《电力系统分析基础》课程设计说明书.docx
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《电力系统分析基础》课程设计说明书
北京交通大学海滨学院
《电力系统分析基础》课程设计说明书
题目:
电力系统潮流(手工)计算
学生姓名杨文龙
学号09142164
专业电气工程及其自动化
班级0903班
指导教师李军
完成时间2012-06-18
目录
电力系统课程设计任务书1
一、课程设计目的1
二、课程设计要求1
三、课程设计进度2
四、设计成果要求2
电力系统课程设计说明书3
第一章潮流计算简介3
1.1潮流计算的概述3
1.2潮流计算的发展史3
第二章手工潮流计算4
2.1手工潮流计算过程4
2.2手工潮流计算心得4
第三章潮流计算的编程4
3.1潮流计算流程图4
3.2牛顿-拉夫逊法程序6
3.3牛顿-拉夫逊法程序结果10
思考题12
课程设计总结12
参考文献13
附录14
摘要
潮流计算是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件,确定电力系统各部分稳态运行状态参数计算。
通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。
待求的运行状态参量包括电网各母线节点电压幅值和相角,以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。
潮流计算是电力系统非常重要的分析计算,用于系统规划和运行中提出的各种问题。
对规划中的电力系统,通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危机系统的安全,系统中所有母线的电压是否在允许的范围之内,系统中各元件是否会出现过负荷,以及可能出现过负荷时应事先采取那些预防措施等。
关键词:
潮流计算牛顿法P-Q分解法电力系统分析
电力系统课程设计任务书
一、课程设计目的
掌握电力系统潮流计算的基本原理,
掌握并能熟练运用一门计算机语言对潮流计算进行计算机编程计算。
采用计算机语言对潮流计算进行计算机编程
二、课程设计要求
题目:
简单系统如下图所示,在该电力系统中,1、2为PQ节点,3为P节点,4为平衡节点;标幺值表示的各元件参数和节点数据如表1所示,给定电压初值见表2。
收敛系数:
。
试求:
采用以下两种方法的该电力系统潮流分布,并将计算结果对比。
1.极坐标下的手工计算(手写,采用A4纸),进行2次迭代,计算出结果;
2.极坐标下的牛顿-拉夫逊法或P-Q分解法求解(程序源代码、说明、流程图、运行结果,电子版)。
表1标幺值表示的网络元件参数和各节点数据
支路
电阻
电抗
输电线路0.5yc
变压器变比k
1-2
0.04+j0.12
0.03
/
1-3
0.02+j0.06
0.03
/
2-3
0.06+j0.14
/
/
2-4
0.00+j0.05
/
0.9625
3-4
0.04+j0.10
/
/
节点数据
,
表2给定的各节点电压初始值(标幺值)参数
节点i
1
2
3
4
1.00+j0.0
1.0+j0.0
1.0+j0.0
1.05+j0.0
思考题
1)潮流计算的方法有哪些?
各有何特点?
