电力系统03.docx
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电力系统03
电力系统分析课程设计
专业：
电气工程及其自动化
设计题目：
电力系统分析课程设计
班级：
电自1141
学生姓名：
3
学号：
03
指导教师：
高纯斌
分院院长：
许建平
教研室主任：
高纯斌
电气工程学院
一、课程设计任务书
1.课程题目
电力系统分析课程设计
2.设计内容
供配电网络潮流仿真设计
1）设计具体内容、计算参数、总负荷容量等设计数据已给出；
1）完成电力网络电能分配设计；
2）完成电力网络功率补偿；
3）完成电力网络各节点短路故障的计算；
4）撰写课程设计报告；
5）完成课程设计答辩。
3.课程设计报告要求
课程设计报告应包括以下内容：
A、本次设计的主要内容、设计题目、设计目录、供配电网络仿真图及数据结果、补偿结果、短路数据，使用设备清单、设备选择公式、计算过程、选择依据。
B、课程设计总结。
包括本次课程设计过程中的收获、体会，以及对该课程设计的意见、建议等。
C、全文不少于3000字。
如出现报告雷同，经查实后抄袭学生成绩按不及格处理。
4.参考资料
1.电力系统分析。
2.powerworld使用说明书。
5.设计进度（2013年11月25日至12月6日）
时间
设计内容
第1-2天
查阅资料，方案比较、设计与论证，理论分析与计算
第3-8天
完成电力网络规划
第9-12天
系统负荷计算、短路计算、功率因素补偿
第13-14天
绘制图纸、书写报告、答辩
6.答疑地点
新实验楼321
目录
第一章绪论3
1.1电力系统及其发展3
1.2发电4
1.2.1火力发电厂5
第二章PowerWorld软件介绍6
2.1PowerWorld软件的简介6
2.2PowerWorld软件的功能7
2.2.1基本功能7
2.2.2高级功能8
2.3PowerWorld的广泛应用9
第三章PowerWorld软件的实例应用10
3.1绘制电力系统单线图10
3.1.1创建工程实例10
3.1.2添加电力元件10
第四章电力网的潮流计算12
4.1潮流计算的概念12
4.2潮流计算的公式应用13
4.2.1网络元件的电压降落和功率损耗13
4.2.2网络元件的参数计算14
4.3潮流计算的特点14
4.3.1迭代算法及其收敛性14
4.3.2最优潮流方面的典型论文14
4.4实例潮流计算16
4.4.1潮流计算16
4.4.2潮流计算个元件信息表16
4.5短路计算21
第五章PowerWorld实际的应用22
5.1PowerWorld仿真图22
5.2节点潮流计算24
5.3节点短路计算24
第六章课程设计总结25
参考资料26
第一章绪论
1.1电力系统及其发展
电能是现代社会中最重要、最方便的能源。
电能具有许多优点，它可以方便地转化为别种形式的能，例如机械能、热能、化学能等；它的输送和分配易于实现；它的应用方式也很灵活。
因此，电能被日益广泛地应用于工农业、交通运输业以及人民的日常生活中。
以电作为动力，可以促进工农业生产的机械化和自动化，保证产品质量，大幅度提高劳动生产率。
另外，提高电气化程度，以电能代替其他形式的能量，也是节约总能源消耗的一个重要途径。
发电厂把别种形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的别种能量。
这些生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起而组成的整体称为电力系统。
如果把火电厂的汽轮机、锅炉、供热管道和热用户，水电厂的汽轮机和水库等动力部分也包括进来，就称为电力系统。
采用热动能的动力系统和电力系统的简单示意图1-1所示。
电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网，它包括升压变压器、降压变压器、相关变电设备，以及各种电压等级的输电线路。
