單機系統(tǒng)潮流的經濟分布控制(4)

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學電力系統(tǒng)分析電力系統(tǒng)分析課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目： 單機系統(tǒng)潮流的經濟分布控制（單機系統(tǒng)潮流的經濟分布控制（4） 院（系）：院（系）： 工程技術學院工程技術學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級：電氣工程電氣工程學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 教師職稱：教師職稱： 起止時間：起止時間：15-06-1515-06-15 至至 15-06-2615-06-26 本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣教研室課程設計（論文）任務原始資料：系統(tǒng)如圖GG 2 L24 4

2、 S4 L12 L14 1 S1 各元件參數標幺值如下：L14：電阻 0.1，電抗 0.35，對地容納 0.04；L12: 電阻 0.1，電抗 0.28，對地容納 0.03；L24: 電阻 0.2，電抗 0.4，對地容納 0.035；給定功率及電壓如下：S1=0.3+j0.1， S4=0.35+j0.1， V2=1.05.任務要求：1 對系統(tǒng)進行潮流計算，計算支路功率分布；2 計算在 L14 支路中應加入的附加電勢，實現支路功率經濟分布；3 設計串聯補償器硬件電路；4 采用適當的算法、編寫程序，實現支路功率的經濟分布。指導教師評語及成績平時考核： 設計質量： 論文格式： 總成績： 指導教師簽字

3、： 年 月 日本科生課程設計（論文）摘 要本課程設計主要研究某一電力系統(tǒng)網絡，對此網絡進行潮流計算。電力系統(tǒng)的潮流計算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計算，是對復雜電力系統(tǒng)正常和故障條件下穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)的計算。本文研究此電力網的支路功率分布，并完成對一支路加入附加電勢，使系統(tǒng)實現支路功率經濟分布的效果。在電力網中會出現功率損失，為是電能質量可靠，保證電能的質量要求，則需對系統(tǒng)進行功率補償，本此設計對串聯補償器進行設計，并設計其硬件電路圖，以滿足電力用戶需要的電能質量。并通過牛頓拉夫遜潮流計算使系統(tǒng)實現支路功率的經濟分布，并用MATLAB 編寫程序。關鍵詞：潮流計算；經濟分布；補償器； 本科生課程設

4、計（論文）目 錄第 1 章 緒論 .11.1 潮流計算概況 .11.2 本文研究內容 .1第 2 章 潮流計算 .22.1 簡單閉式網絡功率分布計算公式推導 .22.2 系統(tǒng)的潮流計算 .42.3 支路功率分布計算 .6第 3 章 功率經濟分布 .83.1 環(huán)流電勢公式推導 .83.2 系統(tǒng)的附加電勢計算 .9第 4 章 串聯補償器設計 .104.1 串聯補償作用 .114.2 電壓和電流的采集 .12第 5 章 牛頓拉夫遜潮流計算 .135.1 潮流計算的基本原理 .145.2 牛頓拉夫遜潮流計算 .145.3 編寫程序 .15第 6 章 課程設計總結 .18參考文獻 .19本科生課程設計（

5、論文）第 1 章 緒論1.1 潮流計算概況電力系統(tǒng)潮流計算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行情況的一種計算，它根據給定的運行條件及系統(tǒng)接線情況確定整個電力系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)：各母線的電壓，各元件中流過的功率，系統(tǒng)的功率損耗等等。在電力系統(tǒng)規(guī)劃的設計和現有電力系統(tǒng)運行方式的研究中，都需要利用潮流計算來定量地分析比較供電方案或運行方式的合理性.可靠性和經濟性。此外，電力系統(tǒng)潮流計算也是計算系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定和靜態(tài)穩(wěn)定的基礎。所以潮流計算是研究電力系統(tǒng)的一種很重要和很基礎的計算。電力系統(tǒng)潮流計算也分為離線計算和在線計算兩種，前者主要用于系統(tǒng)規(guī)劃設計和安排系統(tǒng)的運行方式，后者則用于正在運行系統(tǒng)的經常監(jiān)視及實時控制。電

