电力系统暂态分析课程设计.doc

内蒙古科技大学电力系统稳态分析课程设计题 目：基于MATLAB的电力系统复杂潮流分析学生姓名：刘建峰学 号：专 业：电气工程及其自动化班 级：电气20232班指导教师：刘景霞摘要电力系统潮流计算是电网分析的基础应用，是对复杂电力系统正常和故障条件下稳态运营状态的计算。给定电力系统的网络结构、参数和决定电力系统运营状况的边界条件，拟定电力系统运营的方法之一是朝流计算。MATLAB是一种交互式、面向对象的程序设计语言，广泛应用于工业界与学术界，重要用于矩阵运算采用迭代法，通过建立矩阵的修正方程来依次迭代，逐步逼近真值来计算出电力网的电压，功率分布。PQ分解法是极坐标形式牛顿-拉潮流计算的一种简化计算方法，。PQ分解法通过对电力系统具体特点的分析，对牛顿法修正方程式的雅可比矩阵进行了有效的简化和改善。由于这些简化只涉及修正方程式的系数矩阵，并未改变节点功率平衡方程和收敛判据，因不会减少计算结果的精度。用手算和计算机算法对其进行设计。使用MATLAB软件进行编程，在很大限度上节省了内存，减少了计算量。通过对本题计算我们了解了一些工程计算和解决工程问题的方法。关键词：潮流计算，PQ分解法，MATLAB Electrical power system complex tidal current analysis based on MATLABPower Flow Analysis Grid computing is the basis of applications, the complex power system under normal and fault conditions for the calculation of steady state operation. Given the power system network structure, parameters and decisions operation of the power system boundary conditions, to determine the method of operation of the power system is one of North Korea flow calculation.MATLAB is an interactive, object-oriented programming language, widely used in industry and academia, mainly for matrix calculation. Using iteration, the amendment through the establishment of matrix iterative equation to turn, gradually moving towards a true value to calculate the voltage electricity grid, power distribution.PQ decomposition method is the form of polar coordinates Newton - the widening trend of a simplified calculation method. P-Q decomposition method adopted by the specific characteristics of the power system analysis, Newtons Law of the Jacobian matrix formula has effectively simplified and improved. As a result of these simplified formula that involves only the coefficient matrix, the balance of power has not changed node equations and the convergence criterion, because the results will not reduce the accuracy.Use MATLAB software programming, saving memory to a large extent, reduce the amount of computation. By this calculation we understand that a number of engineering calculation and solve engineering problemsKeywords : The trend, the PQ decomposition