基于BPA的C县电网无功优化分析毕业设计.docx
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基于BPA的C县电网无功优化分析毕业设计
基于BPA的C县电网无功优化分析毕业设计
第1章绪论
1.1引言
一百多年以前,人类发明了电力技术并建立起了电力工业,人类历史因电力技术的产生而从蒸汽时代进入到电气时代。
电力技术与电力工业的出现及发展彻底改变了人们的生产与生活面貌,促使经济以前所未有的速度发展。
电力技术的广泛应用和电力需求的不断增加,促使电力技术和电力工业进一步向高电压等级、大机组、大电网方向发展。
电能是最方便、最清洁的二次能源,是现代人类社会利用能源的主要形式。
由发电、变电、输电、配电及用电等环节组成了电能的生产与消费系统,该系统将自然界的一次能源经发电机等设备转化为电能,然后再经输电、变电、配电系统将电能传输至负荷中心,电能最后通过各种设备转换成动力、热、光等不同形式的能量,服务于经济建设和人民的生活。
电能生产、输送、消费的特点主要有[1-2]:
1、电能与国民经济各个部门之间的关系都很密切。
2、电能不能大量储存。
3、生产、输送、消费电能各个环节所组成的统一整体不可分割。
4、电能生产、输送、消费工况的改变十分迅速。
5、对电能质量的要求颇为严格。
6、电力系统的暂态过程非常的短暂。
我国的电源建设在“有序开发水电,优化发展煤电,因地制宜发展新能源发电,开发与节约并重”方针的指导下,得到了长足的发展。
在这种方针的指导下,我国的电网开始由小变大,由弱变强,电网的电压等级也由低变高。
为了更合理地配置资源,因地制宜,我国制定了西电东送、全国联网、电力市场、特高压输电等重要的战略性任务。
目前,我国的电力工业已取得巨大的成就,中国也成为世界上最大的电力系统。
电力系统的主体结构由电源、电网和负荷三个部分组成。
为保证电力系统安全稳定且经济地运行,须在各个不同的层面上根据不同的要求配置相应的自动控制装置和通信系统,以组成信息与控制子系统。
该系统使得电力系统变得更具有可观测性及可实时控制性。
只有这样才可以保证正常的电能生产与消费过程以及事故的紧急处理。
现代电力工业是在将水能或热能转变为电能的技术发明和科技进步的基础上发展起来的。
规模巨大、运行方式多变、结构复杂、扰动随机性强、非线性因素众多等是现代电力系统所具有的基本特征。
除此之外,由于现代电力系统供电功率相比以前来说大了很多,所以对现代电力系统的正常运行我们又提出了以下的要求
:
1、保证可靠地持续供电。
2、保证良好的电能质量。
3、保证系统运行的经济性。
电力系统的运行与控制要同时兼顾以上的要求。
电力系统本身是一个非常复杂的大系统,涉及到各种不同特性的元件,系统中所有相互独立的元件通过电力网络紧密联系在一起。
同时,由于不同特性的元件相互连接在一起有一个优化组合的问题,所以我们应该尽可能的使用特性相同或相似的元件构成网络,以使电力网络的拓扑结构变得简单,运行变的安全、经济、可靠,这也是对电力系统运行的基本要求。
伴随着计算机技术迅猛发展和广泛应用的影响,电力系统的分析和计算由主要依靠经验操控逐渐转变成依靠现有的计算机软件进行实时的分析和计算的另一种新局面,这对于需要实时控制的电力系统来说无疑是一种很大的进步。
由于基于计算机的电力系统分析软件的应用,电力系统的控制与运行分析也变得越来越简单。
所以运用电力系统分析软件进行电力系统的分析与计算已经成为一种趋势。
随着社会和科技的发展,电力系统的规模变得越来越庞大,系统结构变得越来越复杂,瞬时的电压波动也可能产生很严重的后果;由于系统的电压水平与系统无功功率电源的分布和无功功率负荷的补偿量有关。
因此,进行电力系统的无功优化分析有利于电力系统的安全、可靠和经济的运行。