6、力系統(tǒng)潮流計算問題在數學上是一組多元非線性方程式求解問題，其解法都離不開迭代。因此，對潮流計算方法，首先要求它能可靠地收斂，并給出正確答案。由于電力系統(tǒng)結構及參數的一些特點，并且隨著電力系統(tǒng)不斷擴大，潮流問題的方程式階數越來越高，對這樣的方程式并不是任何數學方法都能保證給出正確答案的。這種情況成為促使電力系統(tǒng)計算人員不斷尋求新的更可靠方法的重要因素。1.2 本文研究內容本文通過對電力系統(tǒng)網絡的潮流計算，究此電力網的支路功率分布，并完成對一支路加入附加電勢，使系統(tǒng)實現支路功率經濟分布的效果。在電力網中會出現功率損失，則需對系統(tǒng)進行功率補償，本此設計對串聯補償器進行設計，并設計其硬件電路圖，并通過

7、牛頓拉夫遜潮流計算使系統(tǒng)實現支路功率的經濟分布，并用 MATLAB 編寫程序。本科生課程設計（論文）本科生課程設計（論文）第 2 章 潮流計算2.1 簡單閉式網絡功率分布計算公式推導簡單閉式網絡有兩端供電和環(huán)形網絡兩種基本形式。環(huán)形網絡實質上是兩端電壓相等的兩端供電網絡。因此，下面就以兩端供電網絡推導其簡單閉式網絡功率分布的一般計算公式。如下圖是一個有兩電源三變電站的的兩端供電網絡，用運算電源功率和運算負荷功率簡化得到的等值電路。兩端電源高壓母線電壓為、，變電所的運AUBU算負荷分別為、，各段線路復阻抗為、。在忽略各段aSbScS1Z2Z3Z4Z功率損耗時，要求取、，只要算出兩端電源送出的功率

8、或1S2S3S4S1S即可。圖中、的方向為假定的正方向。顯然，在不計功率損耗4S1S2S3S4S時，根據基爾霍夫第一定律有： aSSS12 13SSSSba 14SSSSScba圖 2.1 兩端供電網等值電路圖本科生課程設計（論文）線路中總的電壓降落為兩端電源電壓之差，即)(344332211ZIZIZIZIUUUdBAAB在不計功率損耗時，各線段電流可用網絡額定電壓來計算，故上式可寫NU為：*123412343()ABABNNNNSSSSdUUUZZZZUUUU整理可得：= 1S4*3*2*14*3*2*14*4*3*4*3*2*)()(ZZZZUdUZZZZZSZZSZZZSABNcba令

9、 4321ZZZZZ 432ZZZZa 43ZZZb4ZZc則,上式可寫成*1ZUdUZZSZSZSSABNccbbaa式中、分別是運算負荷、到電源 B 的總阻抗，是整個aZbZcZaSbScSZ線路的總阻抗。同理可求出*4ZUdUZZSZSZSSABNccbbaa將上兩式加以推廣，對于兩端供電網中有若干個運算負荷時：本科生課程設計（論文）*1*ZUdUZZSSABNmiiiA*1*ZUdUZZSSBANmiiiB上兩式中、分別是電源 A 和 B 送出的功率；是第 i 個運算負荷；ASBSiS和分別是第 i 個運算負荷到電源 B 和電源 A 之間的阻抗。iZiZ如果兩端電源電壓差為零或是由一個

10、電源供電的環(huán)形網絡，則循環(huán)功率消失。此時，上兩式式變?yōu)椋海?1*ZZSSmiiiA*1*ZZSSmiiiB2.2 系統(tǒng)的潮流計算潮流計算所涉及的公式：充電功率為：2*2/1NCBVBQ線路的功率損耗為：ZUSSNL*/22線路中電壓降降落的縱、橫分量分別為：ALLLVQXPRV/ )(ALLLVQRPXV/ )(B 點電壓為： 22)(LLABVVVV根據系統(tǒng)圖知： 28. 01 . 012jZL35. 01 . 014jZL4 . 02 . 024jZL1 . 03 . 01jS本科生課程設計（論文）1 . 035. 04jS05. 12V系統(tǒng)的等效電路圖如圖 2.2 所示：圖 2.2 系統(tǒng)

