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1、中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 41 页1引言随着国民经济的持续稳定发展，我国电力系统的规模越来越庞大，其网络结构越来越复杂，输电线电压等级越来越高，电网运行方式的变化越来越频繁 1，电力系统基础计算分析工作量越来越大，数据录入和计算结果显示要求越来越快速准确，电能质量的要求越来越高。为了应对这些新形势下的新问题，电力系统可视化技术应运而生。电力系统可视化技术 ，是可视化技术与电力系统分析有机结合的产物。它指的是利用可视化技术，按照某种算法，将电力系统设备的各种属性、系统运行状态数据处理后，用图形或图像的方式直观显示出来的技术。其目的是使系统运行人员更方
2、便、更明晰地了解当前系统的运行状态，以便采取更有效、更有针对性的运行控制措施。Power World 是美国伊利诺斯大学开发的电力系统可视化仿真软件包，它以潮流分析为核心，采用动画式多色彩的单线圈等可视化技术，模拟电力系统在给定时间内的运行状况，从而直观生动的阐述了电力系统运行的基本概念。本设计的目的在于熟练地掌握这一软件，验证其计算性能，对电力系统仿进行潮流计算和短路故障分析，将分析计算结果以可视化的形式直观地表现出来，为进一步的电力系统分析和设计提供基本依据。中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 41 页2电力系统分析仿真软件 Power World介绍P
3、ower WorldV11.0版集电力系统潮流计算 、灵敏度分析、静态安全分析 、短路电流计算、经济调度EDC/AGC ，最优潮流OPF 、无功优化，GIS 功能、电压稳定分析PV/QV 、ATC计算 、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体，并利用数据挖掘技术实现强大丰富的三维可视化显示技术。使用方便、功能强大、可视化程度相当高 。在Power World 可视化分析程序中，输电线路的投切、负荷调整 、发电机的投退及各种功能切换以及联络线的建立等等，这一切只需点击鼠标就可完成。此外，图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在的问题和限制条件的理解.并且知道如何采取补救措施。 Power
4、 World提供了极为方便的模拟电力系统时间特性 的工具。同样它可以可视化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化，以及因此产生的系统运行状况的变化。这项功能在解释例如电网扩建引起网络结构变化等问题上十分有用。 Power World可视化分析程序还具有一体化的经济调度、联络线功率交换经济性分析、功率传输分配因子(PTDF) 计算、短路计算和故障分析的强大功能，所有这一切都通过一个主界面来实现。2.1基本功能 Power World程序有2种重要的操作模式：编辑模式和运行模式。编辑模式用来创建新模型或修改己存在的工程示例；而运行模式则用来模拟演示实际系统，使用程序具有的各种先进的工具对所建立
5、的电中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 41 页力系统模型进行各种可视化分析。 Power World的用户界面上各个菜单的功能如下：文件面板（File）可进行存盘、打印、读取等操作。编辑面板（Edit）包括一些工程编辑工具。插入面板（Insert）按钮可在现有的单线图上添画新组元。格式面板（Format）可改变字体、颜色、线型、图形放大比例及其原件所属层次等。也可设定不同绘图参数的缺省值，并在必要时重设这些值。图像缩放面板中直接指定放大的尺寸，也可通过选定图中某一矩形区域来设定放大倍数。选项/信息栏（Options)，可迅速查阅Power World可视化
