第一章 电力系统潮流计算的概述

摘要潮流计算是电力系统的各种计算的基础，同时它又是研究电力系统的一项重要分析功能，是进行故障计算，继电保护鉴定，安全分析的工具。电力系统潮流计算是计算系统动态稳定和静态稳定的基础。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用电力系统潮流计算来定量的比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性。潮流计算的目的在于:确定是电力系统的运行方式；检查系统中的各元件是否过压或过载；为电力系统继电保护的整定提供依据；为电力系统的稳定计算提供初值，为电力系统规划和经济运行提供分析的基础。因此，电力系统潮流计算是电力系统中一项最基本的计算，既具有一定的独立性，又是研究其他问题的基础。传统的潮流计算程序缺乏图形用户界面，结果显示不直观，难于与其他分析功能集成。本文以潮流计算软件的开发设计为重点,在数学模型与计算方法的基础上，利用MATELAB语言进行软件编写，和进行了数据测试工作，结果较为准确，收敛效果较好，并且程序设计方法是结构化程序设计方法，该方法基于功能分解，把整个软件工程看作是一个个对象的组合，由于对某个特定问题域来说，该对象组成基本不变，因此，这种基于对象分解方法设计的软件结构上比较稳定，易于维护和扩充。设计主要采用牛顿-拉扶逊法为算法背景。本软件的主要特点是:（1）操作简单;（2）图形界面直观;（3）运行稳定.计算准确;关键词：潮流计算；牛顿-拉扶逊法；MATLAB;第一章电力系统潮流计算的概述1.1电力系统叙述电力工业发展初期，电能是直接在用户附近的发电站（或称发电厂）中生产的，各发电站孤立运行。随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加，而热能资源（如煤田）和水能资源丰富的地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，为了解决这个矛盾，就需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力用户。同时，为了提高供电可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。这种由发电机、升压和降压变电所，送电线路以及用电设备有机连接起来的整体，即称为电力系统。电力系统加上发电机的原动机（如汽轮机、水轮机），原动机的动能部分（如热力锅炉、水库、原子能电站的反应堆）、供热和用热设备，则称为动力系统。在电力系统运行方式管理中，潮流是确定电网运行方式的基本出发点：在规划领域，需要进行潮流分析验证规划方案的合理性：在实时运行环境，调度员潮流提供了电网在预想操作情况下电网的潮流分布以校验运行可靠性。在电力系统调度运行的多个领域都涉及到电网潮流计算。潮流是确定电力网络运行状态的基本因素，潮流问题是研究电力系统稳态问题的基础和前提。1.2配电网潮流计算研究的目的及意义由于我国经济的飞速发展以及人民生活水平的不断提高,电力的供应和需求己遍及到社会生产、人民生活的各个层面,社会对电力的需求量在日益增加。同时,产业结构的调整,电力市场的逐步形成以及电价机制的完善,也对电网的经济性和可靠性提出了更高的要求。在现代电力系统中,大型的发电厂通常远离负荷中心,发电厂输送的电能,一般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心,然后在负荷中心由电压等级较低的网络把电能分送到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起分配电能作用的网络称为配电网络。配电网按所在的地域或服务对象划分,由城市配电网和农村配电网两部分组成。向一个城市及其郊区分配和供应电能的电力网叫城市配电网。城市配电网连同为其提供电源的输电线路及变电所,统称为城市电力网,简称城网。供应县(县级市)范围内的农村、乡镇、县城用电的电力网,叫做农村配电网,简称农网。