method, MATLAB目录内蒙古科技大学课程设计任务书5第一章 引言71.1 研究背景及意义71.2 潮流计算的意义81.3电力系统稳态分析潮流计算总结91.4 MATLAB的概述9第二章 理论计算112.1 P-Q法潮流计算的基本环节112.2 PQ分解法潮流计算流程图122.3 两机五节点网络潮流计算13第三章 程序设计183.1 设计流程1832 程序设计183.3 程序运营结果22第四章 设计感想44参考文献45内蒙古科技大学课程设计任务书课程名称电力系统稳态分析课程设计设计题目两机五节点网络潮流计算 P-Q法指导教师刘景霞时间1周一、教学规定电力系统稳态分析课程设计以设计和优化电力系统的潮流分析为重点，提高学生综合能力为目的，尽也许结合实际工程进行。设计内容的安排要充足考虑学校现有的设备，设计时间及工程实际需要，并使学生初步学会运用所学知识解决工程中的实际问题。二、设计资料及参数（一）设计原始资料1、待设计电气设备系统图2、电力系统网络各元件参数3、电力系统电气元件的使用规范4、电力工程电气设计手册（二）设计参考资料1、电力系统稳态分析，陈珩，中国电力出版社，2023，第三版2、电力系统分析，韩祯祥，浙江大学出版社，2023，第三版3、电力系统分析课程实际设计与综合实验，祝书萍，中国电力出版社，2023，第一版三、设计规定及成果1.根据给定的参数或工程具体规定，收集和查阅资料；学习相关软件（软件自选）。2.在给定的电力网络上画出等值电路图。3.运用计算机进行潮流计算。4.编写设计说明书。基本规定：1.编写潮流计算程序；2.在计算机上调试通过（？）；3.运营程序并计算出对的结果（？）；4.写出课程设计报告（涉及以下内容）（1份）（1）程序框图；（2）源程序；（3）符号说明表；（4）算例及计算结果5.编写计算说明书（1份）。四、进度安排根据给定的参数或工程具体规定，收集和查阅资料（半天）学习软件（MATLAB或C语言等）（一天半）编程计算复杂系统潮流计算（三天）编写计算设计书（一天）五、评分标准课程设计成绩评估依据涉及以下几点：1） 工作态度（占10%）；2） 基本技能的掌握限度（占20%）；3） 程序编写是否合理是否有运营结果(40%)；4） 课程设计说明书编写水平(占30%)。5） 分为优、良、中、合格、不合格五个等级。考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计报告第一章 引言1.1 研究背景及意义电力系统在运营时，在电源电势激励作用下，电流或功率从电源通过系统各元件流入负荷，分布于电力网各处，称为潮流分布。潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，即根据给定电力系统的网络结构和参数，在满足电力系统运营状态参数的边界条件情况下，拟定电力系统稳态运营状态的最基本的方法。它的任务是在给定的接线方式和运营条件下，拟定系统的运营状态，如各母线上的电压（幅值和相角）、网络中的功率分布及功率损耗等，是电力系统的稳态计算。潮流计算是对电力系统正常运营状况的分析和计算，即电力系统中的电压、电流、功率的计算，即潮流计算；潮流计算方法很多：高斯塞德尔法、牛顿拉夫逊法、P-Q分解法、直流潮流法，以及由高斯塞德尔法、牛顿拉夫逊法演变的各种潮流计算方法。潮流计算可以用传统的手工方式进行，也可以计算机为工具通过软件完毕。两种方法各有优缺陷。前者物理概念清楚，可用来计算一些接线较简朴的电力网，但若将其用于接线复杂的电力网则计算量过大，难于保证计算准确性。后者从数学上看可归结为用数值方法解非线性代数方程，数学逻辑简朴完整，借助计算机可快速精确地完毕计算，但其缺陷是物理概念不明显，物理规律被埋没在循环往复的数值求解过程中。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营中提出的各种问题。对规划中的电力系统，通过潮流计算可以检查所提出的电力系统规划方案能否满足各种运营方式的规定：对运营中的电力系统，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，系统中各元件（线路、变压器等）是否会出现过负荷，以及也许出现过负荷时应事先采用哪些防止措施等。因此潮流计算的目的是： 为电力系统规划设计提供接线、电气设备选择和导线截面选择的依据。 提供电力线运营方式和制定检修计划的依据。 提供继电保护、自动装置设计和整定计算的依据。 为调压计算、经济运营计算、短路和稳定计算提供必要的数据。潮流计算的研究是从20世纪50年代随着电网的产生而开始的，涌现出各种算法都是围绕着算法的可靠性或收敛性；对计算机内存量的规定和计算速度；计算的方便性和灵活性等。1.2 潮流计算的意义潮流计算是研究电力系统稳态运营情况的一种基本电气计算，常规潮流计算的任务是根据给定的运营条件和网路结构拟定整个系统的运营状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。