电力系统和电力网的元件构成如图1-2所示。
图1-1动力系统、电力系统和电力网示意图
图1-2电力系统和电力网示意图
1.2发电
发电厂是电能生产的核心，负担着把不同种类的一次能源转换成电能的任务。
煤炭、石油、天然气、水力、太阳能、风能等自然能源，是能量的直接提供者，称为一次能源。
电能是由一次能源转换而成的，称为二次能源。
依据一次能源的不同，可分为燃烧煤、石油、天然气发电的储诸如地热发电厂、潮汐发电厂和风力发电厂等。
目前世界的电源构成中，火力发电设备容量占得比重最大，占70%以上；水电设备容量占第二位，约20%；核动力发电的设备容量不足10%。
目前，在现代电力工业中，几乎都是采用同步交流发电机，推动转子旋转的原动机主要有汽轮机、水轮机、风机。
太阳能发电方式主要分为光热发电和光伏发电。
光热发电是反光镜集热产生蒸汽，再利用汽轮机发电；而光伏发电则是用光电池直接把太阳能转化为电能，发电原理与传统交流发电机有所不同。
燃料电池也是一种新的发电形式，它是将化学能转化为电能。
发电机组由原动机、同步发电机和励磁系统组成。
原动机将一次能源（化石燃料、核能和水能等）转换为机械能，再由同步发电机转化成电能。
发电机为三相交流同步发电机。
现代发电技术包括超临界和超超临界的发电技术；高效脱硫装置，循环流化床（CFBC）和整体煤气化联合循环（IGBC）等清洁煤燃烧技术；大型水电技术装备和低水头贯流机组、抽水蓄能机组制造技术；核电技术等。
电力系统中的发电厂主要有火力发电厂、水力发电厂、核能发电厂、风力发电厂和太阳能发电厂等多种类型。
各类电厂由于设备容量、机组规格和使用的能源不同，因而有着不同的技术经济特性。
在电力系统中必须结合它们的特点以及国家的能源政策合理地确定它们的运行方式，以便提高全系统的经济性和整体社会效益。
1.2.1火力发电厂
火力发电厂主要由锅炉、汽轮机和发电机组成。
锅炉所用的燃料为煤（油或天然气），锅炉产生蒸汽，送到汽轮机，靠蒸汽膨胀做功，将储存在过热蒸汽中的热能转变为汽轮机转子的机械能，带动同轴的发电机转子旋转发出电能。
已做过功的蒸汽，经冷却后又重新回到锅炉，进行循环使用。
火力发电厂的主要特点是：
（1）火力发电厂的锅炉
第二章PowerWorld软件介绍
2.1PowerWorld软件的简介
PowerWorld是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序，其设计特点是用户界面友好以及优异的交互性能。
交互能力和可视化方法使它在胜任严谨的电网运行分析的同时，还可以用来向非专业人员阐明电力系统的运行原理和进行专业培训。
V11.0版的PowerWorld集电力系统潮流计算、灵敏度分析、静态安全分析、短路电流计算、经济调度EDC/AGC，最优潮流OPF、无功优化，GIS功能、电压稳定分析PV/QV、ATC计算、用户定制模块等多种庞大复杂功能于一体，并利用数据挖掘技术实现强大丰富的三维可视化显示技术。
使用方便、功能强大、可视化程度相当高，其界面如图1.1所示，图中所示系统为广西电网2010年三维可视化运行全景图。
PowerWorld可视化程序确切地说是多个产品的集成。
它的核心是一个综合的、强大的潮流计算的软件，它可以有效地求解多达100,000个节点的大型复杂电力系统。
这使得PowerWorld作为一个独立的潮流分析软件包十分有用。
与其他同类商业应用软件不同的是：
PowerWorld允许用户通过可缩放的彩色动画单线图来模拟一个系统。
用户可以运用可视化分析程序个性鲜明的示例（CASE）编辑器对模型任意进行修改直至满意。
在PowerWorld可视化分析程序中，输电线路的投切、负荷调整、发电机的投退及其各种功能切换以及联络线的建立等等，这一切只需点击鼠标就可完成。
此外，图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在的问题和限制条件的理解.并且知道如何采取补救措施。
