毕业设计(论文)-应用电力系统可视化程序进行潮流和短路计算.doc
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1、1引言随着国民经济的持续稳定发展,我国电力系统的规模越来越庞大,其网络结构越来越复杂,输电线电压等级越来越高,电网运行方式的变化越来越频繁1,电力系统基础计算分析工作量越来越大,数据录入和计算结果显示要求越来越快速准确,电能质量的要求越来越高。为了应对这些新形势下的新问题,电力系统可视化技术应运而生。 电力系统可视化技术,是可视化技术与电力系统分析有机结合的产物。它指的是利用可视化技术,按照某种算法,将电力系统设备的各种属性、系统运行状态数据处理后,用图形或图像的方式直观显示出来的技术。其目的是使系统运行人员更方便、更明晰地了解当前系统的运行状态,以便采取更有效、更有针对性的运行控制措施。Po
2、wer World是美国伊利诺斯大学开发的电力系统可视化仿真软件包,它以潮流分析为核心,采用动画式多色彩的单线圈等可视化技术,模拟电力系统在给定时间内的运行状况,从而直观生动的阐述了电力系统运行的基本概念。本设计的目的在于熟练地掌握这一软件,验证其计算性能,对电力系统仿进行潮流计算和短路故障分析,将分析计算结果以可视化的形式直观地表现出来,为进一步的电力系统分析和设计提供基本依据。2电力系统分析仿真软件Power World介绍Power WorldV11.0版集电力系统潮流计算、灵敏度分析、静态安全分析、短路电流计算、经济调度EDC/AGC,最优潮流OPF、无功优化,GIS 功能、电压稳定分
3、析PV/QV、ATC计算、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体,并利用数据挖掘技术实现强大丰富的三维可视化显示技术。使用方便、功能强大、可视化程度相当高。在Power World可视化分析程序中,输电线路的投切、负荷调整、发电机的投退及各种功能切换以及联络线的建立等等,这一切只需点击鼠标就可完成。此外,图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在的问题和限制条件的理解.并且知道如何采取补救措施。 Power World提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。同样它可以可视化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化,以及因此产生的系统运行状况的变化。这项功能在解释例如电网扩建引起网络
4、结构变化等问题上十分有用。 Power World可视化分析程序还具有一体化的经济调度、联络线功率交换经济性分析、功率传输分配因子(PTDF)计算、短路计算和故障分析的强大功能,所有这一切都通过一个主界面来实现。2.1基本功能 Power World程序有2种重要的操作模式:编辑模式和运行模式。编辑模式用来创建新模型或修改己存在的工程示例;而运行模式则用来模拟演示实际系统,使用程序具有的各种先进的工具对所建立的电力系统模型进行各种可视化分析。 Power World的用户界面上各个菜单的功能如下:文件面板(File)可进行存盘、打印、读取等操作。编辑面板(Edit)包括一些工程编辑工具。插入面
5、板(Insert)按钮可在现有的单线图上添画新组元。格式面板(Format)可改变字体、颜色、线型、图形放大比例及其原件所属层次等。也可设定不同绘图参数的缺省值,并在必要时重设这些值。图像缩放面板中直接指定放大的尺寸,也可通过选定图中某一矩形区域来设定放大倍数。选项/信息栏(Options),可迅速查阅Power World可视化分析程序的有关信息和设置选项12。工具栏(Tools)提供母线运行信息浏览、全网潮流浏览和指定母线或线路潮流运行信息、静态安全分析、可用传输容量ATC计算、短路电流计算、各种灵敏度分析、电气岛分析、网损计算、功率传输分布因子计算10、强制潮流设置与计算、地理信息功能加
6、载(GIS)、制作影视剪接,负荷和出力调整等高级功能。仿真栏(Simulation)提供仿真所采用的各种算法,包括极坐标和直角坐标的牛顿拉夫逊法、快速解耦算法、单步法、交直流系统混合潮流计算、鲁棒性潮流加速计算、最优潮流计算、潮流计算启动终止设置和不收敛11的处理办法以及脚本文件的相关处理。 最优潮流(LP OPF)栏提供常规最优潮流计算、考虑各种运行约束和经济约束的最优潮流计算以及相关参与最优潮流的系统各种原件参数的设定和修改。电压安全性和稳定性分析工具(VSAT)12以内置的牛顿一拉夫逊法进行的潮流计算为基础,允许用户在某特定传输容量下求解多重潮流解,从而得到给定节点的PV或QV曲线。2.
