 电力系统潮流计算设计技术参数1. 变压器的阻抗、，励磁损耗。2. 线路的阻抗、，无功损耗。3. 变压器及线路的功率损耗、4. 变压器及线路的电压降落、5. 各节点的功率和电压设计要求1.作给出电路的潮流计算，即算出各节点的电压和功率。2.在读懂程序的基础上画出潮流计算基本流程图3.通过输入数据，进行潮流计算输出结果4.两人合作。工作量1. 需求分析（2页）2. 总体设计（1页）

2、3. 详细设计（14页）4. 总结（1页）时间安排2.20号:整体分析电路，向老师和同学请教，对电路图有宏观把握，并且有初步的设计思路和方法。2.25号:作出等值电路，计算出各参数，并且有清晰的思路和准确的方法。3.01号:进行潮流计算。3.05号:与MATLAB仿真比较，找出问题所在并分析。3.15号:总结与反思3.18号:编辑文本,打印初稿参考资料1何仰赞 温增银.电力系统分析M. 华中科技大学出版社2010.32 西安交通大学等.电力系统计算M.北京：水利电力出版社，1993.12 3 陈 衍.电力系统稳态分析M.北京：水利电力出版社，2004.1 4 李光琦.电力系统暂态分析M.北京：

3、 水利电力出版社，2002.5 5 于永源，杨绮雯. 电力系统分析（第二版）M. 北京：中国电力出版社，2004.36电力研学PSCAD论坛DBOL /html/87/t-63187.html，2011,3,12 摘要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

4、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。 潮流计算是电力系统分析最基本的计算。除它自身的重要作用之外，在电力系统分析综合程序(PSASP)中，潮流计算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算的基础。利用电子数字计算机进行潮流计算从50年代中期就已经开始了。在这20年内，潮流计算曾采用了各种不同的方法，这些方法的发展主要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以下几点：（1） 计算方法的可靠性或收敛性；（2） 对计算机内存量的要求；（3） 计算速度；（4） 计算的方便性和灵活性。（5） 关键词：电力系统潮流计

5、算；牛顿拉夫逊法潮流计算；pscad目录第一章: 绪论51.1 课题及相关技术参数51.2电力系统稳态计算的理论81.3 PSCAD的结构和特色：9第二章:电力系统潮流计算的基本原理102.1电力网络的基本方程式102.2 自导纳和互导纳的确定方法112.3 节点导纳矩阵的性质及意义122.4 非标准变比变压器等值电路142.5 Matlab简介162.5.1 Matlab概述162.5.2 matlab GUI 简介16第三章:方案分析与比较173.1方案举例173.2 分析与解题思路173.3 极坐标形式的牛顿-拉夫逊法18第四章:PSCAD详细仿真过程204.1电机建模204.2输电线路

6、建模214.3测量元件的设置214.4道的设置22第五章:体设计方案图23总结24参考文献：25第一章: 绪论1.1 课题及相关技术参数下图1-1是IEEE14节点系统的数据：图1-1 IEEE14节点系统接线图计算各个母线上的潮流分布。原始数据：所有数据均为标么值，系统基准值SYSBASE: 100MVA（1）发电机数据表1-1 发电机数据（p.u.）发电机编号1232.4-16.910.00.01.06332.40.0240 42.450 -401.045140.00.030 .023.4400.01.01100.00.060.012.224-61.07100.00.080 .017.42

7、4-61.09100.00.0 （2）母线数据解释说明：1表示节点；2表示节点；3表示平衡节点；为并联电纳（时，注入方式）；为区域序号；为电压幅值；为电压相角。充电电容电纳，计算仿真用的参数。表1-2 母线数据（p.u.）母线编号节点类型130 0011.06 01.06 0.942221.712.7011.045-4.981.06 0.9432 94.219011.01 -12.721.06 0.9441 47.8-3.9011.019-10.331.06 0.94517.61.6 011.02-8.781.06 0.9462 11.27.5011.07 -14.221.06 0.9471

8、00011.062-13.371.060.9482 00011.09 -13.361.060.9491 29.516.61911.056-14.941.060.94101 95.8011.051 -15.11.06 0.94111 3.51.8011.057 -14.791.06 0.941216.11.6011.055 -15.071.06 0.9413113.55.8011.05 -15.161.060.94141 14.95011.036 -16.041.06 0.94（3）线路参数表1-3 线路参数（p.u.）首端节点编号首端节点编号电阻电抗充电电容电纳120.019380.05917