PowerWorld提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。
同样它可以可视化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化，以及因此产生的系统运行状况的变化。
这项功能在解释例如电网扩建引起网络结构变化等问题上十分有用。
PowerWorld可视化分析程序还具有一体化的经济调度、联络线功率交换经济性分析、功率传输分配因子（PTDF）计算、短路计算和故障分析的强大功能，所有这一切都通过一个主界面来实现。
PowerWorld可视化分析程序的上述特性被集成在一起，在软件安装完毕后即可领略到它的庞大功能。
PowerWorld仿真器是美国伊利诺伊大学电气及计算机工程系开发的个基于潮流计算的可视化仿真软件,其强大的对电力系统分析能力及其可视化环境,以及良好的交互性,交互能力和图形化法等特点,使它在胜任严谨的工程分析的同时,适用于向非专业人员演示杂的电力系统运行并计算。
PowerWorld是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序，其设计特点是用户界面友好以及优异的交互性能。
交互能力和可视化方法使它在胜任严谨的电网运行分析的同时，还可以用来向非专业人员阐明电力系统的运行原理和进行专业培训。
V11.0版的PowerWorld集电力系统潮流计算、灵敏度分析、静态安全分析、短路电流计算、经济调度EDC/AGC，最优无功优化，GIS等。
2.2PowerWorld软件的功能
2.2.1基本功能
PowerWorld程序有2种重要的操作模式：
编辑模式和运行模式。
编辑模式用来创建新模型或修改己存在的工程示例；而运行模式则用来模拟演示实际系统，使用程序具有的各种先进的工具对所建立的电力系统模型进行各种可视化分析。
通过点击程序栏的EDITMODE（编辑模式）和RUNMODE（运行模式）按钮，可在两者之间随意切换。
每种模式下菜单中的命令不同。
通过文件面板（File）可进行存盘、打印、读取等操作。
本栏也提供了联机帮助和查错工具。
PowerWorld仿真器允许用户用几种不同的格式存储工程。
选择主菜中File中的SaveAs项可出现对话框，在对话框左下角存储文件类型一栏中可选择所需的保存格式。
仿真器能以二进制格式（默认值），PTI版本V23～30所用的原始数据类型、IEEE通用格式和GEEPC等格式来存储工程。
编辑面板（Edit）包括一些工程编辑工具。
可剪切或复制单线图上的单个设备或原件并把它粘贴在原图或其他图中。
同样也可通过通常的选取操作或矩形框对一组元件进行相同的操作。
用插入面板（Insert）按钮可在现有的单线图上添画新组元。
这些组元包括电力系统的元件如节点、输电线、变压器、负荷、发电机和“地区（AREA）”,“区域（ZONE）”以及诸如“饼图（PIECHART）”等提供测量、标注和咨询信息的框件。
也可添加文本框或矩形、椭圆形、弧形等形状的显示框，而这些均与系统中其它设备无关。
通过格式面板（Format）可改变字体、颜色、线型、图形放大比例及其原件所属层次等。
也可设定不同绘图参数的缺省值，并在必要时重设这些值。
为显示复杂的电力系统运行图，PowerWorld可视化分析程序可放大和移动单线图。
可在图像缩放面板中直接指定放大的尺寸，也可通过选定图中某一矩形区域来设定放大倍数。
本栏包含一对话框.可以通过它选择以某一母线为中心显示单线运行图。
通过选项/信息栏（Options），可迅速查阅PowerWorld可视化分析程序的有关信息和设置选项。
可设置有关仿真和求解的选项、定义过滤显示、进行单步潮流计算、电压等高线动态着色、各种运行报表和区域控制误差分析、网络拓扑结构分析、二维和三维可视化运行图切换以及工程所包含的原件的所有属性和相关运行参数和控制参数的显示和修改。
