基于MATLAB软件的PQ分解法潮流计算毕业论文目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 电力系统潮流计算11.2.1 电力系统潮流计算简介11.2.2 电力系统潮流计算的基本要求21.3 潮流计算的意义及其发展31.4 本次毕业设计主要工作4第2章 潮流计算的原理及具体算法过程62.1 电力网络的数学模型62.1.1 电力网络的基本方程62.1.2 导纳矩阵的形成72.1.3 电力网络中几种特殊的数学模型82.2 电力系统潮流计算112.2.1 电力系统潮流计算数学模型112.2.2 电力系统节点分类122.2.3 潮流计算的约束条件132.3 牛顿-拉夫逊法求解潮流计算132.3.1 牛顿-拉夫逊法原理132.3.2 P-Q分解法潮流计算15第3章 基于MATLAB软件 P-Q法潮流计算203.1 P-Q分解法程序框图203.2 计算步骤及实现各部分功能的程序213.2.1 原始数据的输入213.2.2 导纳矩阵及，形成233.2.3 计算不平衡功率Pi及修正相角i253.2.4 计算不平衡功率Qi及修正相电压Vi263.2.5 程序运行结果的输出27第4章 算例验证与分析284.1 算例说明及分析284.1.1 算例说明284.1.2 算例分析284.2 根据算例输入相应节点线路参数284.3 算例运行结果29结论32致谢33参考文献34附录36附录46附录63千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- I -第1章 绪论1.1 课题背景电力是衡量一个国家经济发展的主要指标，也是反映人民生活水平的重要标志，它已成为现代工农业生产、交通运输以及城乡生活等许多方面不可或缺的能源和动力。电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能如图1-1所示。图1-1 电力系统示意图电力系统的出现，使电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，出现了近代史上的第二次技术革命。20世纪以来，电力系统的发展使动力资源得到更充分的开发，工业布局也更为合理，使电能的应用不仅深刻地影响着社会物质生产的各个侧面，也越来越广地渗透到人类日常生活的各个层面。电力系统的发展程度和技术水准已成为各国经济发展水平的标志之一。1.2 电力系统潮流计算1.2.1 电力系统潮流计算简介电力系统潮流计算1是研究电力系统稳态运行情况的一种计算，它根据给定的运行条件及系统接线情况确定整个电力系统各部分的运行状态：各母线的电压，各元件中流过的功率，系统的功率损耗等等。在电力系统规划的设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用潮流计算来定量地分析比较供电方案或运行方式的合理性，可靠性和经济性。此外，电力系统潮流计算也是计算系统动态稳定和静态稳定的基础。所以，潮流计算是研究电力系统的一种很重要和基础的计算。电力系统潮流计算也分为离线计算和在线计算两种，前者主要用于系统规划设计和安排系统的运行方式，后者则用于正在运行系统的经常监视及实时控制。1.2.2 电力系统潮流计算的基本要求对潮流计算的要求可以归纳为下面三点：计算方法的可靠性或收敛性；占用内存少，计算速度快； 计算的方便性和灵活性。1.2.2.1 收敛性一直以来，为了解决潮流计算中的收敛问题，人们做了各种努力，首先要保证输入正确的数据，这样才可以使潮流收敛2。有不少研究是对基本的牛顿拉夫逊法和P-Q分解法的改进。在牛顿拉夫逊算法中，应用矩阵分块求逆方法对阶数较高的雅可比阵求逆计算进行改进，使阶数较高的雅可比矩阵的求逆变为阶数较低的四个子阵的求逆3，可以提高收敛速度。也有文章讨论通过对雅克比矩阵的简化4-5，提高计算速度。在P-Q分解法中，和的不同组合形式会直接影响潮流的收敛性，文献6详细分析了对地并联支路导纳在形成时的作用，并且通过多个系统的潮流计算结果验证了：在形成时考虑支路电阻，在形成时忽略支路电阻，并且将节点的并联电纳和线路的并联电纳做二倍处理时，P-Q分解法收敛最快。针对病态系统，出现了最优乘子7和线性规划法8，有些文章还讨论了潮流计算中对负荷电压静特性的考虑，迭代中PV节点无功越限问题，以及不平衡功率的分配等问题9。1.2.2.2 减少内存占用量自1967年美国学者WF.Tinney将稀疏矩阵技术引入电力系统潮流计算，用于牛顿潮流计算中，不仅减少了内存占用量，还大大提高了潮流计算的速度。虽然随着计算机技术的不断发展，计算机的内存不断增加，但是稀疏存储在节省运算量和计算机内存还是有其必要性的。文献10提到的三元素牛顿拉夫逊法是基于这样的假设，各节点只与2个相邻节点连接，且在取节点号时可假设节点1仅和节点2，3连接，节点2仅和节点3，4连接，以此类推，其它节点之间的连接被忽略。这样进行高斯消去时，只需对偶数行消元，且只需消去一个元素，消元计算量将大大减少，但是这种算法节点编号麻烦，需要重新进行节点编号。动态形成十字链表，同时存储网络的拓扑结构信息和参数信息，适合于电力系统中运行方式变化及故障等情况下的对网络结构的修改11，与之相应的要增加存储空间，对于网络结构不经常变化的系统，没有必要采用这种存储方式。1.2.2.3 计算的方便性和灵活性完善的潮流程序应该可以重复应用，可移植性高。为了使程序的可复用性最大化，以使软件的维护和升级所需费用和时间降低，文献12采用了CBD（基于构件的开发）和OOP（面向对象程序设计）技术。OOP技术的应用主要集中在通过其继承特性重复应用已经存在的类。