基于PSCAD的电力系统稳态分析课程设计

摘要随着科技的发展，电力已经和人们的生活密切相关，而建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。电力系统稳态分析包括潮流分析和静态安全分析。潮流计算针对电力系统稳定的运行方式，而静态安全分析则要研究各种运行方式下个别系统元件退出运行后系统的状况。牛顿-拉夫逊法是数学中解决非线性方程式的典型方法，有较好的收敛性。解决电力系统潮流计算问题是以导纳矩阵为基础的，因此，只要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放率。本设计采用电力系统仿真软件pscad，可以直观地看出电力系统运行时的潮流分布，从而完成课程设计的要求。关键词：潮流计算；稳态分析；pscad目录摘要……………………………………………………………………………I1课题内容要求及目的………………………………………………………11.1课题要求………………………………………………………………………11.2课题内容………………………………………………………………………11.3课题目的………………………………………………………………………22牛顿拉夫逊法简介……………………………………………………………22.1牛顿拉夫逊法原理…………………………………………………………22.2潮流计算流程图……………………………………………………………33方案设计…………………………………………………………………………43.1方案概述………………………………………………………………………43.2课题设计图………………………………………………………………44系统调试与仿真………………………………………………………………54.1pscad简介……………………………………………………………………54.2仿真调试………………………………………………………………………65总结………………………………………………………………………………7参考文献…………………………………………………………………………8附录…………………………………………………………………………………91课题内容要求及目的1.1课题要求（1）熟悉PSCAD软件；（2）编写潮流计算流程图；（3）建立系统接线图的仿真过程；（4）得出仿真结果。1.2课题内容题目五：如图1.1所示，一个5节点系统，已知节点5为平衡节点，节点1为PV节点，其余为PQ节点。以MVA100为基准的标幺值支路数据由表1给出。20.01P，1.11V，15.045.02jS，05.040.03jS，10.060.04jS，005.15V，给定电压的初始值如表1.1所示，收敛系数00001.0。试求：~5S1233S2S~454S14Z1:k1S图1.15节点简单电力系统表1网络各元件参数的标幺值支路电阻电抗输电线路cy21变压器变比kcy1—20.060.180.020——1—30.050.160.020——1—40.040.12—1.05—1—50.020.060.025——2—30.010.040.010——2—50.080.240.025——3—40.080.240.025——1.3课题目的（1）掌握电力牛顿-拉夫逊法潮流计算的基本原理；（2）掌握并能熟练运用PSCAD软件；（3）通过课程设计,使学生巩固电力系统三相短路计算的基本原理与方法，掌握短路电流的数值求解方法(节点导纳矩阵，修正方程)，开发系统牛顿拉夫逊法的计算程序。让学生掌握用计算机仿真分析电力系统的方法。同时，通过软件开发，也有助于计算机操作能力和软件开发能力的提高。2牛顿拉夫逊法简介2.1牛顿拉夫逊法原理设r是f(x)=0的根，选取x0作为r初始近似值，过点（x0,f(x0)）做曲线y=f(x)的切线L，L的方程为y=f(x0)f'(x0)(x-x0)，求出L与x轴交点的横坐标x1=x0-f(x0)/f'(x0)，称x1为r的一次近似值。过点（x1,f(x1)）做曲线y=f(x)的切线，并求该切线与x轴的横坐标x2=x1-f(x1)/f'(x1)，称x2为r的二次近似值。重复以上过程，得r的近似值序列，其中x(n+1)=x(n)－f(x(n))/f'(x(n))，称为r的n+1次近似值，上式称为牛顿迭代公式。解非线性方程f(x)=0的牛顿法是把非线性方程线性化的一种近似方法。把f(x)在x0点附近展开成泰勒级数f(x)=f(x0)+(x－x0)f'(x0)+(x－x0)^2*f''(x0)/2!+…取其线性部分，作为非线性方程f(x)=0的近似方程，即泰勒展开的前两项，则有f(x0)+f'(x0)(x－x0)=f(x)=0，设f'(x0)≠0则其解为x1=x0－f(x0)/f'(x0)这样，得到牛顿法的一个迭代序列：x(n+1)=x(n)－f(x(n))/f'(x(n))。