摘要

潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出的各种问题。对规划中的电力系统，通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求；对运行中的电力系统，通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危及系统的安全，系统中所有母线的电压是否在允许的范围以内，系统中各种元件(线路、变压器等)是否会出现过负荷，以及可能出现过负荷时应事先采取哪些预防措施等。

 潮流计算是电力系统分析最基本的计算。除它自身的重要作用之外，在《电力系统分析综合程序》(PSASP)中，潮流计算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算的基础。

利用电子数字计算机进行潮流计算从50年代中期就已经开始了。在这20年内，潮流计算曾采用了各种不同的方法，这些方法的发展主要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以下几点：

（1）  计算方法的可靠性或收敛性；

（2）  对计算机内存量的要求；

（3）  计算速度；

（4）  计算的方便性和灵活性。

（5）  关键词：电力系统潮流计算；牛顿—拉夫逊法潮流计算；pscad

1 绪论

1.1 课题及相关技术参数

下图1-1是IEEE14节点系统的数据：

图1-1   IEEE14节点系统接线图

计算各个母线上的潮流分布。

原始数据：

所有数据均为标么值，系统基准值SYSBASE: 100MVA

（1）发电机数据

表1-1  发电机数据（p.u.）

                                                                                                                                                                      

（2）母线数据

解释说明：1表示节点；2表示节点；3表示平衡节点；为并联电纳（时，注入方式）；为区域序号；为电压幅值；为电压相角。充电电容电纳，计算仿真用的参数。

表1-2  母线数据（p.u.）

（3）线路参数

表1-3   线路参数（p.u.）

（4）变压器参数

表1-4  变压器参数（p.u.）

1.2电力系统稳态计算的理论

现在计算机已经越来越多的应用到了电力系统分析研究当中，要用计算机进行计算，需要建立数学模型、确定解算算法、制定计算流程和编制计算程序。建立电力网络方程是求解潮流的必要步骤，根据网络的有关参数和变量及其相关关系归纳起来组成可描述网络性能的数学方程组，通常有节点电压方程和回路电流方程。节点电压方程和回路电流方程都曾用于电力系统计算中，但实践证明采用节点电压方程有明显的优点，具体如下：电力系统等值网络有较多接地支路，独立的回路电流方程式个数往往多于独立的节点电压方程；网络结构或变压器变比改变时，改变方程式组的系数较方便等。

运用节点导纳矩阵的节点电压方程为，展开后如式1-1所示。建立了节点导纳矩阵，就可进行潮流计算。

                        (1-1)

在实际的电力系统中，已知的运行条件往往不是节点的注入电流而是负荷和发电机的功率，而这些功率一般不随节点电压的变化而变化。因此，在知道节点导纳矩阵的情况下，必须用已知的节点功率来代替未知节点注入电流，才能求出节点电压。每一节点的注入功率方程式为:

                           (2-2)

描述了电力系统功率与电压的关系的式（2-2）是一组关于电压的非线性代数方程式，不能用解析法直接求解。在数值分析课程中介绍的求解非线性代数方程的方法有：高斯-塞德尔法、牛顿-拉夫逊法；在电力系统应用过程中，根据电力系统本身的特点得到了一种简化的牛顿-拉夫逊法，即PQ分解法；对于电力系统规划，由于系统数据的不完整性和不确定性，用牛顿-拉夫逊法往往不能收敛，因而为了解决这一问题，在电力系统潮流计算中还有一种计算简单、计算工作量小、没有收敛问题等优点的直流法潮流计算。

1.3  PSCAD的结构和特色：

结构和功能

（1）有项目文件的创建、电气主接线图元件参数FORTRAN90编译器，屏幕显示曲线，结果输出打印等环节。

（2）直流电磁暂态计算

(3)电力系统时域和频域计算仿真，典型应用于电力系统遭受扰动或参数变化时，各参数随时间变化的规律；

(4)高压直流输电，FACTS控制器的设计，

　 (5)电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。

特色：

　 (1)配有图形输入程序PSCAD，

　 (2)实时曲线显示PLOT

　 (3)与MATLAB接口。

　 (4)强大的自定义功能

　 (5)支持子网嵌套的功能

　 (6)用户可以根据自己需要创建具有特定功能的电路模块

　 (7)具有“快照” 功能

2 方案分析与比较

  2.1 方案一：采用手工计算

   最开始熟悉课题之后，我们准备采用手工计算的方法算出各母线上的潮流分布，在进一步熟悉了牛顿-拉夫逊法后我们发现不仅节点导纳矩阵难算，后续的雅可比矩阵更是多达一百多个元素要进行计算，短时间根本无法完成设计任务；而P-Q分解法要将相关参数化为极坐标形式，计算量也十分巨大，于是我们放弃 了这个方案。