11、的等效電路圖線路的充電功率為：0165. 005. 1*05. 1*03. 0*5 . 012BQ0221. 005. 1*05. 1*04. 0*5 . 014BQ0193. 005. 1*05. 1*035. 0*5 . 024BQb 節(jié)點運算負荷為：0614. 03 . 00221. 00165. 01 . 03 . 014121jjjjQQSSBBbc 節(jié)點運算負荷為：0586. 035. 00193. 00221. 01 . 035. 024144jjjjQQSSBBc線路損耗為：14L04.00114.0)35.01.0(05.10586.035.022214jjSL3 點的運算負

12、荷為：0984. 03614. 0143jSSSLC2 點的運算負荷為：0598. 03614. 0121432jQQSSBB線路損耗為：12L0341. 00122. 0)28. 01 . 0(05. 10598. 03614. 022212jjSL1 點的運算負荷為：0939. 03736. 01221jSSSLA 點運算負荷為：0581. 03736. 024121jQQSSBBA線路中電壓降落的縱、橫分量分別為：12L本科生課程設計（論文）0941. 005. 11 . 0*0581. 028. 0*3736. 0LV0511. 005. 128. 0*0581. 01 . 0*373

13、6. 0LVb 點電壓為：0033. 10941. 0)0511. 005. 1 (22bV線路中電壓降落的縱、橫分量分別為：14L0420. 00033. 135. 0*0598. 01 . 0*3614. 0LV1201. 00033. 11 . 0*0598. 035. 0*3614. 0LVc 點電壓為：9688. 01201. 0)0420. 00033. 1 (22CV2.3 支路功率分布計算由上文可知網絡中的功率分布為：35. 01 . 04 . 02 . 028. 01 . 0)4 . 02 . 0)(059. 035. 0()75. 03 . 0)(061. 03 . 0()

14、(*24*14*12*24*24*1412jjjjjjjZZZZSZZSSLLLLcLLbL 183. 0358. 0j35. 01 . 04 . 02 . 028. 01 . 0)28. 01 . 0)(061. 03 . 0()4 . 02 . 0)(059. 035. 0()(*24*14*12*12*14*1224jjjjjjjZZZZSZZSSLLLLbLLcL 0576. 028. 0j驗算：125. 00642. 02412jSSLL12. 065. 0jSScb可見，計算結果誤差非常小，無需重算取058. 028. 024jSL117. 007. 0)058. 028. 0(0

15、586. 035. 02414jjjSSSLcL其功率分布圖如圖 2.4 所示本科生課程設計（論文）圖 2.4 功率分布圖本科生課程設計（論文）第 3 章 功率經濟分布3.1 環(huán)流電勢公式推導在環(huán)網中引入環(huán)流電動勢產生循環(huán)功率，是對環(huán)網進行潮流控制和改善功率分布有效手段。在圖 3.1 中所示的簡單環(huán)網中，可寫出式（3-1）與（3-2）為其功率分布： （3-1）*3*2*1*2*3*21)(ZZZZZSZSSbc （3-2）*3*2*1*3*1*12)(ZZZZZSZSScb上式說明功率在環(huán)形網中是與阻抗成反比分布的。這種分布稱為功率的自然分布。圖 3.1 環(huán)網等效圖現討論使網絡的功率損耗為最小

16、，功率應如何分布？圖（3.1）所示環(huán)網的功率損耗為 （3-3）322323222222122121RVQPRVQPRVQPPL本科生課程設計（論文） 322121222121122121)()()()(RVQQPPRVQQQPPPRVQPbbcbcb（3-4）將上式分別對 P1 和 Q1 取偏導數，并令其等于零得 （3-5）0)(2)(223212211211RVPPRVPPPRVPPPbcbL （3-6）0)(2)(223212211211RVPPRVPPPRVPPPbcbL由此可解出 （3-7）3212321)(RRRRPRRPPcbec （3-8）3212321)(RRRRQRRQQcb

