电力系统潮流计算课程设计

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 电力系统潮流分析 初始条件：系统如图所示元件导纳参数为：5.275.0,48.0,35.0y 132312j y j y j -=-=-= （1）、根据给定的运行条件，确定上图所示电力系统潮流计算式各节点的类型和待求量;（2）求节点导纳矩阵Y;（3）给出潮流方程或功率方程的表达式；（4）当用牛顿-拉夫逊法计算潮流时，给出修正方程和迭代收敛条件。

时间安排：指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要潮流计算是电力网络设计及运行中最基本的计算，对电力网络的各种设计方案及各种运行方式进行潮流计算，可以得到各种电网各节点的电压，并求得网络的潮流及网络中各元件的电力损耗，进而求得电能损耗。

在数学上是多元非线性方程组的求解问题，求解的方法有很多种。

牛顿—拉夫逊法是数学上解非线性方程式的有效方法，有较好的收敛性。

将牛顿法用于潮流计算是以导纳矩阵为基础的，由于利用了导纳矩阵的对称性、稀疏性及节点编号顺序优化等技巧，使牛顿法在收敛性、占用内存、计算速度等方面都达到了一定的要求。

本文以一个具体例子分析潮流计算的具体方法，并运用牛顿—拉夫逊算法求解线性方程关键词：电力系统潮流计算牛顿—拉夫逊算法目录1设计意义与要求 (5)1.1设计意义 (5)1.2设计要求（具体题目） (5)2题目解析 (7)2.1设计思路 (7)2.2 位置随动系统的信号流图 (7)2.2.1节点类型 (7)2.2.2待求量 (7)2.2.3导纳矩阵 (7)2.2.4潮流方程 (8)2.2.5牛顿—拉夫逊算法 (9)2.2.5.1牛顿算法数学原理 (9)2.2.5.2修正方程 (10)2.2.5.3收敛条件 (12)3结果分析 (13)4小结 (14)参考文献 (15)1.设计意义与要求1.1设计意义潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，他的任务是对给定运行条件确定系统运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布及功率损耗等。

潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。

具体表现在以下方面：(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，则采用在线潮流计算。

1.2设计要求（具体题目）如图所示的电网：1）根据给定的运行条件，确定图中电力系统潮流计算时各节点的类型、待求量；2）求节点导纳矩阵；3）给出潮流方程或功率方程的表达式；4）当用牛顿—拉夫逊法计算潮流时，给出修正方程和迭代收敛条件；系统如图所示2.题目解析2.1设计思路此题目为负载电力系统潮流计算模型。

首先写出节点导纳矩阵，并分析各节点的类型，找出待求量。

然后，确定潮流方程。

最后进行潮流计算，而最后一步，可利用牛顿—拉夫逊法潮流分析。

2.2详细设计2.2.1节点类型电力系统潮流计算中，节点一般分为如下几种类型：PQ节点：节点注入的有功功率无功功率是已知的PV节点：节点注入的有功功率已知，节点电压幅值恒定，一般由无功储备比较充足的电厂和电站充当；平衡节点：节点的电压为1*exp(0°)，其注入的有功无功功率可以任意调节，一般由具有调频发电厂充当。

更复杂的潮流计算，还有其他节点，或者是这三种节点的组合，在一定条件下可以相互转换。

对于本题目，节点分析如下：节点1给出有功功率为2.，无功功率为1， PQ节点。

节点2给出有功功率为0.5，电压幅值为1.0，PV节点。

节点3电压相位是0，电压幅值为1，平衡节点。

2.2.2待求量节点1待求量是P，Q；节点2待求量是Q，δ；节点3待求量是U，δ。

2.2.3导纳矩阵导纳矩阵分为节点导纳矩阵、结点导纳矩阵、支路导纳矩阵、二端口导纳矩阵。

结点导纳矩阵：对于一个给定的电路(网络)，由其关联矩阵A与支路导纳矩阵Y所确定的矩阵。

支路导纳矩阵：表示一个电路中各支路导纳参数的矩阵。

其行数和列数均为电路的支路总数。

二端口导纳矩阵：对应于二端口网络方程，由二端口参数组成节点导纳矩阵：以导纳的形式描述电力网络节点注入电流和节点电压关系的矩阵。

它给出了电力网络连接关系和元件特性的全部信息，是潮流计算的基础方程式。

本例应用结点导纳矩阵 具体计算时，根据如下公式： Y ii = y i0 + ∑y ij Y ik = -y ik由题给出的导纳可求的节点导纳矩阵如下：11y =1312y y +=1.25-j5.535.02112j y y +-== 5.275.03113+-==y y 73.1232122j y y y -=+= 48.03223j y y +-== 5.655.1323133j y y y -=+= 进而节点导纳矩阵为：2.2.4潮流方程网络方程是潮流计算的基础，如果给出电压源或电流源，便可解得电流电压分布。

然而，潮流计算中，这些值都是无法准确给定的，这样，就需要列出潮流方程。

对n 个节点的网络，电力系统的潮流方程一般形式是（i=1,2，…，n ）其中P i = P Gi - P Ldi , Q i = Q Gi - Q Ldi ,即PQ 分别为节点的有功功率无功功率。

⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡++++++=j6.5-1.55j40.8-j2.50.75-j40.8-j7-1.3j30.5-j2.50.75-j30.5-j5.5-1.25Y ∑==-nj jij iii V Y V jQ P 1.*代入得潮流方程： =(1.25-j5.5)·11δ∠U +(0.5-j3)·21δ∠+(0.75-j2.5)01∠°=(0.5-j3)·11δ∠U +(1.3-j7)·21δ∠+(0.8-j4)·01∠°=(0.75-j2.5)·11δ∠U +(0.8-j4)·21δ∠+(1.55-j6.5)·01∠°2.2.5牛顿—拉夫逊算法2.2.5.1牛顿算法数学原理：牛顿法 （Newton Method ）：解非线性方程f(x)=0的牛顿(Newton) 法，就是将非线性方程线性化的一种方法。