6、分析程序的有关信息和设置选项 12。工具栏（Tools）提供母线运行信息浏览、全网潮流浏览和指定母线或线路潮流运行信息、静态安全分析、可用传输容量 ATC 计算、短路电流计算、各种灵敏度分析、电气岛分析、网损计算、功率传输分布因子计算 10、强制潮流设置与计算、地理信息功能加载（ GIS） 、制作影视剪接，负荷和出力调整等高级功能。仿真栏（Simulation）提供仿真所采用的各种算法，包括极坐标和直角坐标的牛顿拉夫逊法、快速解耦算法、单步法、交直流系统混合潮流计算、鲁棒性潮流加速计算、最优潮流计算、潮流计算启动终止设置和不收敛 11的处理办法以及脚本文件的相关处理。 最优潮流（LP OPF）
7、栏提供常规最优潮流计算、考虑各种运行约束和经济约束的最优潮流计算以及相关参与最优潮流的系统各种原件参数的设定和修改。电压安全性和稳定性分析工具（VSAT ） 12以内置的牛顿一拉夫中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 41 页逊法进行的潮流计算为基础，允许用户在某特定传输容量下求解多重潮流解，从而得到给定节点的 PV 或 QV 曲线。2.2高级功能 除了上述各功能，Power World可视化分析程序还提供方便快捷的局部菜单，主要有限值监视设定、越限后文本区自动改变颜色、可视化显示内容和参数设定、全屏切换显示和分屏耦合显示、快速查找和定位、鹰眼漫游、负荷预测可
8、视化 13、考虑气候变化的系统运行状态分析、用户自定义界面、新的插入模板、母线颜色自动选择、动画率可调、饼图和线路颜色的协调等功能。另外还包括潮流计算收敛性加速算法设定、缺省绘图值功能、过滤选项 14、常用表达的定义、移相器建模 15、直流线路建模、在线帮助、系统数据导入导出、自动插入和外挂用户自编程序扩展标准接口等高级功能。 3潮流计算3.1潮流计算概述3.1.1潮流计算的含义和意义电力系统潮流计算是电力系统最基本的计算，也是最重要的计算。潮流计算的含义是：在系统正常稳态运行时，已知运行方式、负荷、某些发电机的功率和某些节点电压，求解整个系统的电压和功率分布，包括各节点的电压大小和相位、各支
9、路的电流及功率损耗和传输。潮流计算的用途：检查系统各元件是否过负荷 16，检查各节点电中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 41 页压和支路电流是否满足要求或越限，计算功率损耗、判断功率的分布和分配是否合理。潮流计算的意义：它是现有电力系统运行分析和扩建、新系统规划设计、调整运行方式、选择电气设备和供电方案、继电保护 17和自动装置定整计算 18、系统安全性 19和可靠性估计、电力系统故障计算和稳定计算等工作的基础。3.1.2潮流计算的一般步骤建立电力系统数学模型，确定计算方法，制定计算流程 20，编制计算程序。下面分别简要介绍各个步骤：1建立数学模型发电机组
10、的模型很简单，以其有功功率和给定的端电压或无功功率表示。变压器模型有两种， 形或 形等值电路模型，等值变压器或形等值电路模型，它们分别用于手算和计算机计算。电力线路模型中以架空线路为重点，根据导线的型号和长度，计算线路的阻抗、导纳、电晕、临界电压，短线路模型为单一阻抗，中等长度线路为 或型等值电路，长线路模型类似于中等长度线路模型。负荷模型以给定的有功功率和无功功率表示。一般来说，建模之后要进行参数的电压级归算和有名值转化为标幺值，这样使计算方便。2确定迭代计算方法电力系统潮流计算问题在数学上是一组多元非线性节点电压方程式 的求解问题，其解法关键在于迭代。因此，对潮流计算方*SBUBY法的要求
11、可以归纳为以下几点:计算方法可靠地收敛；计算速度快、占用内存量小；计算方便灵活。潮流计算曾采用了各种不同的迭代方法，主要有高斯-塞德耳迭代中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 41 页法 21、牛顿拉夫逊法 22、P-Q 分解法 23。各种方法的特点如下 :（1）高斯-塞德耳迭代法这个方法的原理比较简单，要求数字计算机内存量也比较小，适应当时电子数字计算机制造水平和当时电力系统的理论水平，但它的收敛性较差。当系统规模变大时，迭代次数急剧上升,往往出现迭代不收敛代的情况。（2）牛顿拉夫逊法牛顿拉夫逊法是数学中解决非线性方程式的典型方法，它在收敛性、内存要求、速度