17、ec上式表明功率在環(huán)形網絡中與電阻成反比分布時，功率損耗最小。這種分布為經濟分布。只有在每段線路的比值 R/X 都相等的均一網絡中，功率的自然分布才與經濟分布相符。在一般情況下，這兩者是有差別的。各段線路的不均一程度越大，功率損耗的差別就越大。如果在環(huán)網中引入附加電勢 E,假定其產生與 S1 同方向的循環(huán)功率，且滿足條件 （3-9）eccirSSS11時就可以使其功率分布符合經濟分布的要求。由此可得出所要求的循環(huán)功率為 （3-10）)()(111111QQjPPSSSrcrceccir為產生此循環(huán)所需的電勢則為（3-11）yxNcircirNcircirNcirEjEVRQXPjVXQRPVS

18、ZE*公式中，為環(huán)網阻抗，為網絡的額定電壓。ZNV3.2 系統(tǒng)的附加電勢計算系統(tǒng)電網如圖 3.1 所示本科生課程設計（論文）圖 3.1 系統(tǒng)電網由上可知功率分布為：=0.358+j0.18312LS=0.28-j0.057624LS因為：=0.3+j0.0614bS所以：=0.3bP = j0.0614bQ功率損耗為：4 . 01 . 02 . 01 . 02 . 0*35. 0) 1 . 02 . 0(*3 . 0)(3212321RRRRPRRPPcbec075. 03 . 02 . 01 . 02 . 0*059. 0) 1 . 02 . 0(*061. 0)(3212321jRRRRQ

19、RRQQcbec循環(huán)功率為：)()(111111QQjPPSSSecececcir 108. 004. 0)183. 0075. 0()36. 04 . 0(jj附加電勢為：002. 012. 005. 1)108. 004. 0(*)03. 14 . 0(*jjjVSZENcirG S4 2 L24 4 L12 L14 1 S1 本科生課程設計（論文）第 4 章 串聯補償器設計4.1 串聯補償作用在電力系統(tǒng)中，無功功率既有其有益的一面，也有其有害的一面。有益的是，電力網在運行時，電源供給的無功功率是電能轉換為其它形式能量的前提。它為電能的輸送、轉換創(chuàng)造了條件。而有害的是，在電力系統(tǒng)輸送電能的

20、過程中，無功功率不足，將使系統(tǒng)中輸送的總電流增加、使變壓器的出力減少、供電線路及系統(tǒng)設備有功功率損耗增大、線路末端電壓下降；同時，對于電力用戶來說，過多的從電力網中吸取無功，不僅使電網電能質量下降，也影響自身的用電和生產。因此，為了減少無功的損失和避免其在電網中的不當流動，必須進行無功補償。串聯補償可改變傳輸線路的等效阻容或在線路中串入補償電壓，因此，通過串聯補償可方便地調節(jié)系統(tǒng)的有功和無功潮流，從而有效控制電力系統(tǒng)的電壓水平和功率平衡。在配電網中，大部分的電壓降是由線路電感引起的，串聯補償可使負載波動引起的電壓下降減少。由于串聯電容其實是一個無源的電路元件，其響應自發(fā)而迅速，因此，串聯補償有

21、助于電壓調節(jié)，可較完美地解決電壓閃變問題。4.2 串聯補償電路的硬件結構該裝置核心硬件采用 AT89C51 單片機實現，AT89C51 單片機是現在人們用的最多的單片機種類之一，其結構簡單、成本低廉、功能較全且便于擴展，雖然處理速度上趕不上現在大多數的微處理器，如 DSP、嵌入式微處理器 ARM9 等，但是在此設計中完全可以滿足和實現全自動補償裝置的要求。實時參數分別采集電網側電壓、電流，經過電壓形成電路分別對電壓電流進行變換。同時由 CPU 中的定時器定時控制對經過低通濾波出來的信號進行采樣并保持，再通過多路轉換開關，分別經高速 A/D 轉換單元進行模數轉換，并最后將各種數據實時顯示在數碼管