9、0.0528230.046990.19797 0.0438240.05811 0.176320.0374150.05403 0.223040.0492250.05695 0.173880.034340.06701 0.171030.0346450.01335 0.042110.0128780.0000 0.176150.0000790.0000-5.263160.00009100.03181 0.08450.00006110.09498 0.19890.00006120.12291 0.255810.00006130.06615 0.130270.00009140.12711 0.270380

10、.000010110.08205 0.192070.000012130.22092 0.199880.000013140.17093 0.348020.0000（4）变压器参数表1-4 变压器参数（p.u.）首端节点编号首端节点编号电阻电抗变比（初始值）变比所在侧上限下限分级调节步长560.00000.252020.93125470.00000.209120.978125490.00000.556180.9691251.2电力系统稳态计算的理论现在计算机已经越来越多的应用到了电力系统分析研究当中，要用计算机进行计算，需要建立数学模型

11、、确定解算算法、制定计算流程和编制计算程序。建立电力网络方程是求解潮流的必要步骤，根据网络的有关参数和变量及其相关关系归纳起来组成可描述网络性能的数学方程组，通常有节点电压方程和回路电流方程。节点电压方程和回路电流方程都曾用于电力系统计算中，但实践证明采用节点电压方程有明显的优点，具体如下：电力系统等值网络有较多接地支路，独立的回路电流方程式个数往往多于独立的节点电压方程；网络结构或变压器变比改变时，改变方程式组的系数较方便等。运用节点导纳矩阵的节点电压方程为，展开后如式1-1所示。建立了节点导纳矩阵，就可进行潮流计算。 (1-1)在实际的电力系统中，已知的运行条件往往不是节点的注入电流而是负

12、荷和发电机的功率，而这些功率一般不随节点电压的变化而变化。因此，在知道节点导纳矩阵的情况下，必须用已知的节点功率来代替未知节点注入电流，才能求出节点电压。每一节点的注入功率方程式为: (2-2)描述了电力系统功率与电压的关系的式（2-2）是一组关于电压的非线性代数方程式，不能用解析法直接求解。在数值分析课程中介绍的求解非线性代数方程的方法有：高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法；在电力系统应用过程中，根据电力系统本身的特点得到了一种简化的牛顿-拉夫逊法，即PQ分解法；对于电力系统规划，由于系统数据的不完整性和不确定性，用牛顿-拉夫逊法往往不能收敛，因而为了解决这一问题，在电力系统潮流计算中还有一种计

13、算简单、计算工作量小、没有收敛问题等优点的直流法潮流计算。1.3 PSCAD的结构和特色：结构和功能 （1）有项目文件的创建、电气主接线图元件参数FORTRAN90编译器，屏幕显示曲线，结果输出打印等环节。（2）直流电磁暂态计算(3)电力系统时域和频域计算仿真，典型应用于电力系统遭受扰动或参数变化时，各参数随时间变化的规律；(4)高压直流输电，FACTS控制器的设计， (5)电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。特色： (1)配有图形输入程序PSCAD， (2)实时曲线显示PLOT (3)与MATLAB接口。 (4)强大的自定义功能 (5)支持子网嵌套的功能 (6)用户可以根据自己需要创建

14、具有特定功能的电路模块 (7)具有“快照” 功能第二章:电力系统潮流计算的基本原理2.1电力网络的基本方程式电力网络可以用结点方程式或回路方程式表示出来。在结点方程式中表示网络状态的变量是各节点的电压，在回路方程式中是各回路中的回路电流。一般若给出网络的支路数b，结点数n，则回路方程式数m为m=b-n+1结点方程式数为=n-1因此，回路方程式数比结点方程式数多d=m-=b-2n+2在一般电力系统中，各结点(母线)和大地间有发电机、负荷 、线路电容等对地支路，还有结点和结点之间也有输电线路和变压器之路，一般b2n，用结点方程式表示比用回路方程式表示方程式数目要少。而且如以下所示，用结点方程式表示