本论文讨论的主要内容是基于BPA的C县电网无功优化分析,通过本论文我们引入了一种进行电力系统无功优化分析的新方法。
同时本论文也简要介绍了利用PSD-BPA进行电力系统无功优化分析的步骤和注意事项,希望能够对想学习PSD-BPA软件的有关人士有所帮助。
1.2选题的意义
随着现代社会的快速发展,如何减少能源资源的消耗,提高能源资源的有效利用率,是摆在人们面前的现实问题。
要想解决这一现实问题,我们必须要能够找到一种实现能源高效利用的方法,这对于构建资源节约型社会具有不可替代带的作用。
为了顺应时代的潮流和现代电力系统发展的需要,实现减少能源消耗、提高电能质量。
我们必须对电力系统进行优化分析。
电力系统的电能质量包括电压质量、频率质量和波形质量等,其中电压质量是我们关注的重点。
因为各种各样的电气设备都是按照额定电压设计的,如果电压偏低或者偏高都会影响设备的正常工作;轻则引起电气设备不正常工作,重则可能造成设备的损坏和工作人员的人身伤害。
所以保证良好的电能质量首先要保证良好的电压质量。
在电力系统稳态分析课程中我们了解到,电压质量的好坏与电力系统的无功功率分布情况有关;而只有在无功功率最优分布的情况下,我们才能保证良好的电能质量。
无功功率的最优分布可以采用“等网损微增率准则”,也可以采用其它的方法。
在本论文中,我们采用中国电力科学研究院自主研发的PSD-BPA软件进行电力系统的无功功率优化分析,其中,我们以2015年C县电网的地理接线图为优化分析的依据,利用PSD-BPA对C县电网进行了优化分析,并得出了一些建设性的建议;这对C县2015年的电网规划起到了一定的积极作用。
1.3国内外发展概况
近年来,随着经济的发展、社会的进步、科技和信息化水平的提高以及全球资源和环境问题的日益突出,依靠现代信息、通信和控制技术,积极发展智能电网,适应未来可持续发展的要求,已经成为国际电力发展的现实选择。
在智能电网这股强大的冲击波作用下,电力系统对电网电能质量特别是电压质量的提高提出了更高的要求;而电压质量的好坏与电网的无功功率流动情况关系密切。
因此,我们应该首先来分析电网的无功优化问题,然后再在无功功率合理分布的情况下,讨论怎么样去提高电压质量。
在电力系统无功优化方面,国内外学者己做了大量工作,归纳起来主要有两个方面:
一是使优化中所建立的数学模型尽量反映实际情况,即目标函数和多种约束条件接近电力系统运行情况;二是针对大规模优化问题在求解过程中遇到的求解时间长、易产生局部最优解和“维数灾”等问题进行改进,提出了线形规划法、非线形规划法、Tabu搜索法、灵敏度分析以及近年来提出的模拟退火算法、遗传算法
、神经网络法等算法。
在电力系统中,无功补偿的原则是“就地补偿”
,即在配电网的末端进行补偿,以减少无功流动引起的损耗,但实现起来有困难。
目前的状况是在配网高压侧(即110kV或35kV变电站)集中补偿居多,中压侧分散补偿很少,因此在10kV配电线路末端实施无功补偿己经日益迫切。
但配网中节点很多,分布多呈辐射状,这种多节点、多约束的无功优化规划给大规模的计算带来了困难。
因此,研究进行电力系统无功优化分析的新方法不仅是一种电力系统发展的趋势,更是电力系统为提高电网电压质量的必然要求。
在本文中,我们采用中国电力科学研究院自主研发的电力系统无功优化分析软件PSD-BPA对C县电网的无功功率进行优化分析;由于PSD-BPA软件是目前比较主流的无功优化分析软件,在我国的绝大部分电网已经开始使用;但是由于这种软件的普及面还不是很广泛,所以利用PSD-BPA软件对C县电网进行无功优化分析,一方面顺应了电力系统发展的要求,另一方面也有利于PSD-BPA软件的推广。
第2章PSD-BPA潮流程序简介