这两个栏目在编辑模式和运行模式下根据需要不尽相同。
工具栏（Tools）提供母线运行信息浏览、全网潮流浏览和指定母线或线路潮流运行信息、静态安全分析、可用传输容量ATC计算、短路电流计算、各种灵敏度分析、电气岛分析、网损计算、功率传输分布因子计算、强制潮流设置与计算、地理信息功能加载（GIS）、制作影视剪接，负荷和出力调整等高级功能。
仿真栏（Simulation）提供仿真所采用的各种算法，包括极坐标和直角坐标的牛顿－拉夫逊法、快速解耦算法、单步法、交直流系统混合潮流计算、鲁棒性潮流加速计算、最优潮流计算、潮流计算启动终止设置和不收敛的处理办法以及脚本文件的相关处理。
最优潮流（LPOPF）栏提供常规最优潮流计算、考虑各种运行约束和经济约束的最优潮流计算以及相关参与最优潮流的系统各种原件参数的设定和修改。
电压安全性和稳定性分析工具（VSAT）以内置的牛顿一拉夫逊法进行的潮流计算为基础，允许用户在某特定传输容量下求解多重潮流解，从而得到给定节点的PV或QV曲线。
电压安全性和稳定性分析（VSAT）的目的是在用户定义的传输容量自动增加时允许用户监视系统的任一参数。
电压安全性和稳定性仿真计算结束后用户可用可视化仿真曲线显示所监视的参数。
2.2.2高级功能
除了上述各功能，PowerWorld可视化分析程序还提供方便快捷的局部菜单（在运行图上右击鼠标），主要有限值监视设定、越限后文本区自动改变颜色、可视化显示内容和参数设定、全屏切换显示和分屏耦合显示、快速查找和定位、鹰眼漫游、负荷预测可视化、考虑气候变化的系统运行状态分析、用户自定义界面、新的插入模板、母线颜色自动选择、动画率可调、饼图和线路颜色的协调等功能。
另外还包括潮流计算收敛性加速算法设定、缺省绘图值功能、过滤选项、常用表达的定义、移相器建模、直流线路建模、在线帮助、系统数据导入导出、自动插入和外挂用户自编程序扩展标准接口等高级功能。
2.3PowerWorld的广泛应用
电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划和设计的重要手段。
电力系统仿真分析软件是用数学模型和数值方法对系统的运行特性进行研究，可用来确定规划设计方案、拟定运行方式、整定自动装置的控制参数、进行事故分析和辅助运行人员作出正确的决策；此外还可用于教学和培训。
由于目前电力系统仿真研究工作主要集中在潮流分析、电磁暂态分析、机电暂态分析及新装置、新电气现象的原理特性分析等，长过程分析和实时分析进行得相对较少，因此这类软件应用亦不太普遍，而且这类软件的专业性很强，对使用者的专业知识要求较高。
因此笔者在电气工程课程的教学中尝试引入交互性更强、更易于初学者理解和掌握的可视化分析程序PowerWorldSimulator，收到了较好的教学效果。
第三章PowerWorld软件的实例应用
3.1绘制电力系统单线图
PowerWorld有两种重要的操作模式，编辑模式和运行模式。
编辑模式用来创建新模型，绘画样列或修改己存在的工程示例；而运行模式则用来模拟演示实际系统，使用程序具有的各种先进的工具对所建立的电力系统模型进行各种可视化分析。
每种模式下菜单中的命令不同。
3.1.1创建工程实例
打开PowerWorldsimulator13软件，单击左上角“文件”图标，选取“新建实例”创建一个新的工程示例文件。
如图2.1所示：
图2.1创建的工程界面
3.1.2添加电力元件
1.添加母线元件：
在编辑模式下单击工具栏中的“绘图”，再点击插入对象中的“网络”选择“节点”，在面板空白处的合适位置单击鼠标左键，确定母线位置。
此时自动弹出母线信息对话框，填入母线相关信息，再单击“确定”，则母线添加完成。
2.添加发电机元件：
从“网络”中点击选择“发电机”，在与该发电机连接的母线处点击左键，则弹出发电机信息对话框，填入发电机相关信息，再单击“确定”，然后适当调整发电机位置，则发电机添加完毕。
3.添加变压器元件：