22、上，同時根據存儲器在 RAM 中的功率因素表判定該投切哪幾組電容器，并最終通過 CPU 驅動 SSR 固態(tài)繼電器實現電容器的自動投切。裝置硬件框圖如圖 4.1 所示本科生課程設計（論文）圖4.1 裝置硬件框圖4.2 電壓和電流的采集電網側的電壓和電流分別經電壓互感器和電流互感器再到電壓形成電路產生微機可以利用的信號。其中交流電壓信號采用電壓變換器即可滿足要求，而交流電流信號可以采用電抗變換器和電流變換器，在此選用電流變換器對電流信號進行變換。此外，為保證后面的電路不受干擾，兩個經變換器出來的信號還需經低通濾波環(huán)節(jié)進行濾波才允許輸入到采樣保持電路，供 CPU 發(fā)出信號進行采樣。低通濾波環(huán)節(jié)可由電

23、阻及電容組合構成一模擬低通濾波器。而采樣保持環(huán)節(jié)則選擇較常用的 LF-398 采樣芯片。其邏輯輸入端 S/H 由 CPU 中的定時器按一定時序控制，從而控制何時采樣、何時保持。當邏輯輸入端即 S/H=1，即電平為高時，為采樣功能；當邏輯輸入端即 S/H=0，即電平為低時，為保持功能。低通濾波及采樣保持電路如圖 4.2 所示本科生課程設計（論文）圖 4.2 低通濾波及采樣保持電路經采樣保持電路出來的信號需通過多路選擇開關（MPX）來選擇哪一個信號需要 A/D 轉換。當電壓信號需 A/D 轉換時，MPX 選擇到電壓信號檔進而通過A/D 芯片進行模數轉換，當電流信號需 A/D 轉換時，MPX 選擇到

24、電流信號檔進而通過 A/D 芯片進行模數轉換。在此設計中，MPX 選擇 CD4051，而 A/D 轉換芯片則選擇 MAX521。二者與單片機連接的電路原理圖如圖 4.3 所示。圖 4.3 MPX 和 A/D 轉換芯片與單片機連接的電路原理圖本科生課程設計（論文）第 5 章 牛頓拉夫遜潮流計算5.1 潮流計算的基本原理電力系統(tǒng)潮流計算是電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃中最基本和最經常的計算，其任務是在已知某些運行參數的情況下，計算出系統(tǒng)中全部的運行參數，一般來說，各個母線所提供負荷的功率是已知的，各個節(jié)點電壓是未知的（平衡節(jié)點除外） ，可以根據網絡結構形成節(jié)點導納矩陣，然后由節(jié)點導納矩陣和網絡拓撲結構寫功率方

25、程，由于功率方程里功率是已知的，電壓的幅值和相角是未知的，這樣潮流計算的問題就轉化為求解非線性方程組的問題了。為了便于用迭代法解方程組，需要將上述功率方程改寫為成功率平衡方程，并對功率平衡方程求偏導，得出對應的雅可比矩陣，給未知節(jié)點賦電壓初值，一般為額定電壓，將初值帶入功率平衡方程，得到功率不平衡量，這樣由功率不平衡量、雅可比矩陣、節(jié)點電壓不平衡量（未知的）構成了誤差方程，解誤差方程，得到節(jié)點電壓不平衡量，節(jié)點電壓不平衡量構成新的節(jié)點電壓初值，將新的初值帶入原來的功率平衡方程，并重新形成雅可比矩陣，然后計算新的電壓不平衡量，這樣不斷迭代，不斷修正，一般迭代三到五次就能收斂。5.2 牛頓拉夫遜潮

26、流計算5.2.1 功率方程=0 (5-1)1P11111111()()gljjjjjjjjj ij iPPeG eB ffG fB e=0 (5-2)1Q1111111()()glijjjjjjjjj ij iQQfG eB feG fB e=0 (5-3)222222222()()gljjjjjjjjj ij iPPPeG eBffGfB e=0 (5-4)222222222()()gljjjjjjjjj ij iQQQfG eBfeGfB e =0 (5-5)333333333()()gljjjjjjjjj ij iPPPeG eB ffGfB e =0 (5-6)333333333()(