方案二：用MATLAB软件进行相关计算

   这个方案大大减少了手工计算的时间，但每次计算过程都要编写大量程序，虽然编程的相关指令并不难，但编程稍微有一点错误结果就无法正确显示，而且算出的结果并不直观清晰。所以最后我们也放弃这个方案。

    方案三：用PSCAD软件仿真

    在老师的指导和帮助下，我们开始学习PSCAD软件，这是电气专业的专业仿真软件，开始我们并看不懂。而且关于这个软件的教程和说明大部分是英文版的，这无疑又增加了我们的学习难度。但考虑到今后毕业设计也要学习这个软件，我们还是硬着头皮开始学习。在老师的耐心指导下，我们几个人一小组开始学习和探讨这个软件的使用方法。从元件的选择到布线安排、相关参数的设置到最后的调试运行，可谓每一步大家都付出了相当大的努力。虽然我们现在对这个软件还不是特别熟悉，但是我们的课题还是成功的完成了。在仿真图输出显示中，系统特性十分直观快速的显示出来了，我们觉得非常开心。

2.2 分析与解题思路

 此电力系统为典型的3机9节点的电路网络，综合比较牛顿拉夫逊法（直角坐标、极坐标）、PQ分解法等多种求解方法的特点，最后确定采用牛顿拉夫逊法（极坐标）。因为此方法所需解的方程组最少。

我们这次选用的是PSCAD的仿真，然后用手工计算辅助，验证仿真结果的精确性。

以下是利用PSCAD仿真建模的流程图:

 

图3.5 PSCAD建模流程图

3  极坐标形式的牛顿-拉夫逊法

  采用极坐标时，节点电压表示为

 

   节点功率方程将写成

 

 

          i = j

 

修正方程式如下：

 

反复迭代直至满足收敛条件：

4  PSCAD详细仿真过程

4.1电机建模

   由于数据中给出的三台发电机有两台设为PV节点因此我们选用可以设置功率的电压源来建立发电机的模型。

 1号发电机是平衡节点，已知电压幅值和相角；2、3号发电机均为PV节点，已知有功功率，设电压幅值为1，相角为零度。

 

 图4.1 1号发电机模型参数设置

 

图4.2 2、3号发电机模型参数设置

4.2输电线路建模

    一个π型等值电路可以代替两到三百米的输电线路，在9节点系统中可以用九个π型等值电路分别代替。等值电路的参数设置可以双击元件后，在对话框内直接输入数据。另外，由于系统中有带静电电容以及不带静电电容的两种输电线路，因此我们分别将模型展示如下：

 

图 4.3   7、8间的等值电路

4.3测量元件的设置

    由于我们要求各个母线上的潮流分布，我们必须设置测量元件。为了方便我们的观察，我们在每一条支路上都设置一个功率表。PSCAD中的功率表可以测线路上的电压、电流、相角、有功功率以及无功功率。功率表的参数设置如下：

为了将测量的结果进行输出，在设置了Configuration后还要设置signal names,给每一个你要测量的内容取一个名字。下面以2号节点处的功率表作为代表进行说明。

图4.4功率表测量内容的设置

4.3道的设置

    首先用仪表接在电路中测量要输出的量，再用信号标签将测量信号接于输出通道，在输出通道上点右键，在阴影栏后面选择信号的输出或显示方式。观察波形一般选择后面两项。仍以2号节点为例，本设计中采用的都是Add Overlay Graph with Signal ，故选中后则出现类似与下图的图形显示框，上端显示ang2，双击图形框可设置格式。若要将其他输出量（如Pol2、Qol2、Vol2）也显示在同一个框内，则在双击Pol2输出通道选择Add as Curve,然后在图形框上点右键，在下拉菜单中选paste curve 就添加进去了。

