潮流仿真开题报告

青岛大学
毕业论文(设计)开题报告
院系: 自动化工程学院电气系
专业: 电气工程及其自动化
班级: 电气一班
学生姓名: 祝昆
指导教师: 马力
2012年3月18 日
1.文献综述
1.1 电力系统仿真技术的发展
随着社会对能源需求的增长和发电技术的进步, 现代电力系统发展很快, 大容量发电机组不断涌现, 自动化程度更趋提高, 计算、监视及控制问题日益复杂, 这就需要运行人员具有更强的应变能力和更熟练地操作。

新的电气研究也需做各种试验, 但无论从现有技术上还是从供电的可靠性及设备的安全性考虑, 直接在实际的电力系统及厂矿企业变电所中进行操作人员的培训和科学研究, 可能性很小, 因此运行电力系统仿真技术脱离现场对运行人员培训及电气研究成了迫切的需要。

电力系统仿真技术的研究可追塑到50 年代, 最早的电力系统仿真设备可认为是直流计算台, 以后出现支流计算台, 主要用做短路、潮流及稳定计算。

真正成为实用技术是从60 年代末70 年代初用于电气培训。

美、日、英等国推出了核电、火电仿真系统, 培训运行人员效果良好, 各国纷纷仿效。

1975 年美国编制了第一个全复制型培训仿真器国家标准。

目前国外电厂培训仿真技术的研制和开发已日趋成熟。

我国清华大学1983 年研制成功了国产200MW 燃煤机组原理型培训系统, 同年又以哈尔滨电厂机组为原理, 研制成功200MW 全复制型培训系统。

目前电力部已作出规定, 大型火电机组操作人员应经过仿真培训取得合格证方可录用。

部分地区(如重庆) 的厂矿企业变电所值班人员也分批参加仿真培训。

现在国内各大电业局几乎都已经或准备购置培训用仿真装置, 成立仿真培训中心。

电力仿真技术在电力系统中的发展和应用与电力发展对仿真的要求、计算机硬件、软件技术发展密切相关, 某些电力仿真装置就象一个缩小的电力系统, 凡是与电力相关部门的技术人员, 通过对仿真技术的学习, 了解及参加仿真培训, 就能迅速地熟悉电力系统, 掌握电力运行操作的一些基本方法。

电力系统是一个大规模、时变的复杂系统,而且在国民经济中有非常重要的作用,电力系统数字仿真技术已成为电力系统研究、规划和设计的重要手段。

因此电力系统仿真软件的功能特性对于提高研究、设计的效率和可信性有重要作用。

随着现代电力系统网络规模的不断扩大和电网电压等级的不断升高,电力系统规划、运行和控制的复杂性亦日益增加,因此在电力系统的生产和研究中仿真软件的应用越来越广泛。

1.2 PSASP仿真软件简介
《电力系统分析综合程序》（Power System Analysis Software Package，PSASP）是由中国电力科学研究院研发的电力系统分析程序。

主要用于电力系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计方案；运行调度人员确定系统运行方式、分析系统事故、寻求反事故措施；科研人员研究新设备、新元件投入系统等新问题以及高等院校用于教学和研究。

基于电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持，PSASP可进行电力系统（输电、供电和配电系统）的各种计算分析。

包括：稳态分析的潮流计算、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析、静态等值等；
故障分析的短路计算、复杂故障计算以及继电保护整定计算等；
机电暂态分析的暂态稳定计算、直接法暂态稳定计算、电压稳定计算、小干扰稳定计算、动态等值、马达起动、控制系统参数优化与协调以及电磁－机电暂态分析的次同步谐振计算等。