2)设计中遇到的问题和解决的办法。
三、课程设计进度
序号
设计内容
时间/(天)
备注
1
手工计算
2
6.10
2
建立输入输出数据,编写及调试形成导纳矩阵模块
1
3
计算不平衡功率
1
4
形成系数矩阵(牛顿-拉夫逊法形成雅可比矩阵)
1
5
潮流计算(牛顿法或P-Q分解法)
2
6
计算线路潮流,网损,PV节点无功功率和平衡节点功率
1
7
写设计报告
2
8
验收
1
6.20
四、设计成果要求
1.手算潮流;
2.计算机计算潮流程序流程图;
3.完整的潮流程序,并有程序注释。
包括变量的定义,子程序的调用等,计算结果;
4.回答思考题
电力系统课程设计说明书
第一章潮流计算简介
1.1潮流计算的概述
为了使电力系统能够安全、优质、经济的运行,在电力系统的设计、运行以及研究工作中,需要针对电力系统的不同运行状态,做多种多样的计算。
指在给定电力系统网络拓扑、元件参数和发电、负荷参量条件下,计算有功功率、无功功率及电压在电力网中的分布。
潮流计算是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件,确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。
通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。
待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角,以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。
1.2潮流计算的发展史
近二十多年来,潮流计算的研究仍然非常活跃,但是大多数研究都是围绕改进牛顿法和P-Q分解法进行的。
此外,随着人工智能理论的发展,遗传算法、人工神经网络、模糊算法页逐渐被引入潮流计算。
但是,到目前为止这些新的模型和算法还不能取代牛顿法和P-Q分解法的地位。
由于电力系统规模的不断扩大,对计算机速度的要求不断提高,计算机的并行计算技术也将在潮流计算中得到广泛应用,成为重要的研究领域。
在电力市场的改革不断深入,“厂网分开,竞价上网”的今天,传统的潮流计算又遇到了一些新的挑战。
例如,在传统潮流计算中,在每一步潮流迭代中所有节点的有功不平衡和无功不平衡都是平衡节点功率来平衡的,在潮流计算收敛之前,平衡节点的功率是无法确定的,相当于被选为平衡节点的发电厂为全网的功率平衡和潮流收敛做出了“牺牲”。
这种做法在提倡“公平、公开、公正”的电力市场中受到质疑。
为体现市场公平的原则,在潮流计算的每一步中,让所有调节能力的发电厂按照其装机容量的大小来共同承担系统总的不平衡功率,这样不但能使各发电厂公平竞争,还能加快潮流计算的收敛速度。
这就是所谓的动态潮流计算。
另外,还有考虑负荷不确定性的区间潮流计算、考虑节点注入功率和负荷随机特征的概率潮流计算、考虑负序非线性分布的三相潮流计算和考虑各次谐波在电力网中渗透情况的谐波潮流计算等。
第二章手工潮流计算
2.1手工潮流计算过程
(见附录)
2.2手工潮流计算心得
通过此次的手工计算,我发现了很多细节问题,对公式的运用更加熟练,同时对相关的知识进行了一次全面的梳理,比如运用增广矩阵求解多元方程组。
由于数量太大,导致数据运算过程中出现了不少的计算错误,检验数据正确性花费了很多时间。
最终通过一天的数据核算,发现误差很小。
第三章潮流计算的编程设计
3.1潮流计算流程图
计算机计算
(1)节点导纳矩阵Y
根据题目提供的各节点的参数,求的节点导纳矩阵
Yii=yio+Σyij
Yik=-yik
(2)简化雅可比矩阵B’和B’’
通过上一步的导纳矩阵,形成有功迭代和无功迭代的简化雅可比矩阵B’和B’’对雅可比矩阵进行三角分解,形成因子表,为后面进行修正方程计算做好准备。
(3)修正和迭代
第一步,给定PQ节点初值和各节点电压相角初值。
第二步,作第一次有功迭代,按公式计算节点有功功率不平衡量。
第三步,做第一次无功迭代,按公式计算无功功率不平衡量,计算时电压相角最新的修正值。
解修正方程式,可得各节点电压幅值的修正量。
第四步,第一轮有功迭代和无功迭代便做完了。
第五步,按公式计算平衡结点功率。
直到节点不平衡功率下降到10-5以下,迭代便可结束。
本次课程设计采用极坐标下的牛顿-拉夫逊计算网络的潮流计算。
其牛顿-拉夫逊潮流计算程序框图如下所示。
3.2牛顿-拉夫逊法程序
>>%电力系统极坐标下的牛顿-拉夫逊法潮流计算
disp('电力系统极坐标下的牛顿-拉夫逊法潮流计算:
');
clear
n=input('请输入结点数:
n=');
n1=input('请输入PV结点数:
n1=');
n2=input('请输入PQ结点数:
n2=');
isb=input('请输入平衡结点:
isb=');
pr=input('请输入精确度:
pr=');
K=input('请输入变比矩阵看:
K=');
C=input('请输入支路阻抗矩阵:
C=');
y=input('请输入支路导纳矩阵:
y=');
U=input('请输入结点电压矩阵:
U=');
S=input('请输入各结点的功率:
S=');
Z=zeros(1,n);N=zeros(n1+n2,n2);L=zeros(n2,n2);QT1=zeros(1,n1+n2);
form=1:
n
forR=1:
n
C(m,m)=C(m,m)+y(m,R);
ifK(m,R)~=0
C(m,m)=C(m,m)+1/(C(m,R)/(K(m,R)*(K(m,R)-1)));
C(R,R)=C(R,R)+1/(C(m,R)/(1-K(m,R)));
C(m,R)=C(m,R)/K(m,R);
C(R,m)=C(m,R);
end
end
end
form=1:
n
forR=1:
n
ifm~=R
Z(m)=Z(m)+1/C(m,R);
end
end
end
form=1:
n
forR=1:
n
ifm==R
Y(m,m)=C(m,m)+Z(m);
else
Y(m,R)=-1/C(m,R);
end
end
end
disp('结点导纳矩阵:
');
disp(Y);
disp('迭代中的雅克比矩阵:
');
G=real(Y);
B=imag(Y);
O=angle(U);
U1=abs(U);
k=0;
PR=1;
P=real(S);
Q=imag(S);
whilePR>pr
form=1:
n2
UD(m)=U1(m);
end
form=1:
n1+n2
forR=1:
n
PT(R)=U1(m)*U1(R)*(G(m,R)*cos(O(m)-O(R))+B(m,R)*sin(O(m)-O(R)));
end
PT1(m)=sum(PT);
PP(m)=P(m)-PT1(m);
PP1(k+1,m)=PP(m);
end
form=1:
n2
forR=1:
n
QT(R)=U1(m)*U1(R)*(G(m,R)*sin(O(m)-O(R))-B(m,R)*cos(O(m)-O(R)));
end
QT1(m)=sum(QT);
QQ(m)=Q(m)-QT1(m);
QQ1(k+1,m)=QQ(m);
end
PR1=max(abs(PP));
PR2=max(abs(QQ));
PR=max(PR1,PR2);
form=1:
n1+n2
forR=1:
n1+n2
ifm==R
H(m,m)=U1(m)^2*B(m,m)+QT1(m);
else
H(m,R)=-U1(m)*U1(R)*(G(m,R)*sin(O(m)-O(R))-B(m,R)*cos(O(m)-O(R)));
end
end
end
form=1:
n1+n2
forR=1:
n2
ifm==R
N(m,m)=-U1(m)^2*G(m,m)-PT1(m);
else
N(m,R)=-U1(m)*U1(R)*(G(m,R)*cos(O(m)-O(R))+B(m,R)*sin(O(m)-O(R)));
end
end
end
form=1:
n2
forR=1:
n1+n2
ifm==R
J(m,m)=U1(m)^2*G(m,m)-PT1(m);
else
J(m,R)=U1(m)*U1(R)*(G(m,R)*cos(O(m)-O(R))+B(m,R)*sin(O(m)-O(R)));
end
end
end
form=1:
n2
forR=1:
n2
ifm==R
L(m,m)=U1(m)^2*B(m,m)-QT1(m);
else
L(m,R)=-U1(m)*U1(R)*(G(m,R)*sin(O(m)-O(R))-B(m,R)*cos(O(m)-O(R)));
end
end
end
JJ=[HN;JL];
disp(JJ);
PQ=[PP';QQ'];
DA=-inv(JJ)*PQ;
DA1=DA';
form=1:
n1+n2
OO(m)=DA1(m);
end
form=n:
n1+n2+n2
UU1(m-n1-n2)=DA1(m);
end
UD2=diag(UD);
UU=UU1*UD2;
form=1:
n1+n2