通过潮流计算可以判断电网母线电压、支路电流和功率是否越限，假如有越限，就应采用措施，调整运营方式。对于正在规划的电力系统，通过潮流计算，可认为选择电网供电方案和电气设备提供依据。潮流计算还可认为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。具体表现在以下方面：(1)在电网规划阶段,通过潮流计算,合理规划电源容量及接入点,合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流互换控制、调峰、调相、调压的规定。(2)在编制年运营方式时,在预计负荷增长及新设备投运基础上,选择典型方式进行潮流计算,发现电网中薄弱环节,供调度员平常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改善网架结构,加快基建进度的建议。(3)正常检修及特殊运营方式下的潮流计算,用于日运营方式的编制,指导发电厂开机方式,有功、无功调整方案及负荷调整方案,满足线路、变压器热稳定规定及电压质量规定。(4)预想事故、设备退出运营对静态安全的影响分析及作出预想的运营方式调整方案。总结为在电力系统运营方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运营方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。同时，为了实时监控电力系统的运营状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。因此，潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。在系统规划设计和安排系统的运营方式时，采用离线潮流计算；在电力系统运营状态的实时监控中，则采用在线潮流计算。1.3电力系统稳态分析潮流计算总结潮流计算针对电力革统各正常运营方式，而静态安全分析则要研究各种运营方式下个别系统元件退出运营后系统的状况。其目的是校验系统是否能安全运营，即是否有过负荷的元件或电压过低的母线等。原则上讲，静态安全分析也可U用潮流计算来代替。但是一般静态安全分析需要校验的状态数非常多，用严格的潮流计算来分析这些状态往往计算量过大，因此不得不寻求一些特殊的算法以满足规定。运用电子数字计算机进行电力系统潮流计算从20 世纪50 年代中期就己开始，此后，潮流计算曾采用了各种不同的方法，这些方法的发展重要是围绕着对潮流计算的一些基本规定进行的，对潮流计算的规定可以归纳为下面几点：(1)计算方法的可靠性或收敛性(2)对计算速度和内存量的规定(3)计算的方便性和灵活性一般情况下，采用P-Q分解法计算时规定的迭代次数较采用牛顿-拉夫逊法时多，但每次迭代所需的时间则较采用牛顿-拉夫逊法时少，以致总的计算速度仍是P-Q分解法快。1.4 MATLAB的概述目前电子计算机已广泛应用于电力系统的分析计算，潮流计算是其基本应用软件之一。现有很多潮流计算方法。对潮流计算方法有五方面的规定：（1）计算速度快（2）内存需要少（3）计算结果有良好的可靠性和可信性（4）适应性好，亦即能解决变压器变比调整、系统元件的不同描述和与其它程序配合的能力强（5）简朴。 MATLAB是一种交互式、面向对象的程序设计语言，广泛的应用于工业界和学术界，重要用于矩阵运算，同时在数值分析、自动控制模拟、MATLAB程序设计语言结构完整，且具有优良的移植性，它的基本数据元素是不需要定义的数组。它可以高效地解决工业计算的问题，特别是关于矩阵和矢量的计算。MATLAB与C语言和FORTRAN语言相比更容易掌握。通过MATLAB语言，可以用类似数学公式的方式来编写算法，大大减少了程序所需的难度并节省了时间，从而可以把重要的精力集中在算法的构思而不是编程上。此外，MATLAB提供了一种特殊的工具：工具箱（TOOLBOXES）.这些工具箱重要涉及：信号解决（SIGNAL PROCESSING）、控制系统（CONTROL SYSTEMS）、神经网络（NEURAL NETWORKS）、模糊逻辑(FUZZY LOGIC)、小波(WAVELETS)和模拟（SIMULATION）等等。不同领域、不同层次的用户通过相应工具的学习和应用，可以方便地进行计算、分析及设计工作。 MATLAB设计中，原始数据的填写格式是很关键的一个环节，它与程序使用的方便性和灵活性有着直接的关系。原始数据输入格式的设计，重要应从使用的角度出发，原则是简朴明了，便于修改。第二章 理论计算2.1 P-Q法潮流计算的基本环节 运用P-Q分解法计算潮流分布时的基本环节是：（1） 形成系数矩阵B、B，并求其逆阵。（2） 设各节点电压的初值（i=1,2，n，is）和（i=1,2，m，is）。