PSASP有着友好、方便的人机界面，如基于图形的数据输入和图上操作，自定义模型图以及图形、曲线、报表等各种形式输入。

PSASP与Excel、AutoCAD、Matlab等通用的软件分析工具有着方便的接口，可充分利用这些软件的资源。

PSASP应用程序的共同特点是：
1.可计算大规模（可达3000个母线或更多）的交直流混合电力系统；
2.有公用的数据库做支持，不必为每一种计算准备其基础数据；
3.有固定模型库和用户自定义模型库作支持；
4.不但有通常的文本方式计算，而且还有单线图上的操作（修改数据、操
作开关、增加故障等）计算，其计算结果直接标注在图上，具有仿真的
效果；
5.具有多种形式（图形、图示、报表、曲线等）的结果分析输出；
6.提供了与Excel、AutoCAD、Matlab等常用软件工具的接口。

我校购买的PSASP软件包主要包括以下功能模块：潮流计算；暂态稳定计算；短路计算；网损分析计算；小干扰稳定分析计算；用户程序接口。

如今已发展为一个结构科学、使用方便、图文并茂、高度集成和开放的软件包,多年来PSASP已为我国一些重大电力工程项目的建设和投入运行作出了重要的贡献：
1.1974年成功地分析了西北330千伏系统振荡事故，首次提出了由于水、火
机组的调节速度不匹配而引起系统振荡的观点，为以后的系统运行提供
了非常宝贵的经验；
2.我国第一条500千伏(东北元锦辽)系统的设计和运行方案研究；
3.三峡电网交直流输电方案的论证；
4.葛州坝向华东地区送电的可行性研究；
5.西南-西北、华中-华东等联网运行方案研究；
6.广东-香港联网低频振荡事故分析；
7.我国第一条直流输电(葛-上线)系统的设计及投运的研究；
8.大区电网互联方案研究；
9.可控串补的系统研究。

PSASP早于1985年获首届国家科技进步一等奖，在之后的十几年中，仍一如既往，不断创造新的佳绩。

PSASP广泛应用于全国各网省、香港地区的电力规划设计、生产调度运行、科学研究、高等院校、大工业用电企业、地调和县调等，超过300多家用户，成为电力系统设计运行和实验研究的必备工具，解决了电力系统的大量关键技术问题。

近年来，国内多所大学和科研单位应用PSASP提供的用户自定义(UD)和用户程序接口(UPI)功能做了大量富有成效的科研工作，取得了非常可喜的研究成果。

2.主要研究内容、方法
2.1 PSASP的三层机构体系
P SASP是一个资源共享，高度集成和开放的大型软件包，其结构分为三层:
第一层公用数据和模型的资源库
其中包括：电网基础数据库：包含发电机、负荷、变压器、交直流线等电网基本元件，提供了各种分析计算的基本数据支持。

基础数据分为两个数据库：基本元件数据库和元件公用参数数据库，由这两个库共同完成电力系统各元件的数据描述。

每个数据库按元件不同又设置了若干个数据表。

1、基本元件数据库
该库主要存放输电线、变压器，一次设备(发电机、负荷、直流、静补)和二次装置(调压器、调速器，PSS等)等系统元件的数据。

2、元件公用参数数据库
在基本元件数据库中，其中有些元件，如：发电机及调节器(
调压，调速，PSS)存在着不同的记录中含有相同数据的情况。

因此，把相同的数据抽出来，作为公用参数库，为基本元件数据库所共享，这样可进一步减少数据的冗余度。

基本元件和公用参数两个数据库所包含的数据表及其之间的关系如下表所
无功补偿器等模型，提供了电力系统常用的模型支持。

用户自定义模型库：由用户自定义(UD)方式建立的各种元件模型(电源、负荷、各种控制装置、FACTS元件等)构成，用以扩充PSASP的模型功能支持。

第二层基于资源库的应用程序包在电网基础数据库、固定模型库以及用户自定义模型库的支持下，可进行各种计算分析。

其中包括：
稳态分析：潮流计算、网损分析、最优潮流和无功优化、静态安全分析、谐波分析、静态等值等；
故障分析：短路计算、复杂故障计算、继电保护整定计算等；
机电暂态分析：暂态稳定计算、直接法暂态稳定计算、小干扰稳定计算、电压稳定计算、动态等值、、马达起动、控制系统参数优化与协调、电磁-机电暂态分析的次同步谐振计算等。