O(m)=O(m)+OO(m);
end
form=1:
n2
U1(m)=U1(m)+UU(m);
end
form=1:
n1+n2
o(k+1,m)=180/pi*O(m);
end
form=1:
n2
u(k+1,m)=U1(m);
end
k=k+1;
end
form=1:
n
b(m)=U1(m)*cos(O(m));
c(m)=U1(m)*sin(O(m));
end
U=b+i*c;
forR=1:
n
PH1(R)=U(isb)*conj(Y(isb,R))*conj(U(R));
end
PH=sum(PH1);
form=1:
n
forR=1:
n
ifm~=R
C1(m,R)=1/C(m,R);
else
C1(m,m)=C(m,m);
end
end
end
form=1:
n
forR=1:
n
if(C(m,R)~=inf)&(m~=R)
SS(m,R)=U1(m)^2*conj(C1(m,m))+U(m)*(conj(U(m))-conj(U(R)))*conj(C1(m,R));
end
end
end
disp('迭代中的△P:
');disp(PP1);
disp('迭代中的△Q:
');disp(QQ1);
disp('迭代中相角:
');disp(o);
disp('迭代中电压的模:
');disp(u);
disp('平衡结点的功率:
');disp(PH);
disp('全部线路功率分布:
');disp(SS);
3.3牛顿-拉夫逊法程序结果
表1标幺值表示的网络元件参数和各节点数据
支路
电阻
电抗
输电线路0.5yc
变压器变比k
1-2
0.04+j0.12
0.03
/
1-3
0.02+j0.06
0.03
/
2-3
0.06+j0.14
/
/
2-4
0.00+j0.05
/
0.9625
3-4
0.04+j0.10
/
/
节点数据
,
表2给定的各节点电压初始值(标幺值)参数
节点i
1
2
3
4
1.00+j0.0
1.0+j0.0
1.0+j0.0
1.05+j0.0
电力系统极坐标下的牛顿-拉夫逊法潮流计算:
请输入结点数:
n=4
请输入PV结点数:
n1=1
请输入PQ结点数:
n2=2
请输入平衡结点:
isb=4
请输入精确度:
pr=0.00001
请输入变比矩阵看:
K=[0,0,0,0;0,0,0.9625,0;0,0,0,0;0,0,0,0]
请输入支路阻抗矩阵:
C=[00.04+0.12i0.02+0.06iinf;0.04+0.12i00.06+0.14i0.00+0.05i;0.02+0.06i0.06+0.14i00.04+0.1i;inf0.00+0.05i0.04+0.1i0]
请输入支路导纳矩阵:
y=[00.03i0.00;0.03i000;0.03i000;0000]
请输入结点电压矩阵:
U=[1+0i1+0i1.00+0i1.05+0i]
请输入各结点的功率:
S=[-0.3-0.2i-0.2-0.1i0.30]
结点导纳矩阵:
7.5000-22.4700i-2.5000+7.5000i-5.0000+15.0000i0
-2.5000+7.5000i4.8959-33.0604i-2.4892+5.8082i0+20.0000i
-5.0000+15.0000i-2.4892+5.8082i11.0345-29.6252i-3.4483+8.6207i
00+20.0000i-3.4483+8.6207i3.4483-28.6207i
迭代中的雅克比矩阵:
-22.50007.500015.0000-7.50002.5000
7.5000-34.30825.80822.5000-4.8025
15.00005.8082-29.62525.00002.4892
7.5000-2.5000-5.0000-22.44007.5000
-2.50004.9892-2.48927.5000-31.8126
-22.70017.772114.9279-7.21182.5644
7.7564-35.43875.95822.6117-5.0365
15.08936.0569-29.62524.76092.4595
7.8093-2.5644-5.2449-22.30337.7721
-2.61175.4427-2.68987.7564-35.3241
-22.67887.757314.9215-7.20302.5639
7.7442-35.39455.95282.6033-5.0267