从“网络”中点击选择“变压器”，先左键单击连接该变压器的两条母线中的一条，然后左键双击另一条母线则会在画面上添加变压器，并弹出变压器控制信息对话框，填入变压器相关参数，在单击“确定”则变压器模型添加成功。
4.添加线路元件：
从“网络”中点击选择“线路”，先左键单击连接该传输线路的两条母线中的一条，然后左键双击另一条母线，则会在画面上添加传输线，并弹出传输线控制信息对话框，填入传输线相关参数，则传输线模型添加成功。
通过线路对话框，也可以添加串联电容器。
5.添加负荷元件：
从“网络”中点击选择“负荷”，在与该负荷连接的母线处点击左键，则弹出负荷信息对话框，填入负荷相关信息，再单击“确定”，然后适当调整负荷位置，则负荷模型添加完毕。
6.绘制单线图：
根据实际要绘制的电力系统网络，按照上述的添加元件的方法，进行元件的添加，在添加元件的过程中按照要求对个元件进行参数设置，绘制好的系统单线图如图2.2所示：
图2.2系统图
第四章电力网的潮流计算
4.1潮流计算的概念
电力系统潮流计算是电力系统最基本的计算，也是最重要的计算。
所谓潮流计算，就是已知电网的接线方式与参数及运行条件，计算电力系统稳态运行各母线电压、各支路电流与功率及网损。
对于正在运行的电力系统，通过潮流计算可以判断电网母线电压、支路电流和功率是否越限，如果有越限，就应采取措施，调整运行方式。
对于正在规划的电力系统，通过潮流计算，可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。
潮流计算还可以为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。
潮流计算（loadflowcalculation）根据电力系统接线方式、参数和运行条件计算电力系统稳态运行状态下的电气量。
通常给定的运行条件目前广泛应用的潮流计算方法都是基于节点电压法的，以节点导纳矩阵Y作为电力网络的数学模型。
节点电压Ui和节点注入电流Ii由节点电压方程
（1）联系。
在实际的电力系统中，已知的运行条件不是节点的注入电流，而是负荷和发电机的功率，而且这些功率一般不随节点电压的变化而变化。
由于各节点注入功率与注入电流的关系为Si=Pi +jQi=UiIi，因此可将式
（1）改写为
（2）式中，Pi和Qi分别为节点i向网络注入的有功功率和无功功率，当i为发电机节点时Pi﹥0；当i为负荷节点时Pi﹤0；当i为无源节点Pi=0，Qi=0；Ui和Ii分别为节点电压相量Ui和节点注入电流相量Ii的共轭。
式
（2）有n个非线性复数方程，亦即潮流计算的基本方程式。
它可以在直角坐标也可以在极坐标上建立2n个实数形式功率方程式。
已知网络的接线和各支路参数，可形成潮流计算中的节点导纳矩阵Y。
潮流方程式
（2）中表征系统运行状态变量是注入有功功率Pi、无功功率Qi和节点电压相量Ui（幅值Ui和相角δi）。
n个节点的电力网有4n变量，但只有2n个功率方程式，因此必须给定其中2n个运行状态变量。
根据给定节点变量的不同，可以有以下三种类型的节点。
PU节点（电压控制母线）有功功率Pi和电压幅值Ui为给定。
这种类型节点相当于发电机母线节点，或者相当于一个装有调相机或静止补偿器的变电所母线。
PQ节点注入有功功率Pi和无功功率Qi是给定的。
相当于实际电力系统中的一个负荷节点，或有功和无功功率给定的发电机母线。
平衡节点用来平衡全电网的功率。
平衡节点的电压幅值Ui和相角δi是给定的，通常以它的相角为参考点，即取其电压相角为零。
一个独立的电力网中只设一个平衡节点。
从数学上说，潮流计算是求解一组由潮流方程
（2）描述的非线性代数方程组。
牛顿-拉夫逊方法是解非线性代数方程组的一种基本方法，在潮流计算中也得到应用。
当采用了稀疏矩阵技术和节点优化编号技术后，牛顿-拉夫逊潮流算法成为电力系统潮流计算中的优秀算法，至今仍是各种潮流算法的基础。