（3） 按式=-计算有功功率的不平衡量，从而求出（i=1，2，ns）。（4） 解修正方程式 ()=BU，求各节点电压相位角的变量（i=1,2，n，is）。（5） 求各节点电压相位角的新值=+（i=1,2，n，is）。（6） 按式=- 计算无功功率的不平衡量，从而求出（i=1,2，m，is）。（7） 解修正方程式()=BU（i=1,2，m，is）。（8） 求各节点电压大小的新值=+（i=1,2，m，is）。（9） 运用各节点电压的新值自第三步开始进入下一次迭代。（10） 计算平衡节点功率和线路功率。2.2 PQ分解法潮流计算流程图 启动输入原始数据形成节点导纳矩阵形成BB并求其逆阵计算 计算电压新值新值是否满足规定满足 停止置迭代次数k=0不满足k+12.3 两机五节点网络潮流计算系统接线图解： 1,.形成系数矩阵B、B并求他们的逆阵由于节点1为平衡节点，其他的节点均为PQ节点，系数矩阵，阶数相同。又应对该等值网络，不存在除去与有功功率和电压相位或无功功率和电压大小关系较小的因素的也许性，这两个矩阵B、B完全相同。他们就由导纳矩阵的虚部部分中除第一行第一列外的各个元素所组成，即Y=6.25-18.75j -5+15j -1.25+3.75j 0 0 -5+15j 10.834-32.5j -1.667+5j -1.667+5j -2.5+7.5j -1.25+3.75j -1.667+5j 12.917-38.75j -10+30j 0 0 -1.667+5j -10+30j 12.917-38.75j -1.25+3.75j0 -2.5+7.5j 0 -1.25+3.75j 3.75-11.25jB=B= -32.500 5.000 5.000 7.500 5.000 -38.750 30.000 0 5.000 30.000 -38.750 3.750 7.500 0 3.750 -11.250 由此可见，网络的节点导纳矩阵虽为奇异矩阵，但它的虚数部分的子阵B或B则是非奇异矩阵，可以求逆，其逆阵为= -0.056190 -0.041905 -0.44762 -0.052381 -0.041905 -0.099048 -0.087619 -0.057143 -0.044762 -0.087619 -0.105714 -0.065079 -0.052381 -0。057143 -0.065079 -0.145503 2.计算各节点有功功率的不平衡量 取=1.06，=0；=1.0；=0，按下式计算各节点有功功率不平衡量 =-=0.201.01.06（-5.000cos0+15.000sin0）1.01.0（10.384cos032.500sin0）1.01.0（-1.667cos0+5.000sin0）1.01.（-1.667cos0+5.000sin0）1.01.0(-2.500cos0+7.500sin0)=0.50000相似地可得 =-0.375000；=-0.400000；=-0.600000 3.计算各节点电压的相位角（弧度） 由方程式 ()=U可得=0.036952；=0.085524；=0.091810；=0.108571；所以=0.036952； =0.085524； =0.091810； =0.108571； 4.计算各节点无功功率不平衡量按下式计算各节点无功功率不平衡量 =-=0.201.01.065.00sin（-0.0369520）15.000cos（-0.0369520）1.01.010.834sin0+32.5cos01.01.0-1.667sin（-0.036952+0.085524）5.000cos（-0.036952+0.085524）1.01.0-1.667sin（0.036952+0,091810）5.000cos（-0,036952+0.091810）1.01.0-2.500sin（0.036952+0.108571）7.500cos（-0.036952+0.108571）=1.211930相似地可得 =0.077279； =0.191947； =0.319599； 5.计算各节点电压的大小 由方程式 ()=U可得=1.039528； =0.008050； =0.006386； =0.000072；所以=1.039528； =0.008050； =0.006386； =0.000072；求得各节点电压的新值后，就开始第二次迭代。每次迭代所得适于表1表3。由表1可见经6次迭代就可满足的规定。