基于MATLAB的电力系统潮流计算.doc

1、 计 控 学 院 College of computer and control engineering Qiqihar university 电气工程课程设计报告 题目：基于 MATLAB的电力系统潮流计算 系 别 电 气 工 程 系 专业班级 电气 101 班 学生姓名 学 号 指导教师 提交日期 2013 年 6 月 21 日 成 绩 齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报告 I 摘 要 潮流计算是研究电力系统稳态运行的一项基本运算， 是进行故障计算、继电保护整定、安全分析的必要环节。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相角、网络的功率分布及

2、功率损耗等。它既是对电力系统规划设计和运行方式合理性、可靠性及经济性进行的定量分析依据，又是电力系统静态和暂态稳定计算的基础。 传统的程序设计方法是结构化程序设计方法，该方法基于功能分解，把整个软件工程看作是一个个对象的组合，由于对某个特定问题域来说，该对象组成基本不变，因此，这种基于对象分解方法设计的软件结构上比较稳定，但是比较麻烦。现在国内外已经有成熟的专门应用于电力系统分析的计算软件，如中国电力科学研究院 PASAP、美国电力局 BAP 等，这些软件功能强大但价格不，而且代码源不公开，不适合普通学者。本次设计基于 MATLAB 语言编写的电力系统潮流计算和最优化计算软件 MATPOWER

3、，其最大优点是代码公开并 且免费使用，本次设计将介绍利用该软件如何进行潮流分析计算，并且介绍如何利用电力图形分析界面 POWERGUI 对简单电力系统潮流分析。通过算例，说明了该方法编程简便、 运算效率高并符合人们的思维习惯，计算结果能满足工程计算需要，同时验证了该方法的有效性。 关键词： 电力系统；潮流分析； MATLAB； MATPOWER 齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报告 目 录 摘要 . I 第 1 章 绪论 . 1 1.1 选题背景及目的 . 1 1.2 MATPOWER 的简介 . 1 1.3 设计要求和设计指标 . 1 第 2 章 MATPOWER 使用介绍 . 2 2

4、.1 MATPOWER 使用的数据格式 . 2 2.2 模型 . 3 2.3 电力潮流和最优潮流 . 4 2.4 最优潮流 . 5 2.5 MATPOWER 选项 . 6 第 3 章 电力系统潮流计算 . 7 3.1 潮流计算的定义和应用 . 7 3.2 电力系统潮流计算方法 . 7 第 4 章 MATPOWER 在电力系统潮流计算上的应用 . 8 4.1 MATPOWER 的最优潮流解法 . 8 4.2 仿真分析 . 9 4.3 仿真结果 . 10 4.4 POWERGUI 在简单电力系统潮流计算中的应用 . 12 总结 . 13 参考文献 . 14 附录 电力系统图 . 15 齐齐哈尔大学

5、计控学院电气工程系课程设计报告 1 第 1章 绪 论 1.1 选题背景及目的 潮流计算是电力系统计算分析的一种最基本计算，通过求取在给定运行方式下电网各节点电压、电流和功率分布来检查各元件是否过负荷、各点电压是否满足要求、功率分布和功率省耗是否合理等电力系统状态情况，因此受到电力系统 运行部门、科研机构的高度重视。潮流计算最早是由人工进行计算，后来随着计算机技术的飞跃发展，利用计算机语言编写潮流仿真计算软件来完成是目前主要计算方法，免费软件 MATPOWER最初的基于 MATLAB的电力系统潮流和最优潮流代码和为项目 POWER WEB 的需要编写的，并且该软件完全免费。 MATPOWER是一

6、直广泛应用于电力系统的仿真分析。它具有较好的扩展和衍生性能。作为一种仿真工具，它为用户提供了一个强大的灵活的仿真环境。从而更好地对现实中的电力系统进行模拟分析和计算。 本次设计目的是通过利用 MATPOWER 对简单的电力系统潮流计算分析，掌握潮流计算的基本方法，熟练 MATLAB 语言，巩固了电力系统分析课程的专业知识，为毕业设计奠下良好基础。 1.2 MATPOWER 的简介 MATPOWER 是一个基于 matlab.m 文件的组建包，用来解决电力潮流和优化潮流的问题。它致力于为研究人员和教育从业者提供一种易于使用和可更新的仿真工具。MATPOWER 的设计理念是用尽可能简单、易懂，可更

