基于MATLAB的电力系统潮流计算

MATPOWER电力潮流和最优潮流
电力潮流 •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 voltage 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” end of branch（支路末端的有 功输入） branch(:,QF) reactive 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)
的结构体来定义，结构体mpc的不同字段用baseMVA、bus、 branch、gen等来定义和返回电网的具体参数。
用version2格式编写数据文件清单，我们采用的是一个2机 组5个节点的电力网络，系统图如下：
仿真分析：因为设计采用version2格式，每个电网用变量名 为”mpc“的结构体来定义，根据下列数据利用MATPOWE进 行编程，以下为对实例进行编程MATPOWER潮流仿真计算程 序的M文件： function mpc=case5_01 % MATPOWER Case Format:Version 2 mpc.Version = '2'; %% -----Power Flow Data-----%%
MATPOWER数据格式
• 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IOOMVA；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、83"ea、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。
%% generator data % bus Pg Qg Qmax Qmin Vg mBase status Pmax Pmin mpc.gen = [
• 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); • >> 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
二、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。运行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，潮流计算方首先要求他是能可靠的收敛， 并给出正确答案。现在比较常用的方法有牛顿-拉夫逊法 （简称牛顿法）和P-Q分解法。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，他的基本思想 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。
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O；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、魄、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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最优潮流
• 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函数还可以通过设 置以下的参数返回解到其他地方。 >>[baseMVA,bus,gen,gencost,branch,f,success,et]=ru nopf(casename);
四、MATPOWER在潮流计算上的应用
在进行潮流计算之前，首先要将电网的各种参数携 程MATPOWER所用的数据文件格式。一般采用的数据文件格 式有以下两种： （1）version1格式。数据文件中的电网各种参数采 用baseMVA、bus、branch、gen、等变量来定义和返回。 （2）version2格式。每一个电网用变量名为“mpc”
基于MATLAB的电力系统潮流计算
目录
潮流计算的定义及应用
电力系统的潮流计算方法
MATPOWER的功能与使用方法
MATPOWER的潮流计算的应用
Powergui在简单电力系统潮流计算中的应用
一、潮流计算的定义及应用
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，则采用在e