可视化潮流计算软件分析与设计 - 图文

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可视化潮流计算软件分析与设计

摘要

电力系统潮流计算时电力系统中最基本的计算，也是最重要的计算。通过潮流计算可对给定的运行条件确定系统的运行状态。无论是对现有系统运行的分析研究，还是对规划中供电系统的分析比较，都是必不可少的！可视化技术是80年代随着计算发展而出现的一个新兴领域，可以更加有效地分析和处理各种科学数据。

本文针对PQ分解法在VB下实现潮流计算软件开发，以一个4节点网络的实例，对用VB编制的潮流计算程序的正确性进行验证。实例中展示了各节点电压，功率和支路功率的计算结果，使潮流计算以一种更加清晰直观的方式展现出来。

关键词： 潮流计算；可视化；VB编程；P-Q分解法

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Power Flow Calculation Software Design and Analysis

ABSTRACT

Power Flow calculation of the power system is the most basic and most important calculations. Through the power flow calculation, we can make use of the given operating conditions to determine the operational status of the system. The analysis of the existing system operation and the comparison of power supply scheme are both necessary. The visualization technology is a new research do main with the developing of the computer technology at the end of 1980s. It is used to analyze and deal with kinds of data information.

In this paper, a simple software is designed based on PQ method in the VB programming, The correctness is verified of the VB programming with a four-node network examples. The results such as bus voltages, branch and bus power are calculation in the software. The power flow calculation takes on in a clearer way.

Key words: Flow Calculation; VisualizationTechnology; VB programming; P-Q method

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第一章 引言 ..................................................................................................... 1 1.1选题意义............................................... 1 1.2 潮流计算的发展史及发展趋势 ............................. 1 1.3 电力系统潮流可视化计算的必要性.......................... 3 1.4 主要工作 .............................................. 3 第二章 潮流计算基本原理............................................................................... 4 2.1 电力网络的数学模型 ........................................................................... 4 2.1.1 概述 ............................................. 4 2.1.2 电力网络的基本方程式 .............................. 4 2.1.3 导纳矩阵及其算法 .................................. 6 2.2 潮流计算的数学模型 ........................................................................... 9 2.2.1 潮流计算问题的节点类型 ............................ 9 2.2.2 节点功率方程式 ................................... 10 2.2.3 潮流计算的约束条件 ................................11 2.3 Visual Basic简介 ............................................................................ 12 2.3.1 概述 ............................................ 12 2.3.2特性及其发展 ..................................... 12 第三章 P-Q分解法 ......................................................................................... 15 3.1 P-Q分解法潮流计算 .......................................................................... 15 3.1.1 P-Q分解法基本原理................................ 15 3.1.2 P-Q分解法的修正方程式 ............................ 15 3.1.3 PQ分解法潮流计算的基本步骤 ....................... 16 3.2 P-Q分解法中使用到的技术和方法 ................................................... 17 3.2.1 网络节点编号的优化 ............................... 17 3.2.2 因子表 .......................................... 19 3.3 P-Q分解法的特点 ...................................... 19 3.4 P-Q程序框图及其说明 .................................. 20 第四章 基于VB的电力系统潮流可视化仿真................................................. 22 4.1登陆界面.............................................. 22 4.2 潮流计算主界面 ....................................... 23 4.3 潮流计算程序代码的编译过程 ............................ 23 4.3.1 读潮流数据....................................... 24 4.3.2 形成因子表....................................... 24 4.3.3 求修正量 ........................................ 26 第五章 实例仿真与分析 ................................................................................ 27

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5.1 实例仿真 ............................................. 27 5.2 实例分析 ............................................. 28 第六章 总结 ................................................................................................... 29 谢辞 ....................................................... 30 参考文献.................................................... 30 附录A 英文文献原文 .......................................... 31 附录B 英文文献翻译 .......................................... 37 附录C 主界面源程序代码 ...................................... 41

第一章 引言

1.1选题意义

潮流计算是在给定电力系统网络结构、参数和决定系统运行状态的边界条件的情况下确定系统稳态运行状态的一种基本方法，是电力系统规划和运营中不可缺少的一个重要组成部分。可以说，潮流计算是电力系统分析中最基本、最重要的计算，是系统安全、经济分析和实时控制与调度的基础。 一般来说，潮流计算具有以下意义：

(1)在电网规划阶段,通过潮流计算,合理规划电源容量及接入点,合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。