15、容易建立直观的方程式，输电线的连接状态等变化时也很容易变更网络方程式。基于上述理由，电力系统的基础网络方程式一般都用结点方程式表示。如图2-1所示,21 Net k N 图2-1 把电力系统的发电机端子和负荷端子（同步调相机等的端子也作为发电机端来处理）抽出来，剩下的输电线路及其它输电系统概括为网络et表示 。在发电机结点和负荷结点上标出任意顺序的记号：1,2,I,n.在输电系统Net的内部不包含电源，并且各节点和大地间连接的线路对地电容、电力电容器等都作为负荷来处理。令端子1,2,n的对地电压分别为，由各端子流向输电系统Net的电流相应为，则此网络方程组可以表示为 (2-1)(2-1)式可以

16、简单写成 (I=1,2,n) (2-2)或者写成 IYV (2-3)其中 (2-4)(2-4)的Y称为节点导纳矩阵。因输电系统Net只是由无源元件构成的，而导纳矩阵是对称矩阵，于是有以下关系 （2-5）电压V和电流的关系用式(2-1)(2-5) 表示时称为节点导纳方程式。这里电压用电流的方程式表示时，则(2-3)式化为VZI (2-6)其中 (2-6)式称为结点阻抗方程式，当然，阻抗矩阵也是对称矩阵。2.2 自导纳和互导纳的确定方法电力网络的节点电压方程： (2-7)式(2-7)为节点注入电流列向量，注入电流有正有负，注入网络的电流为正，流出网络的电流为负。根据这一规定，电源节点的注入电流为正

17、，负荷节点为负。既无电源又无负荷的联络节点为零，带有地方负荷的电源节点为二者代数之和。式(2-7)为节点电压列向量，由于节点电压是对称于参考节点而言的，因而需先选定参考节点。在电力系统中一般以地为参考节点。如整个网络无接地支路，则需要选定某一节点为参考。设网络中节点数为（不含参考节点），则，均为n*n列向量。为n*n阶节点导纳矩阵。节电导纳矩阵的节点电压方程：，展开为： (2-8)是一个n*n阶节点导纳矩阵，其阶数就等于网络中除参考节点外的节点数。 节点导纳矩阵的对角元素 (i=1，2，n)成为自导纳。自导纳数值上就等于在i节点施加单位电压，其他节点全部接地时，经节点i注入网络的电流，因此，它

18、可以定义为： （2-9）节点i的自导纳数值上就等于与节点直接连接的所有支路导纳的总和。节点导纳矩阵的非对角元素 (j=1，2，n;i=1，2，。，n;j=i)称互导纳，由此可得互导纳数值上就等于在节点i施加单位电压，其他节点全部接地时，经节点j注入网络的电流，因此可定义为： (2-10)节点j，i之间的互导纳数值上就等于连接节点j，i支路到导纳的负值。显然，恒等于。互导纳的这些性质决定了节点导纳矩阵是一个对称稀疏矩阵。而且，由于每个节点所连接的支路数总有一个限度，随着网络中节点数的增加非零元素相对愈来愈少，节点导纳矩阵的稀疏度，即零元素数与总元素的比值就愈来愈高。2.3 节点导纳矩阵的性质及意

19、义节点导纳矩阵的性质：（1）为对称矩阵，=。如网络中含有源元件，如移相变压器，则对称性不再成立。（2）对无接地支路的节点，其所在行列的元素之和均为零，即 。对于有接地支路的节点，其所在行列的元素之和等于该点接地支路的导纳。利用这一性质，可以检验所形成节点导纳矩阵的正确性。（3）具有强对角性：对角元素的值不小于同一行或同一列中任一元素。（4）为稀疏矩阵，因节点i ，j 之间无支路直接相连时=0，这种情况在实际电力系统中非常普遍。矩阵的稀疏性用稀疏度表示，其定义为矩阵中的零元素与全部元素之比，即 ， 式中Z 为中的零元素。S 随节点数n 的增加而增加：n=50，S可达92%；n=100，S 可达9