27、)gljjjjjjjjj ij iQQQfG eB feGfB e5.2.2 雅可比矩陣各元素的表達式當 ji 時：本科生課程設計（論文） (5-7)iijijjijijPHB eG ff (5-8)iijijjijijPNG eB fe (5-9)iijijiijjjQMB fG ef (5-10)iijijiijjjQLG fB ee 當 j=i 時：- (5-11)iijijjijijPHB eG ffib- (5-12)iijijjijijPNG eB fe ia- (5-13)iijijiijjjQMB fG efia+ (5-14)iijijiijjjQLG fB ee ib其中，

28、 = (5-15)ia1()nijjijiiG eB f = (5-16)ib1()nijiijjiG fB e5.3 編寫程序e=1.05 1.05 1.05f=0 0 0=0.3;2p=0.0614;2q=0.35;3p=0.0586;3qG=0,0,0;B=-0.0165,-0.0221,-0.0193;K=0;Maxp=0;Maxq=0本科生課程設計（論文）I=0,0,0;for v=1:15for n=1:3;(1,1)(1,1)(1, )* ( )(1, )*( )IIGne nBnf n;(1,2)(1,2)(1, )*( )(1, )* ( )IIGnf nBne nendfo

29、r n=1:3;(2,1)(2,1)(2, )* ( )(2, )*( )IIGne nBnf n;(2,2)(2,2)(2, )*( )(2, )* ( )IIGnf nBne nendfor n=1:3;(3,1)(3,1)(3, )* ( )(3, )*( )IIGne nBnf n;(3,2)(3,2)(3, )*( )(3, )* ( )IIGnf nBne nendH=;N=;M=;L=;J=;20.3(2)* (2,1)(2)* (2,2)PeIfI;20.0614(2)* (2,1)(2)* (2,2)QfIeI;30.35(3)* (3,1)(3)* (3,2)PeIfI;3

30、0.0531(3)* (3,1)(3)* (3,2)QfIeIfor m=2:3for n=2:3if(m=n) ;H(m,m)=B(m,m)* ( )( ,)*( )( ,2)e mG m mf mI m ;N(m,m)=-G(m,m)* ( )( ,)*( )( ,1)e mB m mf mI m ;M(m,m)=G(m,m)* ( )( ,)*( )( ,1)e mB m mf mI m ;L(m,m)=B(m,m)* ( )( ,)*( )( ,2)e mG m mf mI melse ;( , )( , )* ( )( , )*( )H m nB m ne mG m nf m ;(

31、, )( , )* ( )( , )*( )N m nG m ne mB m nf m 本科生課程設計（論文） ;( , )( , )M m nN m n ;( , )( , )L m nH m nendendendJ=H(2,2),N(2,2),H(2,3),N(2,3),;M(2,2),L(2,2),M(2,3),L(2,3);H(3,2),N(3,2),H(3,3)N(3,3);M(3,2),L(3,2),M(3,3),L(3,3);A=;C=P2;Q2;P3;Q3A=-inv(J)*Cmaxp=C(1);maxq=C(2);for d=1:2:8if(C(d)maxp) maxp=C(

32、d);endendfor t=2:2:8if(C(t)maxq) maxq=C(t);endendif(maxp0.00001&maxq0.00001)e(2)=e(2)+A(2)e(3)=e(3)+A(3)f(2)=f(2)+A(1)f(3)=f(3)+A(3)endendS1=(1.05+j*0)*(G(1,1)+j*B(1,1)*(1.05+j*0)+ (G(1,2)+j*B(1,2)*(e(2)+j*f(2)+ (G(1,3)+j*B(1,3)*(e(3)+j*f(3)S12=(1.05+j*0)*(1.05-e(2)-j*f(2)* (G(1,2)+j*B(1,2)S21=(e(2)+j*f(2)*e(2)+j*f(2)-1.05*(G(2,1)+j*B(2,1)本科生課程設計（論文）S13=(1.05+j*0)*(1.05-e(3)-j*f(3)* (G(1,3)+j*B(1,3)S31=(e(3)+j*f(3)*e(3)+j*f(3)-1.05*(G(3,1)+j*B(3,1)S23=(e(2)+j*f(2)*e(2)+jf(2)-e(3)-f(3)*j* (G(2,3)+