另外，还出现了一些对传统算法的综合和改进的算法。电力系统松弛算法13就是综合了时间增量松弛法与波形松弛法的优点，得到的一种改进的新方法。对初值要求严格，迭代速度快的特点，利用电力网的结构特点，使用高斯塞德尔迭代法的第一次迭代结果作为牛顿拉夫逊法的计算初值14。这样既解决了牛顿-拉夫逊法对初值要求高的问题，又提高了收敛速度。随着GPS技术的出现，出现了一些应用PMU的潮流计算的方法。根据PMU测量精度和配置的不同，可以采用不同的方式将PMU的测量结果应用于潮流计算中15-16。但是由于PMU的配置还没有普遍，故该方法并不实用。1.3 潮流计算的意义及其发展电力系统潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，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。潮流计算的目标是求取电力系统在给定运行状态的计算。即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，功率的分布和分配是否合理以及功率损耗等。对现有电力系统的运行和扩建，对新的电力系统进行规划设计以及对电力系统进行静态和暂态稳定分析都是以潮流计算为基础。潮流计算的结果对电力系统稳态研究，安全估计或最优潮流等对潮流计算的模型和方法有直接影响。实际电力系统的潮流技术主要采用牛顿-拉夫逊法及其衍生的P-Q分解法。在运行方式管理中，潮流是确定电网运行方式的基本出发点；在规划领域，需要进行潮流分析验证规划方案的合理性；在实时运行环境，调度员潮流提供了多个在预想操作情况下电网的潮流分布以校验运行可靠性。在电力系统调度运行的多个领域都涉及到电网潮流计算。潮流是确定电力网络运行状态的基本因素，潮流问题是研究电力系统稳态问题的基础和前提。在用数字计算机解电力系统潮流问题的开始阶段，普遍采取以节点导纳矩阵为基础的逐次代入法。这个方法的原理比较简单，要求的数字计算机内存量比较低，适应20世纪50年代电子计算机制造水平和当时电力系统理论水平。但它的收敛性较差，当系统规模变大时，迭代次数急剧上升，在计算中往往出现迭代不收敛的情况。这就迫使电力系统计算人员转向以阻抗矩阵为基础的逐次代入法。阻抗法改善了系统潮流计算问题的收敛性，解决了导纳法无法求解的一些系统的潮流计算，在60年代获得了广泛的应用。阻抗法的主要缺点是占用计算机内存大，每次迭代的计算量大。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，60年代中期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，在计算机内只需要存储各个地区系统的阻抗矩阵及它们之间联络线的阻抗，这样不仅大幅度地节省了内存容量，同时也提高了计算速度。克服阻抗法缺点的另一途径是采用牛顿-拉夫逊法。这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系数矩阵的稀疏性，就可以大大提高牛顿法潮流程序的效率。自从60年代中期，在牛顿法中利用了最佳顺序消去法以后，牛顿法在收敛性。内存要求。速度方面都超过了阻抗法，成为60年代末期广泛采用的优秀方法。但随着网络规模的扩大以及计算机从离线计算向在线计算的发展，牛顿-拉夫逊法的内存需要量及计算速度方面越来越不适应要求。70年代中期出现的快速分解法比较成功的解决了上述问题，使潮流计算在牛顿-拉夫逊法的基础上向前迈进了一大步，成为取代牛顿-拉夫逊法的算法之一。近30年来，潮流问题算法的研究仍非常活跃，但是大多数研究是围绕着改进牛顿拉夫逊法和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、模糊算法也逐渐引入潮流计算。但是，到目前为止，这些新模型和算法还不能取代牛顿法和P-Q分解法的地位。由于电力系统的不断扩大和对计算速度要求的不断提高，计算机的并行技术也引起一些研究人员的兴趣。1.4 本次毕业设计主要工作本文致力于研究分析电力网络的运行情况。结合电力系统潮流计算及暂态稳定计算的特点，设计MATLAB程序实现较复杂电力网络的潮流计算。探讨学习潮流计算的基本原理。P-Q法潮流计算的基础是牛顿-拉夫逊法潮流计算。所以，要实现对前者的了解，就要对后者有深刻的理解。本文较详细的说明了对各种电力系统网络导纳矩阵形成过程，阐述了牛顿-拉夫逊法潮流计算公式的形成过程、原理。基于MATLAB的编程。本文对MATLAB软件编程中所用的M语言有一定的介绍，说明了常用函数的作用，并对M语言中所涉及到的逻辑关系符，运算符，矩阵的正确输入以及简单的人机对话功能有了初步的解释。举例验证。真实的电力网络是复杂的又是简单的，复杂在于其网络的结构各式各样十分复杂，但大多结构是不同简单结构的不断重复；简单在于其所包含的器件基本上相同。对于本文来说，寻找到一个包含所有类型元件，并包含少许节点和线路的例子就可证明改程序对所有类型的电力系统网络适用。人机对话的形成。本文介绍了将程序的运算移到了“幕后”，展现在用户面前是个人性化界面的人机对话功能。本设计通过简单的程序段将MATLAB软件与Excel表格和TXT文档联系在一起，使用户更好的完成计算工作。第2章 潮流计算的原理及具体算法过程2.1 电力网络的数学模型2.1.1 电力网络的基本方程在潮流问题中，任何复杂的电力系统都可以归纳为以下元件（参数）组成。发电机（注入电流或功率）负荷（注入负的电流或功率）输电线支路（电阻，电抗）变压器支路（电阻，电抗，变比）母线上的对地支路（阻抗和