基于MATLAB的电力系统潮流计算

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，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

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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 2.1 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

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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。

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第2章 MATPOWER使用介绍

2.1 MATPOWER使用的数据格式

在进行潮流计算之前，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、Vmax、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，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。

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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。

YSH?GSH?jBSHbaseMVA （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：

BC1?Y?j2?S2?Ybr??1??YS2??1? （2-2） ??BC?YS?j?2??YS

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

Ibus?YbusVbus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：

Pbus?Bbus?bus?Pbus,shift

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/adhf.html