(2)在编制年运行方式时,在预计负荷增长及新设备投运基础上,选择典型方式进行潮流计算,发现电网中薄弱环节,供调度员日常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改进网架结构,加快基建进度的建议。

(3)正常检修及特殊运行方式下的潮流计算,用于日运行方式的编制,指导发电厂开机方式,有功、无功调整方案及负荷调整方案,满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。

(4)预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。

总结为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，为了实施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，则采用在线潮流计算。

由此可见，电力系统与我们的生活息息相关。潮流计算亦是电力研究人员长期研究的一个重要课题。因此本次设计重心是在VB语言下实现潮流计算软件的分析与设计，该软件能快速分析各种科学数据并准确计算，具有可观的前景。

1.2 潮流计算的发展史及发展趋势

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

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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）。

20世纪60年代初，数字计算机已经发展到第二代，计算机的内存和计算速度发生了很大的飞跃，从而为阻抗法的采用创造了条件。阻抗矩阵是满矩阵，阻抗法要求计算机储存表征系统接线和参数的阻抗矩阵。这就需要较大的内存量。而且阻抗法每迭代一次都要求顺次取阻抗矩阵中的每一个元素进行计算，因此，每次迭代的计算量很大。

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。

通过几十年的发展，潮流算法日趋成熟。近几年，对潮流算法的研究仍然是如何改善传统的潮流算法，即高斯-塞德尔法、牛顿法和快速解耦法。牛顿法，由于其在求解非线性潮流方程时采用的是逐次线性化的方法，为了进一步提高算法的收敛性和计算速度，人们考虑采用将泰勒级数的高阶项或非线性项也考虑进来，于是产生了二阶潮流算法。后来又提出了根据直角坐标形式的潮流方程是一个二次代数方程的特点，提出了采用直角坐标的保留非线性快速潮流算法。

对于一些病态系统，应用非线性潮流计算方法往往会造成计算过程的振荡或者不收

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敛，从数学上讲，非线性的潮流计算方程组本来就是无解的。这样，人们提出来了将潮流方程构造成一个函数，求此函数的最小值问题，称之为非线性规划潮流的计算方法。优点是原理上保证了计算过程永远不会发散。如果将数学规划原理和牛顿潮流算法有机结合一起就是最优乘子法。另外，为了优化系统的运行，从所有以上的可行潮流解中挑选出满足一定指标要求的一个最佳方案就是最优潮流问题。最优潮流是一种同时考虑经济性和安全性的电力网络分析优化问题。OPF 在电力系统的安全运行、经济调度、可靠性分析、能量管理以及电力定价等方面得到了广泛的应用。

1.3 电力系统潮流可视化计算的必要性

所谓的可视化技术，也就是GUI（Graphical User Interface），即图形化的用户界面，是指计算机程序通过图形来和用户交换数据及信息。它是运用计算机图形学和图像处理技术，将计算过程中产生的数据和计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论，方法和技术。

可视化的主要目的是更加有效地分析和处理越来越多的科学和工程数据，促进科学和工程技术的发展。但长期以来，使用者不能对计算过程进行干预和引导，被动地等待计算结果的输出，而大量的输出结果往往又采用人工处理的方法，这样做的结果，不仅使数据处理十分繁琐和费时，不能得到计算结果的直观形象的整体概念，而且还会丢失大量信息，严重影响着人们对自然规律的更深层次的认识。所以可视化技术的发展，可以对这些数据进行快速的处理，使浩如烟海的数据得到有效地利用，还使得数据和结果直观的展现在人们面前。这是我们运用可视化仿真的意义所在。

1.4 主要工作

本次设计需结合电力系统潮流计算的特点，实现基于VB的可视化潮流计算软件的分析与设计。因此在本次毕业设计中，需熟悉电力系统潮流计算的基本方法和掌握VB编程，熟练掌握基于快速分解法的潮流计算。运用VB编程进行软件设计，对编制的源程序进行调试运行。

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第二章 潮流计算基本原理

2.1 电力网络的数学模型

2.1.1 概述

电力系统最主要的运行方式是稳态运行方式。在这种运行条件下,所有发电机(包括大型同步电动机)可以用等值电源来表示,负荷可以用恒定功率或等值阻抗来表示。这样,整个电力系统就可以看作是母线、变压器和输电线路所构成的有源电力网络。它的数学模型便成为计算和研究电力系统潮流、短路和稳定问题的基础。因此我们专门列出一章来介绍电力网络数学模型的性质、推导以及初步的求解方法。然后介绍形成节点导纳矩阵和节点阻抗矩阵的程序，以及节点编号优化顺序的程序。 2.1.2 电力网络的基本方程式