它是解代数方程和超越方程的有效方法之一。

牛顿法 （Newton Method ）：解非线性方程f(x)=0的牛顿(Newton) 法，就是将非线性方程线性化的一种方法。

它是解代数方程和超越方程的有效方法之一。

设有单变量非线性方程()0=x f ，给出解的近似值()0x ，它与真解的误差为()0x ∆，则()()00xx x ∆+=将满足()0=x f ，即 ()()()0=∆+x x f 将上式左边的函数在()0x 附近展成泰勒级数，如果差值()0x ∆很小，()0x ∆二次及以上阶次的各项均可略去得：()()()()()()()()00`000=∆+=∆+x x f x f x x f 这是对于变量的修正量()0x ∆的线性方程式，成为修正方程，解此方程可得修正量用所求得的()0x ∆去修正近似解，便得修正后的近似解()1x 同真解仍然有误差。

为了进一步逼近真解，可以反复进行迭代计算，迭代计算通式是1112δ∠-U j 2215.0δ∠-jq0133∠-q p ()()()()()0`00xf x f x-=∆()()()()()()()()0`00001xf x f x x x x -=∆+=迭代过程的收敛判据为()()()21εε<∆<kk x x f 或 式中，1∑和2∑为预先给定的小正数。

牛顿-拉夫逊法实质上就是切线法，是一种逐步线性化的方法，此法不仅用于求单变量方程，也适用于多变量非线性代数方程的有效方法。

牛顿法至少是二阶收敛的，即牛顿法在单根附近至少是二阶收敛的，在重根附近是线性收敛的。

牛顿法收敛很快，而且可求复根，缺点是对重根收敛较慢，要求函数的一阶导数存在。

2.2.5.2修正方程计算1、2节点的不平衡量i i i P V Q ∆∆∆和、()()0V V V 2222S 022=-=∆ 节点3是平衡节点，其电压i i jf e +=i V 是给定的，故不参加迭代。

根据给定的容许误差510-=ε，按收敛判据()()(){}ε<∆∆∆k ik i k i V Q P 2,,max 进行校验，以上节点1、2的不平衡量都未满足收敛条件，于是继续以下计算。

修正方程式为 V J W ∆-=∆ (n=3)T 22211]V P Q P [W ∆∆∆∆=∆[]Tf e f e 2211V ∆∆∆∆=∆ ()()()()()()k k k x f xf x x`1k -=+()()()()()()()()()()()202G G G 21312113131010101010101101101-=--=++--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--=-=∆∑∑==j j j j j j j j j j s s e B f G f f B e G e P P P P ()()()()()()()()()()()101B B B 1Q Q Q Q 1312113131010101010101101101-=--=++--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---=-=∆∑∑==j j j j j j j j j j s s e B f G e f B e G f⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂=222222122122222212122121111121211111f V e V f V e V f P e P f P e P f Q e Q f Q e Q f P e P f P eP J以上雅可比矩阵J 中的各元素值是通过求偏导数获得的，对PQ 节点来说，isisQ P 和是给定的，因而可以写出()()0()()0ii ji j ii j j i jji sjjjji ji i j i j i j j j i j j i i s i j j ji ji p f f f e G e G e P B B Q Q f f f G e e G e B B ∈∈∈∈⎫∆=---+=⎪⎬∆=--++=⎪⎭∑∑∑∑ 对PV 节点来说，给定量是is isV P 和，因此可以列出 2222()()0()0i i s i j i j i i j j i j j j i j ji ji i i s i i f f f e G e G e P P B B f V Ve ∈∈⎫∆=---+=⎪⎬⎪∆=-+=⎭∑∑ 当j i ≠时, 雅可比矩阵中非对角元素为22()0i iij i ij i j j i i ij i ij i j jj j P Q G e B f e f P Q B e G f f e U U e f ⎫∂∆∂∆=-=-+⎪∂∆∂∆⎪⎪∂∆∂∆⎪==-⎬∂∆∂∆⎪⎪∂∆∂∆⎪==∂∂⎪⎭当j i =时,雅可比矩阵中对角元素为:111122()()()()22ni i j j i j j i i i i i i j i n ii j j i j j i i i i i i j j n ii j j i j j i i i i i i j i nii j j i j j i i i i i i j j i iji i i P G e B f G e B f e P G f B e G f B e f Q G f B e G f B e e Q G e B f G e B f f U e e U f f ====∂∆⎫=----⎪∂⎪⎪∂∆=-+-+⎪∂⎪⎪∂∆⎪=+-+∂⎪⎪⎬∂∆⎪=-∆-++⎪∂⎪∂∆⎪=-⎪∂⎪∂∆=-∂⎭∑∑∑∑⎪⎪⎪代入数值后的修正方程为⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆∆⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--------05.012020073.135.05.0325.15.535.05.525.12211f e f e 求解修正方程得⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡∆∆∆∆1015.003611.02547.02211f e f e 计算节点电压的第一次近似值2.2.5.3收敛条件()()()()()()()()()()()()1015.01015.001013611.03611.007453.02547.01020212020212010111010111-=-=∆+==-=∆+=-=-=∆+==-=∆+=f f f e e e f f f e e e 一轮迭代结束，根据收敛条件收敛判据()()(){}ε<∆∆∆k ik i k i V Q P 2,,max ，若等式成立，结果收敛，迭代结束，计算平衡节点的功率和线路潮流计算，否则继续计算雅可比矩阵，解修正方程，直到满足收敛判据。