7、新的代码来实现最优秀的功能。最初的基于 MATLAB 的电力系统潮流和最优潮流代码和为项目 POWER WEB 的需要编写的，并且该软件 完全免费。 MATPOWER 是一直广泛应用于电力系统的仿真分析。它具有较好的扩展和衍生性能。 1.3 设计要求和设计指标 本次设计通过利用 MATPOWER 仿真工具把给出的典型的电力系统潮流计算出来，进而还可以进行潮流计算的最优算法，对不同的成本模型的默认 OPF 算法进行控制，所得的结果借用特定的数据格式表达出来。 齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报 告 2 第 2章 MATPOWER 使用介绍 2.1 MATPOWER 使用的数据格式 在进行潮

8、流计算之前，首先要对电网的各参数（如基准容量、母线、线路、大电机、变压器等）写成 MATPOWER所用的数据文件 格式。 MATPOWER所用的所有数据文件均为 MATLAB的 M文件或者 MAT文件，用来定义和返回变量： baseMVA、 bus、 branch、 gen等。 baseMVA变量是一个标量，用来设置基准容量。对于计算中采用有名值，可以根据需要设置，如 100MVA；对于计算中采用标么值，一般设置为 1。 bus变量是一个矩阵，用来设置电网中各母线参数，其格式为： bus_i、 type、 Pd、 Qd、 Gs、 Bs、 area、 Vm、Va、 baseKV、 zone、 V

9、max、 Vmin。 bus-i用来设置母线编号，范围为 1 29997。 type用来设置母线类型， 1为 PQ节点母线， 2为 PV节点母线， 3为平衡（参考 )节点母线。 Pd和Qd用来设置母线注入负荷的有功和无功功率。 Gs、 Bs用来设置与母线并联电导和电纳。baseKV用来设置该母线基准电压。 Vm和 Va用来设置母线电压的幅值、相位初值。 Vmax和 Vmin用来设置工作时母线最高、最低电压幅值。 area和 zone用来设置电网断面号和省耗分区号，一般都设置为 1，前者可设置范围为 l 100，后者可设置范围为 1 999。 branch变量是一个矩阵，用来设置电网中各支路参数

10、，其格式为： fbus、 tbus、 r、 x、b、 rateA、 mteB、 mteC、 ratio、 aJlgle、 status。 fbus和 tbus用来设置该支路由起始节点 (母线 )编号和终止节点 (母线 )编号。 r、 x和 b用来设置该支路的电阻、电抗和充电电纳。 rateA、rateB和 rate分别用来设置该支路长期、短期和紧急允许功率。 ratio用来设置该支路的变比，如果支路元件仅仅是导线为 0；如果支路元件为变压器，则该变比为 fl， us侧母线的基准电压与 thus侧母线的基准电压之比。 angle用来设置支路的相位角度，如果支路元件为变压器，就是变压器的转 角；如

11、果支路元件不是变压器，相位角度为 0度。 status用来设置支路工作状态， 1表示投入运行， 0表示退出运行。 gen 变量也是一个矩阵，用来设置接入电网中的发电机 (电源 )参数，其格式为： bus、Qg、 Qmax、 Qmin、 Vg、 mBase、 status、 Pmax、 Pmin。 bus 用来设置接人发电机 (电源 )的母线编号。 Pg 和 Qg 用来设置接人发电机 (电源 )的有功和无功功率。 Pmax 和 Pmin 用来设置接入发电机 (电源 )的有功功率最大、最小允许值。 9max 和 Qmin 用来设置接入发电机 (电源 )的无功功率最大、最小允许值 。 Vg 用来设置

12、接人发电机 (电源 )的工作电压。mBase 用来设置接入发电机 (电源 )的功率基准，如为缺省值，就是 base lVA 变量的值。status 用来设置发电机 (电源 )工作状态， l 表示投入运行， 0 表示退出运行。 齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报 告 3 busbusbus VYI shi f tbu s,busbusbus PBP 2.2 模型 交流模型（ AC），固定负荷被当作恒定有功和无功功率注入， Pd 和 Qd 分别被指定为 bus 矩阵的第三列和第四列。任何母线的恒阻抗泄漏元件的泄漏导纳都通过 Gsh 和 Bsh 被指定到第五和第六列。 MVABGY SHSHS

13、H basej（ 2-1） 所有的线路，包括输电线路、变压器和调相机，都通过标准的“ p”模型建立包括串联电阻 R 电抗 X 以及所有的线路充电电容 Bc，和理想的变压器串联，对于调相机包括调节比例 t 移相角 qshift。参数 R， X， B， t 和 qshift，在线路矩阵 branch 的第 3，4， 5， 9 和 10 列。线路首端和末端的电压和电流通过线路导纳矩阵通过以下公式相关联： 21112j22brCSSSCSBjYYYBYY（ 2-2） 分散的线路导纳矩阵和母线泄漏导纳矩阵被 MATPOWER 联合成为复合母线导纳矩阵 Ybus，并以它来关联母线电压向量 Vbus 和母线

