基于matlab的電力系統(tǒng)潮流計算開題報告

1、<p><b>　　1 文獻綜述</b></p><p><b>　　1.1課題意義</b></p><p>　　電力系統(tǒng)潮流計算是對復雜電力系統(tǒng)正常和故障條件下穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)的計算。其目的是求取電力系統(tǒng)在給定運行方式下的節(jié)點電壓和功率分布，用以檢查系統(tǒng)各元件是否過負荷、各點電壓是否滿足要求、功率分布和分配是否合理以及功率損耗等，是電力系

2、統(tǒng)計算分析中的一種最基本的計算[1]。</p><p>　　潮流計算是電力系統(tǒng)的各種計算的基礎(chǔ)，同時它又是研究電力系統(tǒng)的一項重要分析功能，是進行故障計算，繼電保護鑒定，安全分析的工具。電力系統(tǒng)潮流計算是計算系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。在電力系統(tǒng)規(guī)劃設計和現(xiàn)有電力系統(tǒng)運行方式的研究中，都需要利用電力系統(tǒng)潮流計算來定量的比較供電方案或運行方式的合理性、可靠性和經(jīng)濟性[1]。</p><p>

3、　　對于正在規(guī)劃的電力系統(tǒng)，通過潮流計算，可以為選擇電網(wǎng)供電方案和電氣設備提供依據(jù)。潮流計算還可以為繼電保護和自動裝置整定計算、電力系統(tǒng)故障計算和穩(wěn)定計算等提供原始數(shù)據(jù)。</p><p>　　潮流計算的目的在于:確定是電力系統(tǒng)的運行方式；檢查系統(tǒng)中的各元件是否過壓或過載；為電力系統(tǒng)繼電保護的整定提供依據(jù)；為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定計算提供初值，為電力系統(tǒng)規(guī)劃和經(jīng)濟運行提供分析的基礎(chǔ)。因此，電力系統(tǒng)潮流計算是電力系統(tǒng)中一項最

4、基本的計算，既具有一定的獨立性，又是研究其他問題的基礎(chǔ)[1]。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　利用電子計算機進行潮流計算從20世紀50年代中期就已經(jīng)開始。此后，潮流計算曾采用了各種不同的方法，這些方法的發(fā)展主要是圍繞著對潮流計算的一些基本要求進行的。對潮流計算的要求可以歸納為下面幾點： </p><p>　?。?）算法的可靠性或收斂

5、性 </p><p>　?。?）計算速度和內(nèi)存占用量 </p><p>　　（3）計算的方便性和靈活性 </p><p>　　電力系統(tǒng)潮流計算屬于穩(wěn)態(tài)分析范疇，不涉及系統(tǒng)元件的動態(tài)特性和過渡過程。因此其數(shù)學模型不包含微分方程，是一組高階非線性方程。非線性代數(shù)方程組的解法離不開迭代，因此，潮流計算方法首先要求它是能可靠的收斂，并給出正確答案。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大

6、，潮流問題的方程式階數(shù)越來越高，目前已達到幾千階甚至上萬階，對這樣規(guī)模的方程式并不是采用任何數(shù)學方法都能保證給出正確答案的。這種情況促使電力系統(tǒng)的研究人員不斷尋求新的更可靠的計算方法[2]。 </p><p>　　1.2.1 高斯-賽德爾迭代法</p><p>　　在用數(shù)字計算機求解電力系統(tǒng)潮流問題的開始階段，人們普遍采用以節(jié)點導納矩陣為基礎(chǔ)的高斯-賽德爾迭代法（一下簡稱導納法）。這個方法

7、的原理比較簡單，要求的數(shù)字計算機的內(nèi)存量也比較小，適應當時的電子數(shù)字計算機制作水平和電力系統(tǒng)理論水平，于是電力系統(tǒng)計算人員轉(zhuǎn)向以阻抗矩陣為主的逐次代入法（以下簡稱阻抗法）。 </p><p>　　20世紀60年代初，數(shù)字計算機已經(jīng)發(fā)展到第二代，計算機的內(nèi)存和計算速度發(fā)生了很大的飛躍，從而為阻抗法的采用創(chuàng)造了條件。阻抗矩陣是滿矩陣，阻抗法要求計算機儲存表征系統(tǒng)接線和參數(shù)的阻抗矩陣。這就需要較大的內(nèi)存量。而且阻抗法每