2.1PSD-BPA潮流程序概述
PSD-BPA潮流程序是“PSD电力系统软件工具”的重要组成部分,在实际的应用过程中得到了不断发展完善和提高,对于指导全国联网和区域电网的规划、设计、科研及生产运行发挥了不可替代的作用。
根据中国电力科学研究院近年来指导全国联网运行、规划、试验及调试等相关的研究项目实际经验,对PSD-BPA潮流程序进行了大量的完善和新功能的开发工作。
本软件目前已经广泛应用于实际工程项目,如国家电网公司系统运行方式跟踪计算、全国联网、2003年南方电网事故分析等等。
2.2PSD-BPA潮流程序的基本功能和特点
2.2.1程序规模
对于不同的PSD-BPA版本来说,程序的规模也是不同的,现分别叙述如下:
(1)5000节点版本
1)5000个节点,除此之外,还有用于网络化简的节点150个节点。
2)11100条支路,其中包括220台带负荷调压(LTC)变压器和50台移相器。
3)8条两端直流线路和25条多端直流线路。
4)80个功率交换区域,所有的区域总共包括200个分区,各区域之间有150条功率交换联络线。
(2)10000节点版本
1)10000个节点,除此之外,还有用于网络化简的300个节点。
2)15200条支路,其中包括300台带负荷调压(LTC)变压器和70台移相器。
3)40条两端直流线路和25条多端直流线路。
4)120个功率交换区域,所有的区域总共包括300个分区,各区域之间有140条功率交换联络线。
2.2.2程序的基本功能
(1)基本功能
既可以进行交流系统的潮流计算,也可以进行双端或多端的交直流混合系统的潮流计算。
(2)节点电压控制功能
由于PSD-BPA潮流程序包括节点类型很多,包括无源节点、一般的PQ节点、发电机节点和平衡节点等,所以PSD-BPA潮流程序的节点电压控制功能比较的完善,特别适用于对多种节点同时存在的系统进行无功优化分析。
通过调节发电机的有功和无功出力、设备补偿设备等手段,都可以调节系统的电压水平,以使系统在最优状态运行。
(3)联络线功率的控制
通过发电机自动控制功能,控制联络线的交换功率为给定数值。
(4)灵敏度的分析
能够根据扰动量的大小,给出功角和电压灵敏度以及线路功率、线路损耗、网损等灵敏度分析报告。
(5)确定系统的极限输送功率
通过调节发电机的有功和无功出力确保系统的发电机出力随着负荷的变化而成比例的变化,以预测网络的复合增长和减少。
(6)灵活多样的分析报告
PSD-BPA潮流程序可以输出20多种分析报告,以供用户的查看和参考,对电力系统的正常运行和优化分析具有非常重要的作用。
(7)强大的检错功能
PSD-BPA潮流程序包含900多种错误信息检查功能,能够及时的找出错误,并显示出错误信息,以便于广大电力用户能够及时的发现和处理系统故障。
2.2.3程序的基本特点
PSD-BPA潮流程序的基本特点如下:
(1)简洁而直观的程序编制界面,使人有一种舒心的感觉。
(2)输入数据格式简单,除了位置需要对应之外,并无其它特殊的要求,对于刚开始学习电网无功优化的初学者来说提供能够了很大的方便。
(3)输出详细而简洁的结果列表,对于工程技术人员进行最优潮流的求解和电网的优化分析以及近期规划具有不可替代的作用。
(4)在编制潮流程序时,为了使我们的程序让别人能够更好地理解,我们通常需要加注释语句,这对刚开始学习潮流程序的人士来说具有非常重要的作用。
而PSD-BPA潮流程序提供了良好的注释语句添加功能,对于编制潮流程序提供了很大的方便。
2.3PSD-BPA潮流程序输入、输出数据的说明及注意事项
2.3.1输入数据的说明及注意事项
(1)在输入原始数据之前,我们必须对原始数据进行处理,以获得进行潮流计算所需要的数据文件。
