基于MATLAB的电力系统潮流计算毕业论文开题报告

1 文献综述 1.1课题意义

电力系统潮流计算是对复杂电力系统正常和故障条件下稳态运行状态的计算。其目的是求取电力系统在给定运行方式下的节点电压和功率分布，用以检查系统各元件是否过负荷、各点电压是否满足要求、功率分布和分配是否合理以及功率损耗等，是电力系统计算分析中的一种最基本的计算[1]。

潮流计算是电力系统的各种计算的基础，同时它又是研究电力系统的一项重要分析功能，是进行故障计算，继电保护鉴定，安全分析的工具。电力系统潮流计算是计算系统动态稳定和静态稳定的基础。在电力系统规划设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用电力系统潮流计算来定量的比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性[1]。

对于正在规划的电力系统，通过潮流计算，可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。潮流计算还可以为继电保护和自动装置整定计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。

潮流计算的目的在于:确定是电力系统的运行方式；检查系统中的各元件是否过压或过载；为电力系统继电保护的整定提供依据；为电力系统的稳定计算提供初值，为电力系统规划和经济运行提供分析的基础。因此，电力系统潮流计算是电力系统中一项最基本的计算，既具有一定的独立性，又是研究其他问题的基础[1]。 1.2 国内外发展现状

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[2]。 1.2.1 高斯-赛德尔迭代法

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[3]。

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，同时也提高了计算速度[4]。 1.2.2 牛顿-拉夫逊法和P-Q分解法

克服阻抗法缺点的另一途径是采用牛顿-拉夫逊法（以下简称牛拉法）。牛拉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，牛拉法在收敛性、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。

在牛拉法的基础上，根据电力系统的特点，抓住主要矛盾，对纯数学的牛拉法进行了改造，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[5]。

牛拉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[6]。

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拉法和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拉法和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[7]。

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、牛拉法和快速解耦法。牛拉法，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[8]。 1.2.3 基于MATLAB 的电力系统潮流计算发展前景

MATLAB 自1980 年问世以来，以其学习简单、使用方便以及其它高级语言所无可比拟的强大的矩阵处理功能越来越受到世人的关注。目前，它已成为国际控制界最流行、使用最广泛的语言了。它的强大的矩阵处理功能给电力系统的分析、计算带来许多方便。在处理潮流计算时，其计算机软件的速度已无法满足大电网模拟和实时控制的仿真要求，而高效的潮流问题相关软件的研究已成为大规模电力系统仿真计算的关键。随着计算机技术的不断发展和成熟,对MATLAB 潮流计算的研究为快速、详细地解决大电网的计算问题开辟了新思路。MATLAB 语言允许用户以数学形式的语言编写程序, 其比BASIC 语言和FORT RAN 等更为接近书写的数学表达格式, 且程序易于调试。在计算要求相同的情况下, 使用MATLAB 编程, 工作量将会大为减少[9]。

基于MATLAB 的电力系统潮流计算使计算机在计算、分析、研究复杂的电力系统潮流分布问题上又前进了一步。矩阵输入、输出格式简单, 与数学书写格式相似; 以双精度类型进行数据的存储和运算, 数据精确度高，能进行潮流计算中的各种矩阵运算, 包括求逆、求积和矩阵L R 分解等, 其程序的编写也因MATLAB 提供了许多功能函数而变得简单易行。另外, MATLAB稀疏矩阵技术的引入, 使电力系统潮流计算由传统方法转

变为优化算法成为可能[10]。 参考文献

1 陈衍.电力系统稳态分析[M].北京：中国电力出版社，2007.

2 李维波. MATLAB 在电气工程中的应用［M］. 北京: 中国电力出版社，2007. 3 武晓朦，张飞廷. 电力系统的P- Q 分解法潮流计算[J].现代电子技术,2002 ,142(11): 105-106

4 谢威，彭志炜，张朝纲，马春生.一种基于牛顿—拉夫逊的潮流就算方法[J].许昌学院学报. 2006.3,25(2):27-30

5 杨帆.电力系统潮流计算程序设计[J].山西冶金，2007，106（2）：42-44 6 刘军,刘学军. MATLAB 在电力系统分析中的应用[J]. 电力系统及其自动化学报, 2000.4,12(2): 23-25

7 李家坤,刘姣姣. MATLAB仿真技术在电力电子教学中的应用[J]. 长江工程职业技术学院学院2009.3,26(1): 75-77

8 连小洲，焦洁. MATLAB在电力系统计算中的应用[J]. 江西电力职业技术学院学报，2005.12,18(4): 10-11

9 张宁,江红梅,张渭. 基于MATLAB的电力系统潮流计算[J].西北农林科技大学学报(自然科学版)，2004.12,32(12): 124-126

10 周卫星，张颖.基于Matlab的电力系统潮流计算[J].科技咨询导报，2007，10：70-71 11 徐一哲，沈瑞寒.基于Matlab的电力系统潮流分析[J].中外企业家，2009,5(下)：206-208

2 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径 2.1本课题要研究或解决的问题

? 掌握潮流计算的手工算法,开式网络的潮流计算，简单闭合环网的潮流计算，配电

网的潮流计算等。

? 了解目前流行的潮流计算计算机算法，，即高斯-赛德尔迭代法，牛顿拉夫逊法和P-Q

分解法。

? 结合要求编写程序进行潮流计算。 ? 结合MATLAB软件进行系统仿真。

? 利用MATLAB软件，在已知(或给定) 某些运行参数的情况下,计算出系统中的全部参

数,包括各母线电压的大小和相位、各发电机和负荷的功率及电流、以及各个变压器和线路等元件所通过的功率、电流和损耗。 2.2拟采用的研究手段及途径 2.2.1电力系统潮流计算的手工算法

简单辐射网络的潮流计算。首先选定一个四节点或者五节点的区域电网，画出电路图。已知同一端的功率和电压，求另一端功率和电压。方法为从已知功率、电压端，齐头并进逐段求解功率和电压，如下图所示

已知始端电压、末端功率，求始端功率、末端电压（以此居多）；或已知末端电压、始端功率，求末端功率、始端电压。

求解方法总结为“一来、二去”共两步来逼近需求解的网络功率和电压分布。一来即：设所有未知电压节点的电压为线路额定电压，从已知功率端开始逐段求功率，直到推得已知电压点得功率；二去即：从已知电压点开始，用推得的功率和已知电压点的电压，往回逐段向未知电压点求电压。在计算中，上述过程一般只需要做一次。但当一次“来、去”完毕后，此电压与初始假设电压相差较大时，可再一次假设未知电压节点的电压值为刚刚计算得到的节点4电压值，继续进行“来、去”计算，直到前后两次同一

1

求功率

求电压

2

求功率 求电压

3

求功率 求电压

4 U4（已知）

S4（已知） 计算起点

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