7、2高级功能 除了上述各功能,Power World可视化分析程序还提供方便快捷的局部菜单,主要有限值监视设定、越限后文本区自动改变颜色、可视化显示内容和参数设定、全屏切换显示和分屏耦合显示、快速查找和定位、鹰眼漫游、负荷预测可视化13、考虑气候变化的系统运行状态分析、用户自定义界面、新的插入模板、母线颜色自动选择、动画率可调、饼图和线路颜色的协调等功能。另外还包括潮流计算收敛性加速算法设定、缺省绘图值功能、过滤选项14、常用表达的定义、移相器建模15、直流线路建模、在线帮助、系统数据导入导出、自动插入和外挂用户自编程序扩展标准接口等高级功能。 3潮流计算3.1潮流计算概述3.1.1潮流计算的含
8、义和意义电力系统潮流计算是电力系统最基本的计算,也是最重要的计算。潮流计算的含义是:在系统正常稳态运行时,已知运行方式、负荷、某些发电机的功率和某些节点电压,求解整个系统的电压和功率分布,包括各节点的电压大小和相位、各支路的电流及功率损耗和传输。潮流计算的用途:检查系统各元件是否过负荷16,检查各节点电压和支路电流是否满足要求或越限,计算功率损耗、判断功率的分布和分配是否合理。潮流计算的意义:它是现有电力系统运行分析和扩建、新系统规划设计、调整运行方式、选择电气设备和供电方案、继电保护17和自动装置定整计算18、系统安全性19和可靠性估计、电力系统故障计算和稳定计算等工作的基础。3.1.2潮流
9、计算的一般步骤建立电力系统数学模型,确定计算方法,制定计算流程20,编制计算程序。下面分别简要介绍各个步骤:1建立数学模型发电机组的模型很简单,以其有功功率和给定的端电压或无功功率表示。变压器模型有两种,形或形等值电路模型,等值变压器或形等值电路模型,它们分别用于手算和计算机计算。电力线路模型中以架空线路为重点,根据导线的型号和长度,计算线路的阻抗、导纳、电晕、临界电压,短线路模型为单一阻抗,中等长度线路为或型等值电路,长线路模型类似于中等长度线路模型。负荷模型以给定的有功功率和无功功率表示。一般来说,建模之后要进行参数的电压级归算和有名值转化为标幺值,这样使计算方便。2确定迭代计算方法电力系
10、统潮流计算问题在数学上是一组多元非线性节点电压方程式的求解问题,其解法关键在于迭代。因此,对潮流计算方法的要求可以归纳为以下几点:计算方法可靠地收敛;计算速度快、占用内存量小;计算方便灵活。潮流计算曾采用了各种不同的迭代方法,主要有高斯-塞德耳迭代法21、牛顿拉夫逊法22、P-Q分解法23。各种方法的特点如下:(1)高斯-塞德耳迭代法这个方法的原理比较简单,要求数字计算机内存量也比较小,适应当时电子数字计算机制造水平和当时电力系统的理论水平,但它的收敛性较差。当系统规模变大时,迭代次数急剧上升,往往出现迭代不收敛代的情况。(2)牛顿拉夫逊法牛顿拉夫逊法是数学中解决非线性方程式的典型方法,它在收
11、敛性、内存要求、速度方面都超过了阻抗法24成为只到目前仍在采用的优秀方法。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迭代法潮流程序的效率。(3) P-Q分解法此法派生于2极坐标表示的牛顿拉夫逊法,二者的主要区别在于修正方程和计算步骤。这个方法根据计及电力系统的特点,简化修正方程,虽然迭代次数较牛拉法多,但是每次迭代的时间减少,故在计算速度方面有了很大的提高,迅速得到推广。近20多年来,潮流问题算法的研究仍非常活跃,但大多数研究是围绕着改进牛顿法和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,