(2)在输入处理过的数据文件之前,我们需要先输入潮流程序的控制语句,以使我们编制的潮流程序能够正常的运行。
(3)在输入B卡、L卡和T卡数据之前,我们最好先用注释语句说明一下,以便于以后我们对程序的检错和相关网络数据的修改和处理。
(4)输入数据完成以后,在程序的最后我们一定要加上“END”语句,以表示程序结束,使程序能够正常的运行。
2.3.2输出数据的说明及注意事项
(1)在经过处理的原始数据输入完成之后,我们开始运行程序,如果有错误存在,我们可以在PSD-BPA的结果输出界面查看可能存在的错误,不断的进行修改网络数据,直到我们编织的潮流程序收敛为止。
(2)通常我们设定潮流程序的最大迭代次数为30次,所以如果程序在迭代30次之后还没有收敛,那么我们就应该查找我们程序中仍然存在的隐藏的错误。
但是,还有一点需要说明,虽然我们的程序可能在迭代10次以后仍然显示收敛,但是我们通常认为迭代次数超过10次程序就不在收敛了,这个问题应该引起大家的注意。
(3)在输出结果收敛以后,我们开始画地理接线线图,通过地理接线图,我们查看是否有功率倒流和电压越限的情况存在,如果有这种情况的出现,我们就要试着调整发电机的有功和无功出力,以使系统处于最优运行状态。
2.4PSD-BPA潮流程序的常见节点及控制语句
2.4.1程序的常见节点
(1)无源节点
无源节点是指注入有功功率和无功功率均为0的节点,通常填入B卡。
表31表示无源节点输入数据的格式:
表31无源节点输入数据的格式
1
714
1518
1920
B
节点号
基准电压
分区名
(2)一般的PQ节点
一般的PQ节点是指发电机节点和负荷节点,通常填入B卡。
下表2表示一般PQ节点输入数据的格式:
表5一般PQ节点输入数据的格式
1
714
1518
1920
2125
2630
3134
3538
B
节点号
基准电压
分区名
有功负荷
无功负荷
并联电抗器
(3)发电机节点
发电机节点是指网络中发电机所处位置代表的节点类型,通常填入B卡。
表32表示发电机节点输入数据的格式:
表32发电机节点输入数据的格式
1
714
1518
1920
3942
4347
4852
5357
B
节点号
基准电压
分区名
Pmax
(MW)
出力P
Qmax
(MVAR)
Qmin
(4)一般的PV节点
一般我们把电厂的相关节点设为PV节点,通常填入BE卡,即BQ卡。
表33表示一般的PV节点输入数据的格式:
表33一般的PV节点输入数据的格式
12
714
1518
1920
3942
4347
4852
5357
5861
BE
节点号
基准电压
分区名
Pmax
(MW)
出力P
Qmax
(MVAR)
Qmin
V(标幺值)
(5)
节点
节点是指系统中的平衡节点,每个系统必须有一个平衡节点且只有一个平衡节点,平衡节点的作用在于平衡系统的有功和无功功率,以使系统处于良好的运行状态,通常填入BS卡。
表34表示
节点输入数据的格式:
表34
节点就输入数据的格式
12
714
1518
1920
3942
4852
5357
5861
6265
BS
节点号
基准电压
分区名
Pmax
(MW)
Qmax
(MVAR)
Qmin
V(标幺值)
(角度)
2.4.2程序的常用控制语句
(1)潮流文件开始控制语句:
“(POWERFLOW,CASEID=方式名,PROJECT=工程名)”。
(2)计算方法和最大迭代次数控制语句:
“/SOL_ITER,DECOUPLED=PQ法次数,NEWTON=牛拉法次数\”。
(3)计算结果输出控制语句:
“/P_OUTPUT_LIST,…\”。
(4)计算结果输出顺序控制语句:
“/RPT_SORT=…\”。
(5)计算结果分析列表控制语句:
“/P_ANALYSIS,LEVEL=?