电力网络可以用结点方程式或回路方程式表示出来。在结点方程式中表示网络状态的变量是各节点的电压，在回路方程式中是各回路中的回路电流。

一般若给出网络的支路数b，结点数n，则回路方程式数m为

m=b-n+1

结点方程式数m?为

m?=n-1

因此，回路方程式数比结点方程式数多

d=m-m?=b-2n+2 如图2-1所示,

?I1· · · · 12· · ?I2kN· Net?IK· · · · · · ?V??V?VVNk21 图2-1电力系统基础网络方程式

·

在一般电力系统中，各结点(母线)和大地间有发电机、负荷 、线路电容等对地支路，

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还有结点和结点之间也有输电线路和变压器之路，一般b>2n,用结点方程式表示比用回路方程式表示方程式数目要少。用结点方程式表示容易建立直观的方程式，输电线的连接状态等变化时也很容易变更网络方程式。基于上述理由，电力系统的基础网络方程式一般都用结点方程式表示。

把电力系统的发电机端子和负荷端子（同步调相机等的端子也作为发电机端来处理）抽出来，剩下的输电线路及其它输电系统概括为网络Ｎet表示 。在发电机结点和负荷结点上标出任意顺序的记号：1,2,…,I,…,n.在输电系统Net的内部不包含电源，并且各节点和大地间连接的线路对地电容、电力电容器等都作为负荷来处理。

?1,v?2,?,v?n，由各端子流向输电系统Net的电流令端子1,2……,n的对地电压分别为v相应为I?1,I?2,?,I?n，则此网络方程组可以表示为

??YV????YV???YV??I?1?Y11V11221kk1nn???YV????YV???YV??I?2?Y21V12222kk2nn? ????? (2-1)

?I??YV??YV????YV????YV?n11n22nkknnn?n(2-1)式可以简单写成

I?i?n?Yj?1ij? (I=1,2,…,n) (2-2) Vj或者写成

Ｉ＝YV (2-3)

其中

???Y?I?1??V?111????????I2??V2?Y I?V?Y??21???????????????????IV??n??n??Yn1Y1?Y2???Y2?Y2n?2 (2-4)

???Yn2?Ynn?n1Y称为节点导纳矩阵。因输电系统Net只是由无源元件构成的，而导纳矩阵是对称矩阵，于是有以下关系

Yij?Yji (2-5)

电压V和电流Ｉ的关系用式(2-1)～(2-5) 表示时称为节点导纳方程式。这里电压Ｖ用电流Ｉ的方程式表示时，则(2-3)式化为

V＝ZI (2-6)

-1其中 Z=Y

(2-6)式称为结点阻抗方程式，当然，阻抗矩阵也是对称矩阵。

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2.1.3 导纳矩阵及其算法 1、自导纳

节点i的自导纳Yii是当节点i以外的所有节点都接地,由节点i向整个网络看而得到的导纳。总之,在(2-1)式中令V?1=0, V?2=0,…V?i?1=0, V?i?1=0,…V?n=0,而在节点i加上单位大小的电压(V?i=1单位电压)时,由节点i流向网络的电流就等于i节点的自导纳

I?i?Yii?V?0,i?j?iVi (2-7)

更具体地说, yii就等于与节点i连接的所有支路导纳的和.节点2和邻接节点1、3间输电线的阻抗是j6Ω,j3Ω，节点2和大地间有4Ω阻抗的情况下,节点2的自导纳y22为:

Y22I?2111 = =++=0.25-j0.25(s) (2-8) V?2j6j342、互导纳

互导纳Yij(j≠i)可由(2-1)式得到

I?i?Yij?V?0,k?j?kVi (2-9)

即把节点j以外的节点全接地,而在节点j加以单位电压时,由节点i流向大地的电流加上负号就是互导纳更Yij。更具体地说, Yij是连接节点j和节点i支路的导纳再加上负号而得。在图2-2中节点1,2间的互导纳Y为:

12 Y=-121j6=j0.1677(s) (2-10)

还有如图那样,节点i,j间有阻抗分别为Z?和Z??的两条并联输电线时，互导纳为:

Yij=- (1/Z?+1/Z??) (2-11)

?I2?I3节点1?I1V1V2V3

图2-2 节点间的互导纳

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