配电网按电压等级分,有高压配电网(35一11OKv)、中压配电网(6一loKv)和低压配电网(220一38ov)。城网可分为220KV的配电网,35Kv的高压配电网,IOKv中压配电网和380/220v低压配电网(王明俊等,1998)。配电网络通常包括配电变电站、一次配电线路、二次配电线路、配电变压器、继电保护设施等,是连接发、输电系统与用户的重要环节。城市配电网是城市现代化建设的重要基础设施之一,是现代化城市必不可少的电能供应系统。其建设的好坏直接影响到城市经济的发展的快慢、人民生活水平的提高、投资环境的优化等。当前,国家对电力系统改革工作非常重视,在电力工业中引入竞争机制,并且开展电力市场建设。对配电网问题进行研究,大幅度提高供电质量和可靠性,对提高电力公司的经济效益与竞争力、降低电网电能损耗、节约能源具有重大的现实意义。随着我国经济的全面发展,中低压配电网供电可靠性低、发展落后的问题日渐突出。城市中低压配电网在城市电力销售中占据了大部分市场,但其发展滞后,不再适应城市的需求,因此成为客户抱怨的主要对象。这些问题主要表现为:一是电网停电次数太多;二是停电时间长;三是报装时间长;四是电压不稳定。为了解决以上的配电网问题,必然要求及时、准确的配电网潮流分析结果,当然这就需要更加高效、可靠的潮流计算、分析方法。配电网络常规潮流计算的是根据己知的网络结构及运行条件,求出整个网络的运行状态,其中包括各母线的电压、网络中的功率分布及功率损耗等等。潮流计算是电力系统分析中最基本的重要的计算,是电力系统运行、规划以及安全性、可靠性分析和优化的基础,也是各种电磁暂态和机电暂态分析的基础和出发点。随着系统网络结构日趋复杂和完善,潮流计算作为电力网络分析的基本计算之一,也在不断的得到改进和提高。1.3配电网潮流计算研究的发展概况配电网在结构和参数方面都与高压输电网有很大不同,具体体现在以下几点:在结构方面,配电系统多采用闭环式网络结构,开环运行;在参数方面侧X比值较大;在负载方面,配电负荷存在严重的三相不对称。这些特点决定了配电网的潮流计算和输电网的潮流计算不尽相同。随着科学技术和电力系统的发展,配电网的潮流计算的研究大致经历了三个阶段的发展;手算阶段、对称潮流计算阶段和三相潮流计算阶段。尽管对电力系统潮流的研究早在六十年代就已经开始,但由于配电系统在电力工业中没有得到充分的重视,直到七十年代末以前,配电网的潮流计算仍处于手算阶段。这个阶段的潮流计算为前推回代法,该方法即:假设全网的节点电压初始值为额定电压,从末端向首端逆潮流方向计算支路功率,再由首端向末端顺潮流方向计算各节点电压。这种方法原理简单,计算量小,不存在收敛问题,但仅适用于单电源开式网,此外对大型网络不容易程序化。从八十年代初到九十年代中期,对着电力工业的发展,人们开始重视配电系统的线损计算和规划问题等,潮流计算作为基础也受到重视,人们开始研究配电潮流的计算机算法,在这个阶段潮流方法的研究主要是针对对称负载(李光琦,1998)。出现了众多针对配电网特殊网络结构的对称潮流算法。此类算法大致可以分为两类,第一类是将输电网的计算方法做了改进应用于配电网,如隐式高斯法,第二类是基于前推回代法的计算机算法,如功率分布系数法,二次设压法等。隐式高斯法是1991年T.H.Chen.M.s.Chen等提出的,该方法根据网络结构形成节点导纳矩阵,节点电压是通过利用叠加原理分别计算电源和负荷单独作用在各节点产生的电压叠加求得。该方法原理简单,程序设计比较容易,可以根据配电网结构的变化,形成新的节点导纳矩阵,而且导纳矩阵是一个对称且高度稀疏的矩阵,占用内存非常节省。但是收敛速度较慢,迭代次数将随着所计算网络节点数的增加而上升,从而导致了计算量的急剧增加。因而该方法只适用于节点数较少的配电网。前推回代法的计算机算法的原理和手算法基本相同,是以支路网损为状态量的典型算法。此类算法研究的关键问题是如何利用配电网结构特点生成网络矩阵,使得网络矩阵不仅在电网计算时节约内存,提高计算速度,而且当网络结构变化时容易修改。目前存在着两种网络矩阵的形成方法,一种是节点支路关联矩阵法,该方法采用手工编号的方法,建立了节点和支路的关联矩阵,清楚简单,但是占用内存大,不易跟踪网络变化,另一种是计算序列法,该方法根据网络的拓扑信息自动生成网络的计算序列,占用内存小,容易跟踪网络结构的变化。