\”。
(6)潮流计算结果二进制文件名控制语句:
“/NEW_BASE,FILE=文件名\”。
(7)潮流图和地理接线图结果文件控制语句:
“/PF_MAP,FILE=文件名\”。
(8)网络数据控制语句:
“/NETWORK_DATA\”。
(9)潮流文件结束控制语句:
“(END)”。
(10)修改网络数据的控制语句:
“/CHANGES,FILE=*\”.
当取“FILE=*”或略去该项时,修改记录必须紧跟在该语句后输入。
当取“FILE=(文件名)”时,将所有记录装入一个文件,由该语句去调用。
这一语句在作业联算(用NEXTCASE语句)和合并网络等计算中特别有用。
2.5PSD-BPA潮流程序网络数据的修改
PSD-BPA潮流程序网络数据的修改是指在网络原有数据的基础上,对部分节点或者线路的相关参数进行一定的修正,以求能够得到更为合理网络潮流分布。
对网路数据的修改通常包括以下情况:
(1)增加新的数据:
修改码=空白。
(2)删除数据:
修改码=D。
(3)修正数据:
修改码=M。
(4)恢复数据:
修改码=R。
算例:
(POWERFLOW,CASEID=IEEE91,PROJECT=IEEE_9BUS_TEST_SYSTEM)
/OLD_BASE,FILE=IEEE90.BSE\
上句为指定老库文件
/P_INPUT_LIST,ZONES=ALL\
/P_OUTPUT_LIST,ZONES=ALL\
/CHANGES\
B节点1230.01
L节点1230.母线1230.0.001
上两句为增加节点线路
BM母线A230.0150.
LM母线A230.母线B230.0.00
上两句为修改参数
(NEXTCASE,CASEID=IEEE92,PROJECT=IEEE_9BUS_TEST_SYSTEM)
上句为进行下一个作业
/P_INPUT_LIST,ZONES=ALL\
/P_OUTPUT_LIST,ZONES=ALL\
/CHANGES\
BD节点1230.
上句为删除节点
(NEXTCASE,CASEID=IEEE93,PROJECT=IEEE_9BUS_TEST_SYSTEM)
上句为进行下一个作业
/P_INPUT_LIST,ZONES=ALL\
/P_OUTPUT_LIST,ZONES=ALL\
/CHANGES\
BR节点1230.
上句为恢复节点数据
(END)
上句为潮流程序结束语句
在本实例中,我们首先指定一个老库文件,然后在此文件的基础上进行了一下工作:
首先我们增加了一个节点“节点1230.”和节点1与网络相连的线路;将节点“母线A230.”的并联无功负荷改为50Mvar;将线路“母线A230.母线B230.”的电阻改为0。
接下来,我们使用NEXTCASE语句指示下一个新作业的开始,即删除前一个部分中新增的节点,删除节点的同时程序自动将与之相连的线路。
最后,我们继续使用NEXTCASE语句开始另外一个新的作业;恢复前一个作业中删除的节点。
在本算例中,我们相当于进行了3个潮流的计算,最终的输出结果也是3组结果。
2.6PSD-Clique地理接线图简介
PSD-Clique地理接线图是为了方便检查我们所编制的潮流程序是否正确以及以形象而直观的图形来展示我们所编制的潮流程序的功率流向和电压质量是否满足要求而设计的,对于我们程序的调试和改错具有不可替代的作用,在实际的应用中得到了广泛的认可与赞同。
2.6.1PSD-Clique地理接线图的特点
(1)应用程序界面简洁而直观,操作方便、灵活、图形编辑能力较强、输入输出功能较全。
(2)不同节点用不同的符号表示,画面简洁、明了;图形输出结果比较直观。
(3)在打开地理接线图的同时只要对源文件进行扫描,软件就会自动将所要绘制的图形的相关数据自动装入,极大地方便了用户。