此外，还有各种快速潮流计算方法（例如直流潮流和快速分解潮流算法）、扩展潮流计算方法（例如最优潮流、动态潮流、随机潮流、开断潮流等）、交直流联合系统潮流计算、不对称电力系统潮流计算和谐波潮流计算方法等，以满足各种特殊要求的潮流计算。
4.2潮流计算的公式应用
4.2.1网络元件的电压降落和功率损耗
1．网络元件的电压降落
同样,也可由首端电压和功率求得末端电压
2.网络元件的功率损耗
（线路）
（变压器）
3．输电效率
4.2.2网络元件的参数计算
4.3潮流计算的特点
4.3.1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：
1.PQ分解法
2.牛顿法（功率式）
3.最佳乘子法
4.牛顿法（电流式）
5.PQ分解法牛顿法
以上五点供计算选择，以保证计算的收敛性。
4.3.2最优潮流方面的典型论文
文献[电力系统最优潮流新算法的研究]以NCP方法为基础,提出了一种新的求解最优潮流算法——投影渐近半光滑牛顿型算法。
该文献以NCP方法为基础，提出了一种新的求解OPF算法——投影渐近半光滑牛顿型算法。
针对电力系统的特点，本文的研究工作如下：
1.建立了与OPF问题的KKT系统等价的带界约束的半光滑方程系统。
与已有的NCP方法相比，新的模型由于无需考虑界约束对应的对偶变量（乘子变量），降低了问题的维数，从而适用于解大规模的电力系统问题。
2.基于建立的新模型，本文提出了一类新的Newton型算法，该算法一方面保持界约束的相容性，另一方面有较好的全局与局部超线性收敛性，同时，算法结构简单，易于实现。
3.考虑到电力系统固有的弱耦合特性，受传统解耦最优潮流方法的启示，在所提出的新Newton型方法的基础上，本文又设计了一类分解方法。
新方法基于解耦——校正的策略实现算法，不仅充分利用了系统的弱耦合特性，同时保证分解算法在理论上的收敛性。
4.根据所提出的两种算法，用标准的IEEE电力测试系统进行数值实验，并与已有的其他方法进行比较。
结果显示新算法具有良好的收敛性和计算效果，在电力系统的规划与运行方面将有广阔的应用前景。
文献[基于可信域内点法的最优潮流问题研究]介绍了OPF内点法具有收敛性强、多项式时间复杂性等优点，是极具潜力的优秀算法之一。
电力系统不断发展，使得OPF算法跻身于极其困难、非凸的大规模非线性规划行列。
可信域和线性搜索方法是保证最优化算法全局收敛性能的两类技术，将内点法和可信域、线性搜索方法有机结合，构造新的优化算法，是数学规划领域的研究热点。
对于一些特殊性质的潮流计算问题有直流潮流计算方法、随机潮流计算方法和三相潮流计算方法。
直流潮流计算方法，文献[基于改进布罗伊登法的交直流潮流计算]主要介绍在分析求解非线性方程组的布罗伊登法和一种改进的布罗伊登法的基础上,针对交直流混联系统,运用改进的布罗伊登法,提出了一种潮流计算的统一迭代法,设计了算法的具体实现步骤,并以一个IEEE9节点修改系统进行仿真计算,结果表明本文采用的改进布罗伊登法交直流潮流计算方法有效可行。
文献[基于直流潮流和分布因子三母线系统脆性源辨识技术]提出了基于直流潮流和分布因子法相结合,提出了快速找到系统脆性源的方法和步骤。
通过对3节点电力系统脆性源的辨识,证明了此方法的有效性。
文献[计及双馈风力发电机内部等值电路的电力系统随机潮流计算]研究了含变速恒频双馈式发电机的风电场接入系统后对电压质量的影响,在双馈式发电机简化等值电路的基础上建立了风电场的确定性潮流模型,建立了风力发电机的随机分析模型,并在这二者的基础上运用基于半不变量法的随机潮流进行计算。
文献[计及分布式发电的配电系统随机潮流计算]提出了计及分布式发电的配电系统随机潮流计算。
4.4实例潮流计算
4.4.1潮流计算
绘制好系统单线图后对绘制的系统进行潮流计算，计算方法如下：
在运行模式下单击工具栏的“工具”按钮，然后单
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