第三层计算结果库和分析工具
执行各种分析计算后，即生成相应的结果数据库，以便进一步采用不同的手段进行分析。

它们的共同点是：
1.保存各种计算的历史结果；
2.提供各种计算常用的固定报表；
3.具有灵活方便的用户自制报表；
4.能自动生成的图示化结果；
5.可在系统单线图和地理位置接线图上标注计算结果；
6.能生成各种计算结果的曲线；
7.具有方便实用的结果编辑报表和曲线；
8.提供转换为Excel，AutoCAD，Matlab的接口。

PSASP的应用程序包在公用的数据资源(基础数据库)和模型资源(固定和UD 模型库)的支持下，PSASP提供了一整套电力系统分析程序。

按照问题的性质可分为稳态分析、故障分析、机电暂态分析三类，其中又涉及了线性、非线性、优化等分析手段。

2.2 PSASP潮流计算的流程和结构
PSASP潮流计算的流程和结构如下图所示：
各种计算公共部分
图形方式文本方式
说明：
①虚线以上是各种计算(潮流、暂态稳定、短路等)的公共部分，即基础数
据准备。

可通过文本和图形两种方式建立和编辑，最终生成可供各种计算分析的电网基础数据库。

②虚线以下为潮流计算特有的部分。

其中需要用户参与的有两部分：
其一是计算作业的定义。

即确定电网的结构，运行方式及计算的控制(计算方法，迭代误差、控制功能的投入等)。

这里有文本和图形两种方式支持。

其二是计算结果的编辑和输出。

即选择输出的范围和内容，这里有文本和图形两种方式：
1.文本方式是生成报表、报表文件和简单图示；
2.图形方式是在潮流图上直接标识。

PSASP的应用程序有：
1.具有灵活控制能力的潮流计算程序；
2.•可进行动态监视的暂态稳定仿真程序；
3.•能模拟任意复杂故障的短路计算程序；
4.•可进行各种统计的网损分析程序；
5.•有N-1和任意切除方案的静态安全分析程序；
6.•包含无功优化的多目标最优潮流程序；
7.•能处理任何模型的小干扰稳定分析程序；
8.•与时域仿真配合的直接法暂态稳定程序；
9.•可考虑动态元件特性的电压稳定分析程序；
10.•界定区域方便的静态和动态等值程序；
11.•可对任意模型参数进行优化协调的参数优化程序；
12.•允许自行定义整定规则的继电保护整定与仿真程序；
13.•与机电暂态分析相结合的电磁暂态分析程序；
14.•可进行频率扫描和谐波潮流计算的谐波分析程序。

此外还有长过程动态稳定、马达起动以及电力市场条件下的分析计算等程序正在开发之中。

2.3 潮流及其计算方法的介绍
由于毕业论文的题目要求，这里着重介绍潮流就算：
潮流计算
潮流计算是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。

通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。

待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。

潮流计算的用途
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。

潮流计算问题的数学模型特点
潮流计算在数学上可归结为求解非线性方程组，其数学模型简写如下： F(X)=0为一非线性方程组
其中：
12(,,,)T n F f f KK f =为节点平衡方程式；
12(,,,)T n X x x KK x =为待求的各节点电压。