14、电流向量 Ibus： I =YV 类似的，通过形成导纳矩阵 Yf 和 Yt 来计算线路首末端的电流向量，在给定母线电压 Vbus 的情况下： （ 2-3）其中 Vf 和 Vt 分别为所有支路首末端电压的复向量， diag 将一个向量转变为一个以它为对角元素的对角矩阵直流公式（ DC）对直流模型来 说，仍然是使用原来的参数，并且做了以下的假设： 线路阻抗 R 和充电电容 Bc 被忽略（也就是说支路是无损的）。 分离的支路的调整注入和 Bbr矩阵之间的原理在 MATPOWER 中通过生成一个母线Bus 矩阵和 Pbus 注入向量来处理，它用来在一致电压相角的情况下计算母线的有功功率： (2-4)

15、齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报 告 4 类似的， MATPOWER 建立矩阵 Bf 和向量 Pf,shift 用来计算支路功率注入向量 Pf和 Pt： shiftfbusff PB , （ 2-5） ft -P（ 2-6） 2.3 电力潮流和最优潮流 MATPOWER 拥有 5 种潮流计算方法，他们可以通过 runpf 来调用。除了可以输出到屏幕之外（作为默认方式）， runpf 还可以有以下的返回选项可以选择参数来输出解： baseMVA,bus,gen,branch,success,et=runpf(casename)；这些解的值被存储在以下的结果中： bus(VM) bus v

16、oltage magnitudes(母线电压幅值 )； bus(VA) bus voltage angles （母线电压相角）； gen(PG) generator real power injections(发电机有功输入 )； gen(QG) generator reactive power injections(发电机无功输入 )； branch(PF) real power injected into “ from”； end of branch（支路首端的有功输入）； branch(PT) real power injected into “ to”； branch(QF) reac

17、tive power injected into “ from”； end of branch（支路首端的无功输入）； branch(QT) reactive power injected into “ to”； end of branch（支路末端的无功输入）； success 1=solved successfully,0=unable to solve(1 表示计算成功， 0 表示失败 )； et computation time required for solution(计算所用时间 )。 默认的潮流计算方法是标准的潮流法 12，采用全雅克比矩阵，迭代求解。这种方法在许多文教科书中都

18、有提到。法则 2 和法则 3 是改进型快速解耦算法10.MATPOWER 采用 XB 和 BX 变换，参见文献 1.法则 4 是标准的高斯赛德尔方法 5,基于意大利 Bologna 大学的 Alberto Borhetti 的贡献的代码开发。要使用出 默认的牛顿法之外的其他算法， PF_ALG 选项必须正确的设置。比如说，要使用 XB 快速解耦算法： mpopt= mpoption(PF_ALG,2)； 齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报 告 5 runpf(casename,mpopt)。 最后一种算法是直流潮流算法 13,它的使用是通过设置 PF_DC 为 1，运行 runpf而进行

19、的，或者直接使用 rundcpf。直流潮流的计算是通过直接的不迭代的的方法解母线电压相角和指定母线的有功注入获得，基于方程 2、 3 和 4。对于交流潮流解法，如果 ENFORCE_Q_LIMS 选项被设为 true（默认为 false），并且运行过程中有任何发电机组的无功越限，相应的母线被转换为 PQ 母线（节点），将无功出力设定在限制值，并且案例重新计算。该母线的电压幅值为满足无功限制的要求将偏离指定值。如果参考母线（节点）的有功出力达到限制值，该节点将自动转化为 PQ 母线（节点），在下一轮迭代中第一个依然存在的 PV 母线（节点）将被当作松弛母线（节点），这将导致该母线（节点）的机组有

20、功出力稍微偏离指定值。通常，没有 MATPOWER 的潮流解法中不包含变压器分接头的改变或者操作，或者部分系统从网络中解列等。 潮流计算的解法，除了高斯赛德尔法之外，都可以很好的解决甚至是大规模网络，因为这些算法和计算充分利用了 MATLAB 的内部稀疏矩阵处理。 2.4 最优潮流 最优化潮流的概念是 60 年代初法国学者 Carpentien 提出的，把电力系统经济调度和潮流计算结合在一起。即以潮流计算为基础，进行经济、安全、有功功率与无功功率的全面优化。从数学的角度来看最优计算是一个大型的多约束条件的非线规划的问题。它的技术关键是计算函数的不等约束条件，解决非线性收敛问题和考虑离散变量问题

