电力系统潮流计算软件设计开题报告.doc

电信学院毕业设计开题报告
姓 名

专业
电气工程及其自动化
班级
电气六班
学 号

指导教师

题目类型
工程设计
题 目
电力系统潮流计算软件设计
一、选题背景及依据
1. 毕业设计的技术背景和设计依据：
毕业设计是大学里面最后一次也是最重要的一次和学科相关的设计.毕业设计能体现出大学四年来所学习的成果，可以很好的检验自己的水平。
电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种计算，它根据给定的运行条件及系统接线情况确定整个电力系统各部分的运行状态：各母线的电压，各元件中流过的功率,系统的功率损耗等等。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用潮流计算来定量的分析比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性。此外，电力系统潮流计算也是计算系统动态稳定和静态稳定的基础。所以潮流计算是研究电力系统的一种十分重要且基本的计算。
2. 课题意义
电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行的一项基本运算,它根据给定系统的网络结构及运行条件来确定整个系统的运行状态：主要是各节点电压（幅值和相角),网络中功率分布和功率损耗等状态。它既是对电力系统规划和运行方式的合理性、可靠性及经济性进行定量分析的依据又是电力系统稳态和暂态稳定计算的基础，是电力系统一种非常重要和基本的计算。
3. 选题的目的：
我之所以选择电力系统潮流计算软件设计作为我的毕业设计的题目,是因为我的专业方向选择的是电力系统及其自动化，而电力系统潮流分析计算在电力系统及其自动化里面有着极其重要的意义。
电力系统的潮流计算不仅仅是对电力系统规划和运行方式的合理性、经济型、技术性的定量分析的基础,还是对电力系统稳态分析和暂态分析的技术支持。因此，潮流计算是电力系统一种很基础但是很重要的计算。
具体表现如下：
（1）在电网规划的初级阶段,通过潮流的计算，可以合理规划电源容量的大小以及接入点，规划无功补偿，可以满足系统对调峰、调频、调相、最大以及最小运行方式的要求。
（2）在编制年运行方式时，通过对负荷增长的预测以及新电源投运的分析基础上，进行潮流计算，可以发现系统中的薄弱环节，可以提供给调度部门相关信息,以便对整个系统进行更合理的规划。
（3）在发电机检修等特殊情况下，通过潮流计算，编制日运行方式，便于调度部门对各电厂或者发电机组进行运行方式的调配,满足系统对电能的质量要求以及经济性等要求。
（4）对预想事故进行的计算，调度部门可以在发生事故后进行快速反应。
由上可总结为不管是在电力系统运行方式还是在规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。不仅如此，为了实时监控电力系统的运行状态，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、最重要而又最基本的一种电气运算。在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算；在电力系统运行状态的实时监控中，则采用在线潮流计算。
4. 电力系统潮流计算的发展
早期的电力系统因为其网络简单，对精度要求不高且限于当时的技术发展，当时电力系统潮流计算多采用手算。随着电力系统的发展，网络日益复杂，对精度的要求也越来越高，手算潮流已经不能满足需求,因此计算机软件计算就成为了主流.
5. 主要参考文献
［1] 陈衍等。电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2007.
[2］ 罗杰。基于MATLAB的牛顿拉夫逊法电力潮流计算与实现［D］.华东交通大学2010.
[3］ 张宁，张渭,韩勇等.基于MATLAB的电力系统的潮流计算[D］.西北水电2004第4期。
［4] 李有安等。基于MATLAB的电力系统潮流计算[D].山东农业大学学报2010—41（2）.
［5] 徐劲松,宁玉琳，杨永峰等。基于MATLAB的牛顿拉夫逊法电力潮流计算与实现［D].电气传动自动化2100年第二期第33卷第10页.
［6］ 华志朋。电力系统［M］. 重庆：重庆大学出版社,2005.
[7] 吴天明，MATLAB电力系统设计与分析第二版. [M]。北京：国防工业出版社，2007.
［8] 何仰赞,温增银. 电力系统分析上册［M］。武汉:华中科技大学出版社出版社，2001.
［9］ 何仰赞,温增银。 电力系统分析下册[M］。武汉：华中科技大学出版社，2001。
[10］ Goran Andersson。Modelling And Eletric Power System .[D]。2008.