在用数字计算机解电力系统潮流计算问题的开始阶段，普遍采取以节点导纳矩阵为基础的前推回代法。这个方法的原理比较简单，要求的数字计算机内存量比较小，适应70年代电子计算机制造水平和当时电力系统理论水平。但它的收敛性较差，当系统规模变大时迭代次数急剧上升，在计算中往往出现迭代不收敛的情况。这就迫使电子系统计算人员转向以阻抗矩阵为基础的迭代法。阻抗法改善了系统潮流计算问题的收敛性，解决了导纳法无法求解的一些系统的潮流计算，在80年代获得广泛的应用。阻抗法的主要缺点是占用计算机内存大，每次迭代的计算量大。当系统不断扩大时，这些缺点就更加突出。为了克服阻抗法的内存和速度方面的缺点，80年代中期发展了以阻抗矩阵为基础的分块阻抗法。这个方法把一个大系统分割为几个小的地区系统，在计算机内只需要存储各个地方系统的阻抗矩阵以及它们之间联络线的阻抗，这样不仅大幅度地节省了内存容量，同时也提高了计算速度。克服阻抗法缺点的另一途径是采用牛顿-拉夫逊法。这是数学中解决非线性方程式的典型方法，有较好的收敛性。在解决电力系统潮流计算问题时，是以导纳矩阵为基础的，因此，只要我们能在迭代过程中尽可能保持方程式系数矩阵的稀疏性，就可以大大提高牛顿法潮流程序的效率。自从80年代中期，在牛顿法中利用了最佳顺序消去法以后，牛顿法在收敛性、内存要求、速度方面都超过了阻抗法，成为当代末期以后广泛采用的优秀方法。第二章潮流计算原理2.1潮流计算简介2.1.1潮流计算的任务电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行的一种计算。它的任务是在给定的电力系统运行条件下，计算电力系统的运行状态。电力系统运行条件是指电力系统各母线的负荷功率，发电机的功率，某些母线保持的电压值等。运行状态是指电力系统各母线的电压幅值和相角。电力系统运行状态一经确定，便可以计算出电力网络中功率分布和网损。2.1.2潮流计算的发展史最初，电力系统潮流计算是通过人工手算的。后来为了适应电力系统日益发展的需要，采用了交流计算台。随着电子数字计算机的出现，1956年Ward等人编制了实际可行的计算机潮流计算程序。这样，就为日趋复杂的大规模电力系统提供了极其有力的计算手段。经过几十年的时间，电力系统潮流计算已经发展得十分成熟。电力系统潮流计算形式分为离线计算和在线计算两种。前者主要用于电力系统规划设计、安排系统的运行方式，后者则用于正在运行系统的实时监视和实时控制。在计算原理上离线和在线潮流计算是相同的，都要求满足以下几点：1)计算方法可靠，收敛性好；2)占用较少的计算机内存；3)计算速度高；4)用于界面良好，方便使用。2.1.3潮流计算的用途在下列各种情况下都需要进行电力系统潮流计算：1）对建成的电力系统来说，根据给定的运行条件和网络的结构形式确定整个网络的运行条件。例如，各节点上的电压，各元件中通过的功率，以及整个系统的功率损耗等等。根据计算结果，可以评定这一电力系统运行方式的合理性和经济性；2）在负荷增长或网络扩建的条件下，执行基本情况和预想事故的潮流计算，就能对所需扩建的装机容量和必要增添的输变电设备提供可行的依据，使之在保证供电可靠性的前提下，节省投资费用；3）此外，在计算电力系统的暂态稳定和静态稳定之前，也要利用潮流计算来确定系统的初始正常运行方式，用以确定电力系统在该运行条件下的抗干扰能力。所以，潮流计算是电力系统分析中使用最广泛、最基本和最重要的一项计算。电力系统复杂网络经简化后，都可能被视为两类简单网络——辐射形和环形网络的集合，它们的分析方法与一般集中参数交流网络的分析方法基本相同。辐射形网络中潮流分布的计算，本质上源于节电电压法——各节点电流（功率）与各节点电压的关系，具体则体现为由各节点的功率平衡决定网络中的潮流分布。环形网络中潮流分布的计算，直接运用了回路电流法——各回路电压与各回路电流（功率）的关系。在运用类似力学中力矩平衡关系式∑M=0，求得环形网络中的功率分点和流向分点的功率后，在功率分点将环网解开，就可运用计算辐射形网络的方法计算其潮流分布。运用电子计