12、模糊算法25也逐渐引入潮流计算,但是,到目前为止这些新模型和新算法还不能取代牛顿法和P-Q法的地位,由于电力系统的不断扩大和对计算速度要求的不断提高,计算机的并行计算技术也引起一些研究人员的兴趣,今后会成为重要的研究领域。潮流计算的灵活性和方便性的要求,对数字计算机的应用也是一个很重要的问题。潮流程序的编制必须尽可能使计算机人员在计算机计算的过程中加强对计算机过程的监视和控制,并便于作各种修改和调整。电力系统潮流计算问题并不是单纯的计算问题,把它当作一个运行方式的调整问题可能更为确切。为了得到一个更为合理的运行方式,往往需要根据计算结果修改原始数据。在这个意义上,我们编制潮流计算程序时,对使用
13、的方便性和灵活性必须给与足够的重视。因此,除了要求计算方法尽可能适用各种修改,调整以外,还要注意输入和输出的方便性和灵活性,加强人机联系,做好界面,使计算机人员能及时监视计算过程并方便地控制计算的进行。3制定计算流程计算流程下文将以牛顿拉夫逊法为例进行详细介绍。4编制计算程序从略3.1.3利用功率分点解环网电力网络可以分为复杂网络和简单网络。复杂网络简化后,可能被视为两类简单网络辐射形和环形网络的集合,它们的分析方法和一般集总参数交流网络的分析计算方法基本相同。辐射形网络的潮流分布计算本质上源于节点电压法,具体体现为由各节点功率平衡觉得网络中的潮流分布。环形网络中潮流分布的计算直接运用回路电流
14、法,在求得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26,就可以运用计算辐射形网络的方法计算其潮流分布。网络中某些节点的功率是由两边向其流动的,这种节点称为功率分点。功率分点总是电网中电压最低的点,可在该点将环网解开,将环形网络看作为两个辐射形网络,由功率分点开始,分别从其两侧逐段向电源端推算电压降落和功率损耗,这时运用的计算公式与计算辐射形网络时完全相同。3.2牛顿拉夫逊法计算潮流3.2.1变量的分类变量有以下几个:负荷消耗的有功、无功,电源发出的有功、无功,母线或节点电压的大小和相位角、。其中负荷消耗的有功和无功功率无法控制,它们取决于用户,称为扰动变量或不可控变量。电源发出
15、的有功和无功功率是可控变量,称为控制变量。母线或节点电压的大小和相位是受控制变量控制的因变量,称为状态变量。3.2.2节点的分类电力系统的的节点一般分为以下三种类型:节点这类节点给出的参数是该点的有功率和无功率,待求量为该点的电压向量。通常将变电所母线作为节点。当某些发电厂的出力给定时,也作为节点。在潮流计算种,系统中大部分节点都属于这类节点。2节点这类节点给出的运行参数为该点的有功功率及电压幅值,待求量是该点的无功功率及电压向量的角度。这种节点在运行中往往要有一定可调节的无功电源,用于维持给定的电压值。因此,这种节点是系统中可以调节电压的母线。通常选择有一定无功功率储备的发电厂母线作为节点。
16、当变电所有无功补偿设备时,也可以作为节点处理。3平衡节点在潮流计算中这类节点一般在系统中只设一个。对这个节点,我们给定该点的电压幅值,并在计算中取该点电压向量的方向作为参考轴,相当与给定该点电压向量的角度为零。对平衡节点来说,待求量为该点的有功功率及无功功率,整个系统的功率平衡由这一点来完成。平衡节点一般选择在调频发电厂母线比较合理,但在计算时也可能按其它原则来选择。例如,为了提高导纳法潮流程序的收敛性,有时选择出线最多的发电厂母线作为平衡节点。以上3种节点的给定量和待求量不同,在潮流计算中处理的方法也不一样。3.2.3牛顿拉夫逊迭代法的数学原理牛顿法是解非线性方程式的有效方法。这种方法的思路