2.2潮流计算流程图节点i12345)0()0()0(iiijfeU1.0+j0.01.0+j0.01.0+j0.01.0+j0.01.05+j0.0参照《电力系统分析》一书的计算过程及原理，可以画出以下程序流程图。图2.1潮流计算流程图3方案设计输入原始数据形成节点导纳矩阵k0给定节点电压初值)0()0(,iife计算)(2)()(kikikiVQ，P及?,,max)(2)()(kikikiVQP计算雅可比矩阵各元素解修正方程求)()(,kikief)()()1()()()1(,kikikikikikifffeeek+1k计算平衡节点功率及全部线路功率是否输出3.1方案概述考虑到本次课程设计是基于电力系统仿真软件pscad，我们首先确定设计的大致框架，然后在对模块进行设计，其中包括系统的输出测量模块，对个母线上的电压、电流以及有功与无功进行测量，可以直观的看到各个量的变化曲线，在对题目所要求的参数进行修正，从而完成设计内容。3.2课题设计图根据课题要求得到课题设计图如图3.1所示。图3.1课题设计从上图可以看到整个模块的模型，各母线间的线路采用π型等值电路，以及用来采集各母线上信号的装置，这样潮流分布就能通过图表来观测。4系统调试与仿真4.1pscad简介DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。操作环境为：UNIXOS，Windows95，98，NT；Fortran编辑器；浏览器和TCP/IP协议。随着我国电力事业的发展，无论是理论研究还是现场工作,都广泛的用到了PSCAD。程序EMTDC（ElectroMagneticTransientinDCSystem）是目前世界上被广泛使用的一种电力系统仿真分析软件，它即可以研究交直流电力系统问题，又能完成电力电子仿真及其非线性控制的多功能（VersatileTool）工具。PSCAD（PowerSystemComputerAidedDesign）是EMTDC的前处理程序，用户在面板上可以构造电气连接图，输入各元件的参数值，运行时则通过FORTRAN编译器进行编译、连接，运行的结果可以随着程序运行的进度在PLOT中实时生成曲线，以检验运算结果是否合理，并能与MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律；另外EMTDC/PSCAD还可以广泛的应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及其电力电子仿真。软件还可以作为实时数字仿真器（RealTimeDigitalSimulator，RTDS）的前置端(FrontEnd)。此外，EMTDC/PSCAD还具有强大的自定义功能，用户可以根据自己的需要创建具有特定功能的装置。实时回放系统（RTP）是基于EMTDC/PSCAD软件的测试系统，它可以结合EMTDC/PSCAD计算产生的结果（信号）来测试继电保护系统、控制系统及监控系统。4.2仿真调试通过点击运行键可以得到如下图：图4.1母线上1、2上功率分布图从图4.1可以清楚的看到母线1、2上有功功率和无功功率的分布情况以及瞬时电压和相角的变化情况。图4.2母线上3、4上功率分布图从图4.2可以看到母线上的有功功率和无功功率开始时有波动，最后趋于稳定，波形近似一条直线。就整个仿真过程中而言，我们遇到了一些小小的问题，比如进行编译时提示有错误，我们通过错误提示找到问题所在，原来是测量装置的信号标签没有和图对应好，标签的命名也有一定要求，最后通过更改信号标签了，实现了仿真。还有就是有的看不到波形，最后通过改变纵横坐标的大小解决了这一问题。总的来说本次仿真基本符合要求。5总结我组的任务是用牛顿—拉夫逊法对五个节点的系统进行潮流计算。主要是进行设计图的设计。可以说，首先接到这种题目，要用pscad去进行电力系统仿真，我实在是不知从何下手，通过去图书馆借了一些有关pscad的书及到网上下一些资料来完成这些初步工作的。接下来就是画出一个设计图，然后根据一些资料进行修改。后来发现老是有错误，无法仿真，好在后来老师发来的参考资料才弄出来。不过做出来的时候却发现虽然能仿真出来但不清楚该怎么读图，好在看了一下参考书籍才弄清楚。总之这次课程设计收获蛮大的，对pscad软件有了初步了解，大致的仿真流程以及为满足系统要求，而不断做出修改，同时意识到pscad的博大精深，今后一定会进一步学习，在这个过程中，我也明白了只要用心去做，认真去做，持之以恒，就会有新的发现，有意外的收获。这为以后的电力系统暂态分析和毕业设计会有很大的帮助。参考文献[1]何仰赞.电力系统稳态分析[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.[2]电力系统计算[M].北京：水利电力出版社，1993.12[3]于永源，杨绮雯.电力系统分析[M].北京：中国电力出版社，2004.3[4]PSCAD实验指导书.致谢在论文完成之际，我要特别感谢老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。