表1 迭代过程中各节点功率的不平衡量K0-0.5000001.211930-0.375000-0.0772790.400000-0.191947-0.600000-0.3195991-0.411720-0.1364970.0498020.0183000.0762480.0248490.1208990.04021820.0432230.014875-0.005899-0.001936-0.007856-0.002664-0.012588-0.0042653-0.004833-0.001658-0.0006500.0002150.0008720.0002950.0013760.00046640.0005370.000184-0.000072-0,000024-0.000096-0.000033-0.000150-0.0000515-0.000060-0.0000210.0000080.0000030.0000110.0000040.0000160.00000660.0000070.000000-0.0000010.000000-0.0000010.0000000-0.0000020.000000表2 迭代过程中各节点电压的修正量k0-0.0369520.039528-0.0855240.008050-0.0918100.006386-0.1085710.0000721-0.010063-0.0034060.0018280.0007570.0024610.0009410.0045970.00161820.0010540.000385-0.000230-0.000064-0.000285-0.000082-0.000484-0.0001493-0.000120-0.0000430.0000230.000006-0.0000280.0000080.0000490.00001540.0000130.000005-0.000002-0.000001-0.000003-0.000001-0.000005-0.0000025-0.000002-0.0000010.0000000.0000000.0000000.0000000.0000010.0000006表3 迭代过程中各节点电压k00.0000001.0000000.0000001.0000000.0000001.0000000.0000001.0000001-0.0369521.039528-0.0855241.008050-0.0918101.006386-0,1085711.0000722-0.0470161.036122-0.0836961.008808-0,0893481.007327-0,1039741.0016903-0.0459621.036507-0.0839261.008744-0.0896331.007245-0.1044581.0015404-0.0460821.036463-0.0839031.008750-0.0896051.007253-0.1044101.0015555-0.0460681.036468-0.0839061.008750-0.0896081.007252-0.1044151.0015546-0.0460701.036468-0,0839061.008750-0.0896081.007252-0.1044141.001554 =1.036468； =1.008750 =1.007252； =1.001554 6.计算平衡节点功率和线路功率 迭代收敛后，就可以计算平衡节点功率和线路功率。结果如下 =1.298162+j0.244472各线路功率如表4表4 各线路功率j i1234510.889505+j0.1386620.408657+j0.1058102-0.875079-j0.0953850.246884+j0.0814570.279319+j0.0806060.548870+j0.133213-0.395969-j0.067747-0.243108-j0.0701330.189079-j0.0121204-0.274598-j0.066445-0.188726+j0.0131780.063325+j0.0032675-0.536990-j0.097684-0.063008-j0.002316计算完毕。第三章 程序设计3.1 设计流程32 程序设计针对两机五节点网络潮流计算基于MATLAB的程序如下：Clc %清除当前屏幕上显示的内容，但并不清楚工作空间的数据Clear %清除工作空间内的所有变量disp(节点总数为：); %显示内容N=5 disp(平衡节点为：);1Y=input(请输入导纳矩阵：Y=);pr=input(请输入误差精度：pr=);G=real(Y);B=imag(Y); %real实部，image虚部B1=B(2:5, 2:5); %去掉平衡节点B2=B1; b1=inv(B1); %取逆b2=inv(B2);ure=input(请输入平衡节点1电压初值的实部，Re=);dim=input(请输入平衡节点1电压初值的虚部，Im=);for m=2:5dt(m)=0; %电压虚部初值u(m)=1.0; %电压实部初值endfor