21、。最优计算可描述为满足方程等约束条件和不 等约束条件，求得的一组控制变量和状态参数使得目标函数达到最优。 和经典的 MATPOWER 传统方法相比，采用 fmincon 和MINOPF 算法的广义交流最优潮流解法有一些特殊的优点： （ 1）可以混合多项式和分段线性成本函数； （ 2）负荷调度； （ 3）机组 P Q 容量曲线； （ 4）支路相角差限制； （ 6）附加用户供应线性约束； （ 7）附加用户供应成本。 MATPOWER 提供多种解算最优潮流问题（ OPF）的方法，可以通过访问函数 runopf的方法实现。除了提供将计算结果输出 到屏幕之外（默认）， runopf 函数还可输入： ba

22、seMVA,bus,gen,gencost,branch,f,success,et=runopf(casename)。 齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报 告 6 除了最优潮流解法之外， OPF的运算还包括一下的值： bus(:,LAM_P) 母线（节点）的有功失配拉格朗日乘子； bus(: , LAM_Q) 母线（节点）的无功失配拉格朗日乘子； bus(:,MU_VMAX) 母线（节点）的电压上限龙格库塔乘子； bus(:,MU_VMIN) 母线（节点）的电压下限龙格库塔乘子； gen(:,MU_PMAX) 发电机组有功出力上限的龙格库塔乘子； gen(:,MU_QMAX) 发电机组无

23、功出力上限的龙格库塔乘子； gen(:,MU_PMIN) 发电机组有功出力下限的龙格库塔乘子； gen(:,MU_QMIN) 发电机组无功出力下限的龙格库塔乘子； branch（ :,MU_SF） 支路首端的潮流限制龙格库塔乘子； branch(:,MU_ST) 支路末端的潮流限制龙格库塔乘子。 2.5 MATPOWER 选项 MATPOWER软件不但能够进行交流潮流计算，还能够进行直流、最优化 潮流计算。在进行计算时还可以选择不同的算法及输出格式。为了实现不同功能， MATPOWER 使用一个选项向量来实现对选项的控制，它类似于 MATLAB 最优化工具箱早期版本中由foptions函数提供

24、的现象向量。最主要的差别就在于不用再记住每个选项的索引，只需要根据选项的名称就可以对选型的值作出修改。 MATPOWER的默认选项向量是通过调用无参数 mpoption来获得的。因此，输入： runopf( case30 ,mpoption)，就是另外一种执行默认选项的 OPF算法的方法， MATPOWER选项向量实现对 以下的控制： （ 1）潮流算法； （ 2）潮流计算的中止标准； （ 3）最优潮流（ OPF）算法； （ 4）对不同成本模型的默认 OPF算法； （ 5）冗余水平； （ 6）结果输出方式。 齐齐哈尔大学计控学院电气工程系课程设计报 告 7 第 3章 电力系统潮流计算 3.1 潮

25、流计算的定义和应用 作为研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算，潮流计算的任务是根据给定的运行条件和网路结构来确定整个系统的运行状态，比如各母线上的电压（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性计算和故障分析的基础。 在电力 系统运行方式和规划方案的研究中，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。同时，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

26、用在线潮流计算。 3.2 电力系统潮流计算方法 随着电力系统的规模的扩大，原始的用解析法进行手工计算的方法进行潮流分析已经是不可能的了，基本上现在的潮流分析都是在计算机上进行的。 运用计算机进行潮流分布计算，一般要完成以下四个步骤： (1) 建立数学模型。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。 (2) 确定计算方法。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。现在比较常用的方法有牛顿 -拉夫逊法和P-Q分解法。 牛顿 -拉 夫逊 (简称牛顿法 )是数学中解决非线性方程式的典型方法，有较好的收敛性。在解决电力系统潮流计算问题时，是以导纳矩阵为基础的，因此，只要我们能在迭代过程中尽可能保持方程式矩阵的稀疏性，就可以大大提高牛顿法潮流程序的效率。 P-Q分解法是从改进和简化牛顿法潮流程序的基础上提出来的，它的基本思想是：把节点功率表示为电压向量的极坐标方程式，抓住主要矛盾，以有功功率误差作为修正电压向量角度的依据。 (3) 制定计算流程并编制程序。无论采用什么编程语言，其基本流程都是绘制程序流程图，根据选定的计算方法进行循环迭代从而得到最 终的计算结果。 (4) 上机计算及对计算结果进行分析。