20、0%；n=500，S可达99%，充分利用节点导纳矩阵的稀疏性可节省计算机内存，加快计算速度，这种技巧称为稀疏技术。节点导纳矩阵的意义：是n*n阶方阵，其对角元素 (i=1，2，-n)称为自导纳，非对角元素(i，j=1，2，n， )称为互导纳。将节点电压方程展开为： （2-11）可见 (2-12)表明，自导纳在数值上等于仅在节点i施加单位电压而其余节点电压均为零（即其余节点全部接地）时，经节点i注入网络的电流。其显然等于与节点i直接相连的所有支路的导纳之和。同时可见。表明，互导纳在数值上等于仅在节点j施加单位电压而其余节点电压均为零时，经节点i注入网络的电流，其显然等于()即=。为支路的导纳，负

21、号表示该电流流出网络。如节点ij之间无支路直接相连，则该电流为0，从而=0。注意字母几种不写法的不同意义：粗体黑字表示导纳矩阵，大写字母代矩阵中的第i行第j列元素，即节点i和节点j之间的互导纳。小写字母i，j支路的导纳等于支路阻抗的倒数数，。根据定义直接求取节点导纳矩阵时，注意以下几点：1) 节点导纳矩阵是方阵，其阶数就等于网络中除去参考节点外的节点数。参考节点一般取大地，编号为零。2) 节点导纳矩阵是稀疏矩阵，其各行非零非对角元素就等于与该行相对应节点所连接的不接地支路数。3) 节点导纳矩阵的对角元素就等于各该节点所连接导纳的总和。因此，与没有接地支路的节点对应的行或列中，对角元素为非对角元

22、素之和的负值。4) 节点导纳矩阵的非对角元素等于连接节点i，j支路导纳的负值。因此，一般情况下，节点导纳矩阵的对角元素往往大于非对角元素的负值。5) 节点导纳矩阵一般是对称矩阵，这是网络的互易特性所决定的。从而，一般只要求求取这个矩阵的上三角或下三角部分。2.4 非标准变比变压器等值电路变压器型等值电路更便于计算机反复计算,更适宜于复杂网络的潮流计算.双绕组变压器可用阻抗与一个理想变压器串联的电路表示.理想变压器只是一个参数,那就是变比。现在变压器阻抗按实际变比归算到低压侧为例,推导出变压器型等值电路。图2-4.1双绕组变压器原理图 图2-4.2变压器阻抗归算到低压侧等值模型流入和流出理想变压

23、器的功率相等 (2-13)式(2-13)中, 是理想变压器的变比,和 分别为变压器高,低绕组的实际电压.从图2-3直接可得： （2-14） 从而可得: （2-15）式（2-14）中,又因节点电流方程应具有如下形式: （2-16）将式（2-14）与（2-15）比较，得：，； ，。因此可得各支路导纳为： （2-17）由此可得用导纳表示的变压器型等值电路：图2-4.3变压器型等值电路2.5 Matlab简介2.5.1 Matlab概述MATLAB (Matrix Laboratory)为美国Mathworks公司1983年首次推出的一套高性能的数值分析和计算软件，其功能不断扩充，版本不断升级。 MA

24、TLAB将矩阵运算、数值分析、图形处理、编程技术结合在一起，为用户提供了一个强有力的科学及工程问题的分析计算和程序设计工具，它还提供了专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能，是具有全部语言功能和特征的新一代软件开发平台。MATLAB具有编程效率高、用户使用方便、扩充能力强、语句简单，内涵丰富、高效方便的矩阵和数组运算、方便的绘图功能等特点，给用户带来了极大的方便。MATLAB 已发展成为适合众多学科，多种工作平台、功能强大的大型软件。在欧美等国家的高校，MATLAB已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具。成

25、为攻读学位的本科、硕士、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业开发部门，MATLAB被广泛的应用于研究和解决各种具体问题。在中国，MATLAB也已日益受到重视，短时间内就将盛行起来，因为无论哪个学科或工程领域都可以从MATLAB中找到合适的功能。2.5.2 matlab GUI 简介 图形用户界面（GUI）是用户与计算机程序之间的交互方式，是用户与计算机进行信息交流的方式。计算机在屏幕显示图形和文本，若有扬声器还可产生 声音。用户通过输入设备，如：键盘、鼠标、跟踪球、绘制板或麦克风，与计算机通讯。用户界面设定了如何观看和如何感知计算机、操作系统或应用程序。通常， 多是根据悦目的结构和用