m=2:5p(m)=input(请输入PQ节点的有功功率：p=);q(m)=input(请输入PQ节点的无功功率：q=);endk=0;wucha=1; %迭代次数，while wucha(1)pr;u(1)=ure;dt(1)=dim; %平衡节点电压实部for m=2:5 %平衡节点电压虚部for n=1:5pt(n)=u(m)*u(n)*(G(m,n)*cos(dt(m)-dt(n)+B(m,n)*sin(dt(m)-dt(n); %enddisp(各节点有功率不平衡量为：) dp(m)=p(m)-sum(pt) %=-endfor m=2:5u1=diag(u); %对角矩阵u2=inv(u1(2:5,2:5); %取逆u3=flipud(rot90(u(2:5); %逆时针90上下对称u4=u3(1:5-1,:); dp1=flipud(rot90(dp(2:5); % ()=Udp2=dp1(1:5-1,:);dtt=(-b1*dp2/u4)*u2;dtt=dtt(:,1:1);dtt=flipud(rot90(dtt)disp(各节点电压的相位角dt为：) dt(m)=dt(m)+dtt(m-1)endfor m=2:5for n=1:5 qt(n)=u(m)*u(n)*(G(m,n)*sin(dt(m)-dt(n)-B(m,n)*cos(dt(m)-dt(n);end %disp(各节点无功率不平衡量为：)qq(m)=q(m)-sum(qt) % =-endfor m=2:5qq1=flipud(rot90(qq(2:5); qq2=qq1(1:5-1,:);ut=-b2*qq2/u4;disp( 各节点电压的修正量：) utdisp( 各节点电压的大小为：) u(m)=u(m)+ut(m-1) endfor n=1:5 U(n)=u(n)*(cos(dt(n)+j*sin(dt(n); %电压endfor n=1:5 I(n)=Y(1,n)*U(n);enddisp(各节点功率s为：)S1=U(1)*sum(conj(I) %电流for m=1:5 for n=1:5 S(m,n)=U(m)*(conj(U(m)-conj(U(n)*conj(-Y(m,n); %功率endenddisp(各节点功率sij为：)Swucha=max(abs(ut)k=k+1 %迭代+1end3.3 程序运营结果节点总数为：N = 5平衡节点为：ans = 1请输入导纳矩阵：Y=6.25-18.75i -5+15i -1.25+3.75i 0 0 -5+15i 10.834-32.5i -1.667+5i -1.667+5i -2.5+7.5i -1.25+3.75i -1.667+5i 12.917-38.75i -10+30i 0 0 -1.667+5i -10+30i 12.917-38.75i -1.25+3.75i0 -2.5+7.5i 0 -1.25+3.75i 3.75-11.25i请输入误差精度：pr=0.00001请输入平衡节点1电压初值的实部，Re=1.06请输入平衡节点1电压初值的虚部，Im=0请输入PQ节点的有功功率：p=0.2请输入PQ节点的无功功率：q=0.2请输入PQ节点的有功功率：p=-0.45请输入PQ节点的无功功率：q=-0.15请输入PQ节点的有功功率：p=-0.4请输入PQ节点的无功功率：q=-0.05请输入PQ节点的有功功率：p=-0.6请输入PQ节点的无功功率：q=-0.1各节点有功率不平衡量为：dp = 0 0.5000各节点有功率不平衡量为：dp = 0 0.5000 -0.3750各节点有功率不平衡量为：dp = 0 0.5000 -0.3750 -0.4000各节点有功率不平衡量为：dp = 0 0.5000 -0.3750 -0.4000 -0.6000dtt = -0.0370 -0.0855 -0.0918 -0.1086各节点电压的相位角dt为：dt = 0 -0.0370 0 0 0dtt = -0.0370 -0.0855 -0.0918 -0.1086各节点电压的相位角dt为：dt = 0 -0.0370 -0.0855 0 0dtt = -0.0370 -0.0855 -0.0918 -0.1086各节点电压的相位角dt为：dt = 0 -0.0370 -0.0855 -0.0918 0dtt = -0.0370 -0.0855 -0.0918 -0.1086各节点电压的相位角dt为：dt = 0 -0.0370 -0.0855 -0.0918 -0.1086各节点无功率不平衡量为：qq = 0 1.2119各节点无功率不平衡量为：qq = 0 1.2119 -0.0773各节点无功率不平衡量为：qq = 0 1.2119 -0.0773 -0.1919各节点无功率不平衡量为：qq = 0 1.2119 -0.0773 -0.1919 -0.3196各节点电压的修正量：u