[11]US Aarmy of Engineers Walla Walla District。Power System Analysis。［D］.1999。
二、主要设计（研究）内容、设计（研究）思想、解决的关键问题、拟采用的技术方案、设计（研究）工作步骤
1. 文献综述
利用电子计算机进行潮流计算从20世纪50年代中期就已经开始。此后，潮流计算曾采用了各种不同的方法，这些方法的发展主要是围绕着对潮流计算的一些基本要求进行的.对潮流计算的要求可以归纳为下面几点：
（1）算法的可靠性或收敛性
(2）计算速度和内存占用量
（3)计算的方便性和灵活性
电力系统潮流计算属于稳态分析范畴，不涉及系统元件的动态特性和过渡过程。因此其数学模型不包含微分方程，是一组高阶非线性方程。非线性代数方程组的解法离不开迭代，因此，潮流计算方法首先要求它是能可靠的收敛，并给出正确答案。随着电力系统规模的不断扩大，潮流问题的方程式阶数越来越高,目前已达到几千阶甚至上万阶，对这样规模的方程式并不是采用任何数学方法都能保证给出正确答案的。这种情况促使电力系统的研究人员不断寻求新的更可靠的计算方法.
在用数字计算机求解电力系统潮流问题的开始阶段，人们普遍采用以节点导纳矩阵为基础的高斯—赛德尔迭代法（一下简称导纳法）。这个方法的原理比较简单，要求的数字计算机的内存量也比较小，适应当时的电子数字计算机制作水平和电力系统理论水平，于是电力系统计算人员转向以阻抗矩阵为主的逐次代入法（以下简称阻抗法)。
阻抗法改善了电力系统潮流计算问题的收敛性，解决了导纳法无法解决的一些系统的潮流计算,在当时获得了广泛的应用，曾为我国电力系统设计、运行和研究作出了很大的贡献。但是，阻抗法的主要缺点就是占用计算机的内存很大，每次迭代的计算量很大。当系统不断扩大时，这些缺点就更加突出。为了克服阻抗法在内存和速度方面的缺点，后来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，在计算机内只需存储各个地区系统的阻抗矩阵及它们之间的联络线的阻抗，这样不仅大幅度的节省了内存容量,同时也提高了节省速度。
克服阻抗法缺点的另一途径是采用牛顿—拉夫逊法(以下简称牛顿法)。牛顿法是数学中求解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潮流程序的计算效率。自从20世纪60年代中期采用了最佳顺序消去法以后,牛顿法在收敛性、内存要求、计算速度方面都超过了阻抗法，成为直到目前仍被广泛采用的方法。
在牛顿法的基础上，根据电力系统的特点,抓住主要矛盾，对纯数学的牛顿法进行了改造，得到了P-Q分解法。P—Q分解法在计算速度方面有显著的提高，迅速得到了推广.
牛顿法的特点是将非线性方程线性化.20世纪70年代后期，有人提出采用更精确的模型，即将泰勒级数的高阶项也包括进来，希望以此提高算法的性能，这便产生了保留非线性的潮流算法。另外,为了解决病态潮流计算,出现了将潮流计算表示为一个无约束非线性规划问题的模型，即非线性规划潮流算法.
近20多年来，潮流算法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、模糊算法也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的应用,成为重要的研究领域.
2. 设计内容思想和解决问题的关键
(1）毕业设计的主要内容
根据设计的界面输入已知电力系统输入参数;自动计算出各输电线路潮流分布。
（2）设计实现的主要功能及解决的问题
根据所输入的节点数；支路数；平衡母线节点号;误差精度；支路参数形成的矩阵;节点参数形成的矩阵；节点号及其对地阻抗形成的矩阵自动计算出各线路潮流和平衡节点功率.本次设计实现了潮流计算的计算机算法,避免了人工算法的复杂繁琐及不准确.
(3）解决问题的关键
进行潮流计算，要熟悉各节点之间的关系，掌握MATLAB编程语言，了解相关的计算方法，进行仿真计算。
（4）设计采用的方案
1。 基本数据的计算
电压降的计算：
电压降纵分量:
电压降横分量：
则：
相位角：
为线路首端电压，为线路末端电压。
线路（元件）功率损耗:
如下图所示
图1 功率流向图
①手工计算法。
简单辐射网络计算，一般已知条件为已知始端电压、末端功率,求始端功率、末端电压（以此居多）;或已知末端电压、始端功率，求末端功率、始端电压。
求解方法总结为“一来、二去”共两步来逼近需求解的网络功率和电压分布.一来即：设所有未知电压节点的电压为线路额定电压，从已知功率端开始逐段求功率，直到推得已知电压点得功率；二去即：从已知电压点开始，用推得的功率和已知电压点的电压，往回逐段向未知电压点求电压。在计算中，上述过程一般只需要做一次。但当一次“来、去"完毕后，此电压与初始假设电压相差较大时，可再一次假设未知电压节点的电压值为刚刚计算得到的节点电压值，继续进行“来、去”计算,直到前后两次同一点的电压值相差不大。
②环形网络的计算.
环形网络可以在功率分点处将网络打开,使其成为双电源的辐射网络,便于计算。