由此决定该问题有以下特点：
1 迭代算法及其收敛性
对于非线性方程组问题，其各种求解方法都离不开迭代，因此，存在迭代是否收敛的问题。

为此，在程序中开发了多种计算方法：由于潮流计算是否收敛，不仅与被计算的系统有关，而且和所选用的计算方法也紧密相关。

因此PSASP 潮流计算程序提供了下列方法供用户选择。

1.1 PQ 分解法
该方法基于牛顿法原理，再根据电力系统线路参数 R/X 比通常很小的情况，对求解修正量的修正方程系数矩阵加以简化，使其变为常数阵(即所谓的等斜率)，且P 、Q 迭代解耦。

这样可减少每次迭代的计算时间，提高计算速度，又不影响最终结果，因此是通常选用的一种方法。

但在低电压配电网中，当线路R/X 比值很大时，可能出现不收敛情况，此时应考虑更换其它方法。

1.2 牛顿法(功率式)
该方法的数学模型是基于节点功率平衡方程式，再应用牛顿法形成修正方程，再求每次迭代的修正量。

该方法通常收敛性很好。

1.3 最佳乘子法(非线性规划)
该方法首先将潮流计算求解非线性方程组的问题化为无约束的非线性规划问题。

在求解时把用牛顿法所求的修正量作为搜索方向，再根据所求出最佳步长加以修正。

该方法属非线性规划原理，原则上能求出其解(若存在)或断定问题无解。

但由于数值计算的因素比较复杂，实际应用时并非完全理想化。

通常在迭代过程发生振荡的情况，若最佳乘子逼近于0，说明问题无解；若最佳乘子保持在1附近则要考虑其它的因素。

1.4 牛顿法(电流式)
该方法与牛顿法(功率式)的区别是其数学模型基于节点电流平衡方程式。

该方法通常收敛性很好。

1.5 PQ 分解转牛顿法
牛顿法迭代的特点是要求初值较好，且在迭代接近真解时，收敛速度非常快，为此设计了PQ 分解转牛顿法。

该方法是先用PQ 分解法，当迭代达到一定精度时，转牛顿法，使牛顿法能获得较好的初值，这样可改善其收敛性，加快计算速度。

2 解的多值性和存在性
对于非线性方程组的求解，从数学的观点来看，应该有多组解。

根据程序中所设定的初值，一般都能收敛到合理解。

但也有收敛到不合理解(电压过低或过高)的特殊情况。

这些解是数学解(因为它们满足节点平衡方程式)而不是实际解。

为此需改变运行条件后再重新计算。

此外，对于潮流计算问题所要求的节点电压的分量(幅值和角度或实部和虚部)。

只有当其为实数时才有意义。

如果所给的运
行条件中无实数解，则认为该问题无解。

因此，当迭代不收敛时，可能有两种情况：一是解(指实数解)不存在，此时需修改运行方式；另一是计算方法不收敛，此时需更换计算方法。

3. 预期的课题进度计划
各阶段时间安排，应完成的工作量：
第1周---第4周：电力系统计算机仿真发展的调查、分析
对毕业论文的研究内容、目标方法、步骤和进度，做出开题报告。

第5周---第8周： 36节点电力系统分析、系统设计
第9周---第12周：系统仿真作业测试
第13周---第15周：整理论文，准备答辩
五、应阅读的基本文献目录：
1)《电力系统分析综合程序-基础数据库》中国电力科学院
2)《电力系统分析综合程序-潮流计算》中国电力科学院
3)《电力系统分析综合程序-暂态稳定计算》中国电力科学院
4)《电力系统分析(上、下) 》中国教育出版社
5)《电力系统分析》华中理工大学出版社
6)《现代电力系统分析》科学出版社
7)《电力系统暂态分析(第二版) 》中国电力出版社
8)《PSASP模型及仿真分析》南京：电力系统自动化 2000（9）
9)《电力系统分析》武汉:华中科技大学出版社
10)《电力网及电力系统》北京:水利电力出版社
11)《电力系统设计手册》北京: 中国电力出版社
12)《电力系统》重庆: 重庆大学出版社
13)《PSASP7．0暂稳计算用户手册》北京：中国电力科学研究院，2006
14)《交流发电机整流系统传导电磁干扰的时域模型与仿真分析》中国电机
工程学报，2002
15)《基于PSASP程序的FACTS潮流建模》电网技术，2000
16)《最优潮流在PSASP／UPI环境下的研究和开发》电网技术，1997。