(4)可以利用地理接线图显示网络潮流和各个节点的相关数据,比如:
站数据、节点电压等等。
2.6.2PSD-Clique地理接线图输入输出相关文件
*.dat:
潮流计算数据文件
*.map:
潮流图的潮流计算二进制结果文件
*.dxt:
地理接线图格式潮流图存储文件
1.2以后的版本程序只需要装入潮流计算数据文件名即可,由专用控制语句自动提取*.map文件。
2.6.3PSD-Clique地理接线图相关注意事项
(1)装入结果文件
装入结果文件(*.MAP),如果该文件不存在,则自动取用存储在*.DXT文
件中的上次MAP文件对应的潮流结果。
(2)加入节点
在加入节点时,我们首先应该讲与此节点有关的数据全部加入,其次,我们应该选择正确的节点类型,因为只有在节点类型正确的情况下,我们的潮流流向才能正确。
(3)变压器中性点的处理
对于变压器的中性点,我们要视情况而定,有时需要加入相关数据,有时可以不加入相关的数据。
2.7利用PSD-BPA进行无功优化分析的步骤
潮流计算是电力网络设计及运行中最基本的计算。
通过给定电网结构、参数、发电机、负荷等元件的运行条件进行潮流计算,可以得到系统的各母线电压、线路潮流分布及功率损耗等结果。
根据计算结果,可以检查系统中各元件是否过负荷,各节点电压是否满足运行要求,功率分布及功率损耗是否合理,并为精确短路计算及稳定计算提供初值等。
接下来,我们给出利用PSD-BPA进行电网无功优化分析的步骤,并对其中的某些步骤做一定的说明,希望能对学习PSD-BPA软件的工作人员提供一定的方便。
2.7.1建立基础数据库
进行潮流计算,首先需要收集、整理电网基础数据,以便建立PSD-BPA潮流计算文件。
下面3个表格列出了潮流计算的核心基础数据库。
表35电厂基础数据表
名称
(kV)
(kV)
机组/主变编号
装变容量(MW/MVA)
%或
厂用负荷P+jQ
机组
A电厂
15
220
#1
130
16.6
10+j6
0.88
表36变电站基础数据表
名
称
主变编号
容量
(MVA)
阻抗值
无功
配置(kW)
(kW)
(kW))
%
B站
#1
180
13
30
20
4
800
170
778
0.9
表37线路基础数据表
电压
(kV)
线路
名称
导线
规格
长度
(km)
基础参数
R(
)
X(
)
B(
)
220
C线路
LGJQ-630
2
8
0.023
.031
3.765
这些数据有些可以从设备的铭牌得到,有些需要从运行部门的运行数据中得到。
收集完这些数据后,我们需要将其转化为标幺值才能参与运算。
2.7.2确定计算原则
(1)计算水平年及运行方式
可以选择现状年份或规划年份作为计算水平年。
工程计算中一般选择规划中的某个年份进行计算。
对有代表性的:
正常最大、最小运行方式及检修运行方式和事故运行方式的设计水平年进行潮流计算。
(2)计算网络
确定计算用的网络拓扑结构,我们可以使用现状年份的实际电力网络为计算对象,也可以采用规划年份的电力网络为计算对象;一般情况下,我们以规划年份的电力网络为计算对象。
(3)计算节点类型
潮流计算中,系统的节点因给定变量的不同而分为三类:
第一类称PQ节点。
其注入给定有功功率P、无功功率Q,待求电压幅值V和相角
。
所以只需填写P和Q。
属于这一类节点的有已知有功、无功功率发电的发电厂母线和没有电源的变电站母线。
第二类称PV节点。
给定注入功率P和电压幅值V,无功功率Q和电压相角
为待求量。
所以需填写P和V。
备有无功储备的发电厂和有无功电源的变
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