26、户界面功能的有效性来选择计算机或程序。图形用户界面或GUI是包含图形对象，如：窗口、图标、菜单和文本的用户界面。以某种方式 选择或激活这些对象，通常引起动作或发生变化。最常见的激活方法是用鼠标或其它点击设备去控制屏幕上的鼠标指针的运动。按下鼠标按钮，标志着对象的选择或 其它动作。Matlab作为强大的数学计算软件，同样也提供了图像用户界面设计的功能。在matlab中，基本的图形用户界面对象包含3类：用户控件对象（uicontrol）、下拉式菜单对象（uimenu）、和快捷菜单对象（uicontexmenu）。根据这些对象可以设计出界面友好、操作方便的图形用户界面。第三章:方案分析与比较 3.1

27、方案举例 方案一：采用手工计算 最开始熟悉课题之后，我们准备采用手工计算的方法算出各母线上的潮流分布，在进一步熟悉了牛顿-拉夫逊法后我们发现不仅节点导纳矩阵难算，后续的雅可比矩阵更是多达一百多个元素要进行计算，短时间根本无法完成设计任务；而P-Q分解法要将相关参数化为极坐标形式，计算量也十分巨大，于是我们放弃 了这个方案。方案二：用MATLAB软件进行相关计算 这个方案大大减少了手工计算的时间，但每次计算过程都要编写大量程序，虽然编程的相关指令并不难，但编程稍微有一点错误结果就无法正确显示，而且算出的结果并不直观清晰。所以最后我们也放弃这个方案。 方案三：用PSCAD软件仿真 在老师的指导和帮

28、助下，我们开始学习PSCAD软件，这是电气专业的专业仿真软件，开始我们并看不懂。而且关于这个软件的教程和说明大部分是英文版的，这无疑又增加了我们的学习难度。但考虑到今后毕业设计也要学习这个软件，我们还是硬着头皮开始学习。在老师的耐心指导下，我们几个人一小组开始学习和探讨这个软件的使用方法。从元件的选择到布线安排、相关参数的设置到最后的调试运行，可谓每一步大家都付出了相当大的努力。虽然我们现在对这个软件还不是特别熟悉，但是我们的课题还是成功的完成了。在仿真图输出显示中，系统特性十分直观快速的显示出来了，我们觉得非常开心。3.2 分析与解题思路 此电力系统为典型的3机9节点的电路网络，综合比较牛顿

29、拉夫逊法（直角坐标、极坐标）、PQ分解法等多种求解方法的特点，最后确定采用牛顿拉夫逊法（极坐标）。因为此方法所需解的方程组最少。我们这次选用的是PSCAD的仿真，然后用手工计算辅助，验证仿真结果的精确性。以下是利用PSCAD仿真建模的流程图:图3.5 PSCAD建模流程图3.3 极坐标形式的牛顿-拉夫逊法 采用极坐标时，节点电压表示为 节点功率方程将写成 i = j 修正方程式如下：反复迭代直至满足收敛条件：第四章:PSCAD详细仿真过程4.1电机建模 由于数据中给出的三台发电机有两台设为PV节点因此我们选用可以设置功率的电压源来建立发电机的模型。 1号发电机是平衡节点，已知电压幅值和相角；2

30、、3号发电机均为PV节点，已知有功功率，设电压幅值为1，相角为零度。 图4.11 1号发电机模型参数设置图4.12 2、3号发电机模型参数设置4.2输电线路建模 一个型等值电路可以代替两到三百米的输电线路，在9节点系统中可以用九个型等值电路分别代替。等值电路的参数设置可以双击元件后，在对话框内直接输入数据。另外，由于系统中有带静电电容以及不带静电电容的两种输电线路，因此我们分别将模型展示如下：图 4.2 7、8间的等值电路4.3测量元件的设置 由于我们要求各个母线上的潮流分布，我们必须设置测量元件。为了方便我们的观察，我们在每一条支路上都设置一个功率表。PSCAD中的功率表可以测线路上的电压、电流、相角、有功功率以及无功功率。功率表的参数设置如下：为了将测量的结果进行输出，在设置了Configuration后还要设置signal names,给每一个你要测量的内容取一个名字。下面以2号节点处的功率表作为代表进行说明。图4.3功率表测量内容的设置4.4道的设置 首先用仪表接在电