15.08066.0477-29.62524.76172.4608
7.8029-2.5639-5.2390-22.27887.7573
-2.60335.4267-2.68227.7442-35.1946
-22.67887.757314.9214-7.20292.5638
7.7441-35.39435.95272.6033-5.0267
15.08066.0477-29.62524.76162.4607
7.8029-2.5638-5.2391-22.27887.7573
-2.60335.4267-2.68237.7441-35.1943
-22.67887.757314.9214-7.20292.5638
7.7442-35.39435.95272.6033-5.0267
15.08066.0477-29.62524.76162.4607
7.8029-2.5638-5.2391-22.27887.7573
-2.60335.4267-2.68237.7442-35.1943
迭代中的△P:
-0.3000-0.10670.3754
-0.00120.0031-0.0084
-0.00000.00000.0004
0.0000-0.0000-0.0000
-0.0000-0.00000.0000
迭代中的△Q:
-0.17001.1478
-0.0016-0.0427
-0.0000-0.0001
-0.0000-0.0000
-0.0000-0.0000
迭代中相角:
-0.1980-0.37230.7258
-0.2277-0.37310.6838
-0.2265-0.37250.6853
-0.2265-0.37250.6853
-0.2265-0.37250.6853
迭代中电压的模:
1.00071.0345
1.00021.0332
1.00021.0332
1.00021.0332
1.00021.0332
平衡结点的功率:
0.2141+0.8491i
全部线路功率分布:
0-0.0629-0.2844i-0.2371+0.0544i0
-0.0341-0.0019i0-0.1245-0.0166i-0.2407-0.6106i
0.3354+0.1157i0.1255-0.0432i00.0331-0.2774i
00.1411+0.3526i0.0730+0.4965i0
思考题
1).潮流计算的方法有哪些?
各有何特点?
2).设计中遇到的问题和解决的办法
答:
1牛顿-拉夫逊法及快速分解法。
快速分解法有两个主要特点:
a降压,在潮流计算的修正方程中利用了有功功率主要与节点电压相位有关,无功功率主要与节点电压幅值有关的特点,实现P-Q分解。
b因子表固定化,利用了线路两端电压相位差不大的假定,是修正方程系数矩阵元素变为常数,并且就是节点导纳的虚部。
2设计过程中刚开始程序出错,运行不出结果,后经问老师和同学,改正了程序的错误之处,得出正确的结果,设计程序过程中要认真研究流程图。
课程设计总结
此次课程设计使我在潮流计算、MATLAB的使用方面均有所提高,但也暴露出了一些问题;理论知识的储备还是不足,对MATLAB的性能和特点还不能有一个全面的把握,对MATLAB中PSAT工具箱使用不够熟悉,相信通过以后的学习能弥补这些不足,从而达到一个新的层次。
潮流计算是电力系统的最基本、最常用的分析计算。
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。
实际的情况远比我们计算的情况复杂,这让我深刻了解了潮流计算的重要性。
精准的潮流计算不仅可以使电网处于稳定且平衡的状态,这对电网的安全运行起到关键性的作用,还可以实现运行的经济性。
所以我认为学好电力系统的关键在于学好潮流计算,电力系统的安全运行不是儿戏,一个很小的失误就可能造成整个电网的崩溃,这给国家和社会带来的危害和损失之大是可想而知的。
学好电力系统这门课、学好潮流计算是我们电专业学生的当务之急。
没有坚实的基础就不可能建造出高楼大厦,所以,要想在以后的工作岗位上有所成就,就必须打好基础,努力提高自己的专业素养。
参考文献
[1]陈珩.《电力系统稳态分析》.中国电力出版社.2007年.第二版;
[2]张伯明、陈寿孙、严正.《高等电力网络分析》.清华大学出版社.2007年.第二版;
[3]西安交通大学等合编.《电力系统计算:
电子数字计算机的应用》.北京:
水利电力出版社;
[4]王锡凡主编.《
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