8、迭代一次都要求順次取阻抗矩陣中的每一個元素進行計算，因此，每次迭代的計算量很大[3]。 </p><p>　　阻抗法改善了電力系統(tǒng)潮流計算問題的收斂性，解決了導納法無法解決的一些系統(tǒng)的潮流計算，在當時獲得了廣泛的應用，曾為我國電力系統(tǒng)設計、運行和研究作出了很大的貢獻。但是，阻抗法的主要缺點就是占用計算機的內(nèi)存很大，每次迭代的計算量很大。當系統(tǒng)不斷擴大時，這些缺點就更加突出。為了克服阻抗法在內(nèi)存和速度方面的缺點，后

9、來發(fā)展了以阻抗矩陣為基礎(chǔ)的分塊阻抗法。這個方法把一個大系統(tǒng)分割為幾個小的地區(qū)系統(tǒng)，在計算機內(nèi)只需存儲各個地區(qū)系統(tǒng)的阻抗矩陣及它們之間的聯(lián)絡線的阻抗，這樣不僅大幅度的節(jié)省了內(nèi)存容量，同時也提高了計算速度[4]。</p><p>　　1.2.2 牛頓-拉夫遜法和P-Q分解法</p><p>　　克服阻抗法缺點的另一途徑是采用牛頓-拉夫遜法（以下簡稱牛拉法）。牛拉法是數(shù)學中求解非線性方程式的典型

10、方法，有較好的收斂性。解決電力系統(tǒng)潮流計算問題是以導納矩陣為基礎(chǔ)的，因此，只要在迭代過程中盡可能保持方程式系數(shù)矩陣的稀疏性，就可以大大提高牛頓潮流程序的計算效率。自從20世紀60年代中期采用了最佳順序消去法以后，牛拉法在收斂性、內(nèi)存要求、計算速度方面都超過了阻抗法，成為直到目前仍被廣泛采用的方法。 </p><p>　　在牛拉法的基礎(chǔ)上，根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，抓住主要矛盾，對純數(shù)學的牛拉法進行了改造，得到了P-Q分

11、解法。P-Q分解法在計算速度方面有顯著的提高，迅速得到了推廣[5]。 </p><p>　　牛拉法的特點是將非線性方程線性化。20世紀70年代后期，有人提出采用更精確的模型，即將泰勒級數(shù)的高階項也包括進來，希望以此提高算法的性能，這便產(chǎn)生了保留非線性的潮流算法。另外，為了解決病態(tài)潮流計算，出現(xiàn)了將潮流計算表示為一個無約束非線性規(guī)劃問題的模型，即非線性規(guī)劃潮流算法[6]。 </p><p>

12、　　近20多年來，潮流算法的研究仍然非?；钴S，但是大多數(shù)研究都是圍繞改進牛拉法和P-Q分解法進行的。此外，隨著人工智能理論的發(fā)展，遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊算法也逐漸被引入潮流計算。但是，到目前為止這些新的模型和算法還不能取代牛拉法和P-Q分解法的地位。由于電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，對計算速度的要求不斷提高，計算機的并行計算技術(shù)也將在潮流計算中得到廣泛的應用，成為重要的研究領(lǐng)域[7]。</p><p>　　通過幾

13、十年的發(fā)展，潮流算法日趨成熟。近幾年，對潮流算法的研究仍然是如何改善傳統(tǒng)的潮流算法，即高斯-塞德爾法、牛拉法和快速解耦法。牛拉法，由于其在求解非線性潮流方程時采用的是逐次線性化的方法，為了進一步提高算法的收斂性和計算速度，人們考慮采用將泰勒級數(shù)的高階項或非線性項也考慮進來，于是產(chǎn)生了二階潮流算法。后來又提出了根據(jù)直角坐標形式的潮流方程是一個二次代數(shù)方程的特點，提出了采用直角坐標的保留非線性快速潮流算法[8]。</p>&l

14、t;p>　　1.2.3 基于MATLAB 的電力系統(tǒng)潮流計算發(fā)展前景</p><p>　　MATLAB 自1980 年問世以來，以其學習簡單、使用方便以及其它高級語言所無可比擬的強大的矩陣處理功能越來越受到世人的關(guān)注。目前，它已成為國際控制界最流行、使用最廣泛的語言了。它的強大的矩陣處理功能給電力系統(tǒng)的分析、計算帶來許多方便。在處理潮流計算時，其計算機軟件的速度已無法滿足大電網(wǎng)模擬和實時控制的仿真要求，而高