图 2 环形网络
图3 等值两端供电网络的等值电路
在此公式下，实际上是采用了，所以有如下关系
2。本次设计采用牛顿拉夫逊法和PQ分解法分别进行计算，并且形成软件界面，方便使用。
牛顿型潮流计算的核心问题是修正方程式的建立和求解.为说明这一修正方程的建立过程，先对网络中各类节点的编号做如下规定：
（1） 网络中共有n个节点，编号为1，2，3，。。.,n，其中包含一个平衡节点s；
（2） 网络中共有（m-1)个PQ节点，编号为1，2，3，。..,m，其中包含编号为s的平衡节点；
（3） 网络中有(n—m）个PV节点，编号为m+1，m+2,.。.,n.
据此，在方程组
中共有2（n—1)个独立方程式.其中（1)式类型的有(n-1）个，包括平衡节点外所有几点有功功率的表示式，即i=1，2，...，n,i≠s；（2)式类型的有（m-1）个，包括所有PV节点无功功率的表示式,即i=1，2，...，n，i≠s;（3)式类型的有（n—1）—（m—1）=n—m个，包括所有PV节点电压的表示式，即i=m+1,m+2,..。，n.平衡节点s的功率和电压之所以不包括在这方程组内，是由于平衡节点的注入功率不可能事先给定，从而不可能列出相应的、的标识号，而平衡节点的电压，则不必求取.至此，可建立修正方程如下：
PQ分解法潮流计算时的修正方程是计及电力系统的特点后对牛顿拉夫逊法修正方程式的简化。为说明这一简化,可将牛顿拉夫逊法的修正方程重新排列如下：
或简写为:
重新排列的时不再留空行、空列。显然,这种重新排列并不影响修正方程式的内容。
对修正方程的第一个简化是：记及电力网络中各元件的电抗一般远大于电阻，以致各节点电压相位角的改变主要影响各元件中的有功功率潮流从而影响各界点的注入有功功率;各节点电压大小的改变主要影响各元件中的无功功率潮流从而各节点的注入无功功率,可将上式中的子阵N、J略去，而将修正方程简化为：
设计步骤：
第一步，建立电力系统模型；
第二部,输入系统参数，分别用牛顿拉夫逊法和PQ分解法进行计算；
第三步,进行潮流计算。
三、毕业设计（论文）工作进度安排
设 计 内 容
周数
给出任务书、查阅资料、开始初步设计
第4周
确定设计方案
第5周
掌握相关理论
第6周
掌握编程语言
第7周
绘制程序流程框图
第8周
编制牛顿—拉夫逊法潮流计算程序
第9周
程序调试与验算
第10周
绘制程序流程框图
第11周
编制PQ分解法潮流计算程序
第12周
程序调试与验算
第13周
程序调试与验算
第14周
全面审核
第15周
准备答辩
第16周

指 导
教 师
意 见
指导教师签字___________
年 月 日
院 系
毕 业
设 计
领 导
小 组
审 核
意 见
系主任___________ 教学院长___________
年 月 日 年 月 日