17、是:先对该方程组设定一组近似解,将自变量的精确解用其近似解加差值表示,即,并以差值为新的自变量,函数与其近似值的差称为不平衡量。然后把函数展开成差值的泰勒级数,略去泰勒级数中的高次项,得到线性化的方程组,对其移项整理,写成矩阵方程的形式,就得到所谓的修正方程。修正方程的形式是,不平衡量的列向量等于雅可比矩阵乘以差值列向量,即,用解线性方程组的方法解之,可得差值,即得到了新的一组近似解,这样就完成了第一次迭代。再将此组近似解作为新设定的近似解带回到原方程中,重复上面的过程,一次次地迭代下去,最终可以获得足够接近精确解的近似值。这种方法把非线性方程式的求解过城变为线性方程式的求解过程,即逐次线性化
18、的过程,这是牛顿法的核心。电压:实部及虚部,修正方程记为:即3.2.4节点导纳矩阵有个节点的电力系统导纳矩阵是一个阶矩阵,记作矩阵中主对角线上的元素具有两个相同的下标,称为节点的自导纳,也称输入导纳。物理概念上它相当于在等值网络的第个节点与地之间加上一个单位电压,而将其余节点全部接地时由节点流入网络的电流。用数学式表示为,实质上自导纳就是在的各节点全部接地时,节点的所有对地导纳之和。导纳矩阵中非对角元素称为互导纳。它的物理意义是在节点与地之间加上一单位电压,其余节点全部接地时,由节点注入网络的电流。其数学表达式为。实际上互导纳等于节点与节点之间的支路导纳的负值,即。节点导纳矩阵是一个对称的稀疏
19、矩阵,这是它的典型特点。3.2.5修正方程和雅可比矩阵牛顿-拉夫逊法的修正方程是:其中,雅可比矩阵为:,各元素的计算公式为:修正方程式还可写成更为简单的形式:雅可比矩阵具有以下特点:1各元素是各节点电压的函数,迭代过程中每迭代一次各节点电压都要变化,因而各元素每次也变化;2不是对称矩阵;3互导纳,与之对应的非对角元素亦为零,此外因非对角元素,故雅可比矩阵是稀疏的。3.2.6牛顿拉夫逊法迭代流程1形成节点导纳矩阵;2设置各节点代电压初始值,;3计算各节点功率及电压偏移量、;4求雅可比矩阵各元素;5解修正方程式,求出各节点电压的修正量、;6求解的电压初始值的一次迭代结果,其公式为:;7用新的初始值
20、代入修正方程,计算新的各节点功率及电压偏移量、;8检查计算是否已收敛,若电压趋近于真实解时,功率偏移量将趋于零。因而其收敛检验可以用下式进行:,其中,为预先给定的正小数。若不收敛返回到第4步重新迭代,若收敛则作下一步;9计算各支路中的功率分布及平衡节点功率,最后打印出计算结果。牛顿-拉夫逊法潮流计算流程如图3.1所示输入原始数据形成导纳矩阵给定节点电压初始值 、 V置迭代次数K=0用修正方程计算 , 检验收敛用各定义式计算雅可比矩阵各元素用修正方程求 , 计算 , 计算平衡节点功率,计算各支路功率打印结果结束k=k+1YN图3.1牛顿-拉夫逊法潮流计算流程4用Power World仿真潮流计算
21、4.1在Power World上建立电力系统模型建模过程如下:打开Power World,进入用户界面,选择编辑模式Edit Mode,在主菜单上依次点击File New Case,屏幕背景将变成白色。在Insert下拉菜单下,选择母线Bus,此时光标变成+形,在要放置母线处单击鼠标左键,弹出母线参数设置对话框,如图4.1所示,输入所需参数,确认后母线添加成功。图4.1母线参数设置对话框中然后再从Insert菜单中选择其他元器件并设置器件参数,如发电机、负荷、并联电容器、输电线路等,添加到图中,并用用输电线将各个元件和母线连接好,模型如下:图4.2电力系统仿真模型在各个元件旁边添加标注字,注明
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