15、效的潮流問題相關(guān)軟件的研究已成為大規(guī)模電力系統(tǒng)仿真計算的關(guān)鍵。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,對MATLAB 潮流計算的研究為快速、詳細地解決大電網(wǎng)的計算問題開辟了新思路。MATLAB 語言允許用戶以數(shù)學形式的語言編寫程序, 其比BASIC 語言和FORT RAN 等更為接近書寫的數(shù)學表達格式, 且程序易于調(diào)試。在計算要求相同的情況下, 使用MATLAB 編程, 工作量將會大為減少[9]。</p><p>　　基

16、于MATLAB 的電力系統(tǒng)潮流計算使計算機在計算、分析、研究復雜的電力系統(tǒng)潮流分布問題上又前進了一步。矩陣輸入、輸出格式簡單, 與數(shù)學書寫格式相似; 以雙精度類型進行數(shù)據(jù)的存儲和運算, 數(shù)據(jù)精確度高，能進行潮流計算中的各種矩陣運算, 包括求逆、求積和矩陣L R 分解等, 其程序的編寫也因MATLAB 提供了許多功能函數(shù)而變得簡單易行。另外, MATLAB稀疏矩陣技術(shù)的引入, 使電力系統(tǒng)潮流計算由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化算法成為可能[10]。&

17、lt;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 陳衍.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2007.</p><p>　　2 李維波. MATLAB 在電氣工程中的應用［M］. 北京: 中國電力出版社，2007.</p><p>　　3 武曉朦，張飛廷. 電力系統(tǒng)的P- Q 分解

18、法潮流計算[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2002 ,142(11): 105-106 </p><p>　　4 謝威，彭志煒，張朝綱，馬春生.一種基于牛頓—拉夫遜的潮流就算方法[J].許昌學院學報. 2006.3,25(2):27-30</p><p>　　5 楊帆.電力系統(tǒng)潮流計算程序設計[J].山西冶金，2007，106（2）：42-44</p><p>　　6

19、 劉軍,劉學軍. MATLAB 在電力系統(tǒng)分析中的應用[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2000.4,12(2): 23-25</p><p>　　7 李家坤,劉姣姣. MATLAB仿真技術(shù)在電力電子教學中的應用[J]. 長江工程職業(yè)技術(shù)學院學院2009.3,26(1): 75-77</p><p>　　8 連小洲，焦?jié)? MATLAB在電力系統(tǒng)計算中的應用[J]. 江西電力

20、職業(yè)技術(shù)學院學報，2005.12,18(4): 10-11</p><p>　　9 張寧,江紅梅,張渭. 基于MATLAB的電力系統(tǒng)潮流計算[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版)，2004.12,32(12): 124-126</p><p>　　10 周衛(wèi)星，張穎.基于Matlab的電力系統(tǒng)潮流計算[J].科技咨詢導報，2007，10：70-71</p><

21、p>　　11 徐一哲，沈瑞寒.基于Matlab的電力系統(tǒng)潮流分析[J].中外企業(yè)家，2009,5(下)：206-208</p><p>　　2 本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段及途徑</p><p>　　2.1本課題要研究或解決的問題</p><p>　　掌握潮流計算的手工算法,開式網(wǎng)絡的潮流計算，簡單閉合環(huán)網(wǎng)的潮流計算，配電網(wǎng)的潮流計算等。&l

22、t;/p><p>　　了解目前流行的潮流計算計算機算法，，即高斯-賽德爾迭代法，牛頓拉夫遜法和P-Q分解法。</p><p>　　結(jié)合要求編寫程序進行潮流計算。</p><p>　　結(jié)合MATLAB軟件進行系統(tǒng)仿真。</p><p>　　利用MATLAB軟件，在已知(或給定) 某些運行參數(shù)的情況下,計算出系統(tǒng)中的全部參數(shù),包括各母線電壓的大小和相

23、位、各發(fā)電機和負荷的功率及電流、以及各個變壓器和線路等元件所通過的功率、電流和損耗。</p><p>　　2.2擬采用的研究手段及途徑</p><p>　　2.2.1電力系統(tǒng)潮流計算的手工算法</p><p>　　簡單輻射網(wǎng)絡的潮流計算。首先選定一個四節(jié)點或者五節(jié)點的區(qū)域電網(wǎng)，畫出電路圖。已知同一端的功率和電壓，求另一端功率和電壓。方法為從已知功率、電壓端，齊頭并進

24、逐段求解功率和電壓，如下圖所示</p><p>　　已知始端電壓、末端功率，求始端功率、末端電壓（以此居多）；或已知末端電壓、始端功率，求末端功率、始端電壓。</p><p>　　求解方法總結(jié)為“一來、二去”共兩步來逼近需求解的網(wǎng)絡功率和電壓分布。一來即：設所有未知電壓節(jié)點的電壓為線路額定電壓，從已知功率端開始逐段求功率，直到推得已知電壓點得功率；二去即：從已知電壓點開始，用推得的功率和已