12、方面都超过了阻抗法 24成为只到目前仍在采用的优秀方法。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迭代法潮流程序的效率。(3) P-Q 分解法此法派生于 2 极坐标表示的牛顿拉夫逊法，二者的主要区别在于修正方程和计算步骤。这个方法根据计及电力系统的特点，简化修正方程，虽然迭代次数较牛拉法多，但是每次迭代的时间减少，故在计算速度方面有了很大的提高，迅速得到推广。近 20 多年来，潮流问题算法的研究仍非常活跃，但大多数研究是围绕着改进牛顿法和 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
13、算法 25也逐渐引入潮流计算，但是，到目前为止这些新模型和新算法还不能取代牛顿法和 P-Q 法的地位，由于电力系统的不断扩大和对计算速度要求的不断提高，计算机的并行计算技术也引起一些研究人员的兴趣，今后会成为重要的研究领域。潮流计算的灵活性和方便性的要求，对数字计算机的应用也是一中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 41 页个很重要的问题。潮流程序的编制必须尽可能使计算机人员在计算机计算的过程中加强对计算机过程的监视和控制，并便于作各种修改和调整。电力系统潮流计算问题并不是单纯的计算问题，把它当作一个运行方式的调整问题可能更为确切。为了得到一个更为合理的运行方
14、式，往往需要根据计算结果修改原始数据。在这个意义上，我们编制潮流计算程序时，对使用的方便性和灵活性必须给与足够的重视。因此，除了要求计算方法尽可能适用各种修改，调整以外，还要注意输入和输出的方便性和灵活性，加强人机联系，做好界面，使计算机人员能及时监视计算过程并方便地控制计算的进行。3制定计算流程计算流程下文将以牛顿拉夫逊法为例进行详细介绍。4编制计算程序从略3.1.3利用功率分点解环网电力网络可以分为复杂网络和简单网络。复杂网络简化后，可能被视为两类简单网络辐射形和环形网络的集合，它们的分析方法和一般集总参数交流网络的分析计算方法基本相同。辐射形网络的潮流分布计算本质上源于节点电压法，具体体
15、现为由各节点功率平衡觉得网络中的潮流分布。环形网络中潮流分布的计算直接运用回路电流法，在求得网络中的功率分点和流向分点的功率后，在功率分点将环网解开 26，就可以运用计算辐射形网络的方法计算其潮流分布。网络中某些节点的功率是由两边向其流动的，这种节点称为功率分点。功率分点总是电网中电压最低的点，可在该点将环网解开，将环形网络看作为两个辐射形网络，由功率分点开始，分别从其两侧逐中 北 大 学 2012 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 41 页段向电源端推算电压降落和功率损耗，这时运用的计算公式与计算辐射形网络时完全相同。3.2牛顿拉夫逊法计算潮流3.2.1变量的分类变量有以下几个：
16、负荷消耗的有功 、无功 ，电源发出的有功 、LiPLiQGiP无功 ,母线或节点电压的大小和相位角 、 。其中负荷消耗的有功GiQiUi和无功功率无法控制,它们取决于用户，称为扰动变量或不可控变量。电源发出的有功和无功功率是可控变量，称为控制变量。母线或节点电压的大小和相位是受控制变量控制的因变量，称为状态变量。3.2.2节点的分类电力系统的的节点一般分为以下三种类型： 节点PQ这类节点给出的参数是该点的有功率和无功率 ,待求量为该()PQ点的电压向量 。通常将变电所母线作为 节点。当某些发电厂(,)U的出力 给定时，也作为 节点。在潮流计算种，系统中大部分节PPQ点都属于这类节点。2 节点V这类节点给出的运行参数为该点的有功功率 及电压幅值 ，待PU求量是该点的无功功率 及电压