 

图4.5 buse3输出显示图

5体设计方案图

图5.1仿真图

总结

通过这次课程设计，使我对电力系统稳态潮流计算有了进一步的了解，在设计这个3机9节点的课题中，通过翻阅资料，上网搜索等，我对PSCAD软件的应用及原理有了更深一层次的认识，既增强了我的理解能力,也使我能更好的运用所学的知识。开始时我还不太明白软件是如何使用的，并且对其原理也不甚了解，但通过对所学知识更深入的了解和同学的讲解和帮助，最终使我克服了难关，并成功地做出了设计。每天的不同感受，我有过对知识掌握不足时的迷茫，也有过思路不清时的懊恼,但一路走来，我却收获了知识，收获了希望和努力后的成果。我在这期间学会了怎么使用PSCAD软件、对我以后的帮助那是无穷无尽的。

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。本次应用设计实验是对我们过去所学电子知识的复习和检测，并进一步深入了解和巩固电子知识。

在此我要感谢老师的谆谆教导和同学们的帮助，我相信这些天的不懈努力会给我未来的学习带来很多的启发，我会在以后的工作生活中更好的理论联系实际，证明自己的能力。

参考文献：

[1]何仰赞 温增银.电力系统分析[M]. 华中科技大学出版社2010.3

[2] 西安交通大学等.电力系统计算[M].北京：水利电力出版社，1993.12

[3] 陈 衍.电力系统稳态分析[M].北京：水利电力出版社，2004.1

[4] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京： 水利电力出版社，2002.5

[5] 于永源，杨绮雯. 电力系统分析（第二版）[M]. 北京：中国电力出版社，2004.3

[6]电力研学网PSCAD论坛[DB／OL]． http://www.cepsc.com/html/87/t-63187.html，2011,3,12

 

第二篇：电力系统课程设计题目

电力系统分析课程设计

（蓝色部分是我需要设计的）

目的：通过具体电网的相关仿真和计算，加深学生对电力系统基本概念和基本计算的掌握程度，培养学生运用所学知识分析解决问题的动手能力和实践能力。

内容：

1电力系统短路计算（学号1－15）

针对某一（自选）较复杂的电网进行电力系统三相短路起始次暂态电流的计算，短路后指定时刻短路电流周期分量的计算；不对称短路时短路点故障相电流和非故障相电压的计算，对称和不对称短路后任意支路故障电流和节点电压的计算。

2电力系统潮流和稳定计算（学号16－25）

针对一个有10台机，39条母线，19个负荷，46条支路的典型交流系统或自己选择其他系统，进行指定运行方式下的潮流分布计算，对该运行方式进行N－L静态安全校核并分析潮流转移状况；进行主要故障形式下的暂态稳定计算并进行稳控措施的设计。

3设计110kV变电站（学号26－35）

要求：

（1）电气主接线的设计：主接线方式、主变压器的选择、变电所用电线路和变压器的选择；

（2）短路电流计算；

（3）电气设备的选择：断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线等。

4区域电网规划设计（学号36－最后）

要求：

（1）校验系统有功、无功的平衡和各种运行方式；

（2）通过方案比较，确定系统接线方案；（发电厂P100）

（3）确定发电厂、变电所接线方案，和变压器的容量、型号和参数；

（4）进行系统的潮流计算；

（5）进行系统的调压计算，选择变压器的分接头；（电力系统分析P110）

（6）统计系统设计的主要指标。

参考书目

电力系统分析、机电保护、发电厂电气部分、电力系统规划等方面的书籍和论文等资料 实施办法：

采取手算算法和计算机算法相结合，并相互验证结果的正确性。

撰写设计报告（正文不超过15页）（字体字号－宋体5号，单倍行距，标题可以加粗；公式和图形－自己画、自己编辑，不能截图）

考核办法：

手工计算的正确性，上机计算的调试，设计水平和完成质量；

设计报告的质量答辩。

注意：提交时间为18周周五（6月22日）中午11：00前，班级统一提交，过期不候！！