25、知電壓點的電壓，往回逐段向未知電壓點求電壓。在計算中，上述過程一般只需要做一次。但當一次“來、去”完畢后，此電壓與初始假設電壓相差較大時，可再一次假設未知電壓節(jié)點的電壓值為剛剛計算得到的節(jié)點4電壓值，繼續(xù)進行“來、去”計算，直到前后兩次同一點的電壓值相差不大。</p><p>　　2.2.2電力系統(tǒng)潮流計算的計算計算法</p><p>　　對節(jié)點導納矩陣的形成和修改加以介紹，包括節(jié)點電壓方

26、程的意義，節(jié)點導納矩陣的特點，以及在原有網(wǎng)絡上增加節(jié)點或者添加刪除支路對節(jié)點導納矩陣的影響。</p><p>　　對高斯-賽德爾迭代法計算的主要步驟和原理進行簡單介紹，重點介紹牛頓拉夫遜法（直角坐標）的計算過程，包括牛拉法的推導過程，原理和意義，然后給出修正方程式，形成雅克比矩陣，再介紹牛拉法的計算步驟。</p><p>　　高斯-賽德爾迭代法計算的主要步驟</p><

27、p>　?。?）根據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、參數(shù)，形成節(jié)點導納矩陣；</p><p>　?。?）迭代計算各節(jié)點電壓。</p><p><b>　　對PQ節(jié)點：</b></p><p>　　a．設某節(jié)點為平衡節(jié)點。</p><p>　　b．設各節(jié)點電壓的初始值。</p><p>　　c．據(jù)初始值電壓、 (i＝

28、2、3、…n)及已知的節(jié)點注入功率、進行第一次迭代，求、、…、即有</p><p><b>　　d．第二次迭代。</b></p><p><b>　　e．第次迭代。</b></p><p>　　f．第k+1次迭代后，當所有節(jié)點電壓都滿足 (精度)時，表明迭代收斂，則第k+1次的結(jié)果即為所求。</p><

29、p><b>　?。?）計算功率。</b></p><p>　　牛頓拉夫遜法（直角坐標）的計算步驟</p><p>　　1. 輸入原始數(shù)據(jù)和信息：y、C、Pis、Qis、Uis、約束條件</p><p>　　2. 形成節(jié)點導納矩陣YB=CTyC</p><p>　　3. 設置各節(jié)點電壓初值ei(0), fi(0

30、)</p><p>　　4. 將初始值代入(4-38)求不平衡量Pi(0), Qi(0), Ui2(0)</p><p>　　5. 計算雅可比矩陣各元素（Hij、Lij、Nij、Jij、Rij、Sij）</p><p>　　6. 解修正方程(4-37) ，求 ei(k), fi(k)</p><p>　　7. 求節(jié)點電壓新值ei(

31、k+1) =ei(k) - ei(k), fi(k+1) = fi(k) - fi(k)</p><p>　　8. 判斷是否收斂：Max| fi(k) |≤ε, Max| ei(k) |≤ε</p><p>　　9. 重復迭代第4、5、6、7步，直到滿足第8步的條件</p><p>　　10. 求平衡節(jié)點的功率和PV節(jié)點的Qi及各支路的功率</p

32、><p>　　接下來對潮流計算的計算計算法必須滿足的約束條件加以介紹，在論文的計算過程中，得出結(jié)果之后用約束條件進行校驗，如果不能滿足要求，則要修改程序或者修改某些變量的給定值。</p><p>　　2.2.3 用MATLAB進行編程和仿真</p><p>　　學習MATLAB軟件，掌握仿真工具Simulink及Power System工具，學習并掌握常用的N—R法計算

33、機算法的原理框圖和程序的編寫，上機運用MATLAB編寫潮流計算軟件，上機運用MATLAB編寫潮流計算軟件</p><p>　　程序編好后輸入系統(tǒng)的狀態(tài)初值，然后和手算的結(jié)果加以比較，如果出入較大，再根據(jù)結(jié)果對程序進行修改，直到誤差縮小在一定的范圍內(nèi)。</p><p>　　對編好的程序用MATLAB進行仿真，并對程序進行調(diào)試。并對結(jié)果加以分析并驗證程序的可行性，針對某一N節(jié)點電力系統(tǒng)網(wǎng)絡進行