基于PSASP的潮流計(jì)算分析

，，

(陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

1 引言

近年來我國電力行業(yè)迅速發(fā)展，長距離、大功率和大容量的超高壓互聯(lián)網(wǎng)在電網(wǎng)中逐步發(fā)展起來。可靠、安全、經(jīng)濟(jì)是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求。在電力系統(tǒng)運(yùn)行管理過程中，電網(wǎng)潮流是確定電網(wǎng)運(yùn)行方式的基本出發(fā)點(diǎn)，規(guī)劃方案的合理性可以在潮流分析當(dāng)中進(jìn)行有效的驗(yàn)證，在實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境下的電網(wǎng)中，預(yù)想操作情況下，潮流提供了電網(wǎng)的潮流分布以校驗(yàn)運(yùn)行可靠性。電力系統(tǒng)分析當(dāng)中，潮流計(jì)算是一種最基本的計(jì)算，對復(fù)雜電力系統(tǒng)來說，無論正常還是故障條件下都能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的計(jì)算。潮流計(jì)算的目標(biāo)是求取電力系統(tǒng)在給定運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算，也就是求取在整個(gè)輸電線路及各個(gè)節(jié)點(diǎn)和變壓器上電壓和功率的分布，用以檢查在輸電過程中各系統(tǒng)元件是否過負(fù)荷，線路末端電壓是否滿足要求，同時(shí)能夠計(jì)算輸電線路中各種元件的功率損耗，最終來確定功率的分布和分配是否合理。潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)當(dāng)中最基本的運(yùn)算，同時(shí)，對電力系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和暫態(tài)分析都是以潮流計(jì)算為基礎(chǔ)[1-4]。基于PSASP 軟件可有效、方便、快捷地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)潮流計(jì)算，本文以WSCC-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，應(yīng)用PSASP 軟件進(jìn)行潮流計(jì)算分析[5]。

2 PSASP簡介

PSASP(Power System Analysis Software Package)是中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的電力系統(tǒng)分析程序，目前在我國電力行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，PSASP 功能不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的潮流、暫態(tài)穩(wěn)定、小干擾穩(wěn)定等各種計(jì)算，涉及了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、線性、非線性各種分析[6]?？梢岳L制各種電網(wǎng)圖形，包括單線圖、地理位置接線圖、廠站主接線圖。此軟件擁有安全的數(shù)據(jù)構(gòu)架，在數(shù)據(jù)上有層次化的保護(hù)，從而保證了數(shù)據(jù)和圖形的一致性。同時(shí)，該軟件還具備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)校驗(yàn)功能，能夠?qū)τ?jì)算模塊中的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。除此之外，PSASP在對電力系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)果的分析時(shí)能夠以報(bào)表的形式輸出，向AutoCAD，Matlab，Excel等通用軟件開放[7]。

3 PSASP潮流計(jì)算模塊應(yīng)用分析

3.1 潮流計(jì)算的數(shù)學(xué)模型特點(diǎn)

潮流計(jì)算在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為求解非線性方程組，其數(shù)學(xué)模型簡寫為：

F(x)=0為一非線性方程組

其中：F=(f1,f2,…,fn)T為節(jié)點(diǎn)平衡方程式；

X=(x1,x2,…,xn)T為待求的各結(jié)點(diǎn)電壓。

對于非線性方程組問題，其各種求解方法都離不開迭代，因此，存在迭代是否收斂的問題，為此，理論上提出了PQ分解法、牛頓法(功率式)、最優(yōu)因子法、牛頓法(電流式)、PQ分解轉(zhuǎn)牛頓法供計(jì)算選擇，以保證計(jì)算的收斂性。

3.2 PSASP潮流計(jì)算的主要功能和特點(diǎn)

(1)擁有強(qiáng)大的計(jì)算分析能力，可計(jì)算交直流混合電力系統(tǒng)，能夠考慮負(fù)荷靜態(tài)特性，除了可以考慮一般的PQ節(jié)點(diǎn)外，還可以對該節(jié)點(diǎn)的電壓值加以限制，如：

Vmin≤V≤Vmax

可以對該節(jié)點(diǎn)的無功功率加以限制，如：

Qmin≤Q≤Qmax

能自動(dòng)進(jìn)行全網(wǎng)的拓?fù)浞治?，提供潮流?shù)據(jù)檢查功能，方便用戶發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，而且?guī)讉€(gè)孤立的電網(wǎng)可以同時(shí)計(jì)算，此特點(diǎn)可以通過為每個(gè)孤立的電網(wǎng)設(shè)置一個(gè)平衡點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

(2)強(qiáng)大的圖形功能。單線圖上的潮流方式能夠進(jìn)行修改，可以在單線圖和地理位置接線圖上顯示潮流初始數(shù)據(jù)及潮流計(jì)算結(jié)果。該系統(tǒng)可以自動(dòng)通過電網(wǎng)元件瀏覽器對潮流結(jié)果進(jìn)行圖示化輸出[8]。

(3)該程序擁有許多控制調(diào)節(jié)功能。

① 用某一個(gè)母線的電壓或無功功率去控制同一母線或另一母線的電壓值。

② 用某一母線的電壓或無功功率去控制某一線路的無功功率。

③ 用注入某一母線的有功功率去控制某一線路的有功功率。

3.3 潮流計(jì)算的程序應(yīng)用

對于常規(guī)潮流計(jì)算，其極坐標(biāo)形式為：

(1)

(2)

牛頓電流法之所以收斂速度快，是因?yàn)椴捎昧伺ｎD法作為優(yōu)化方法，使得最優(yōu)潮流算法具有二次收斂速度，能通過少數(shù)幾次迭代便收斂而達(dá)到最優(yōu)。最優(yōu)潮流牛頓算法首先構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：

L(x,λ)=f(x)+λTg(x)

(3)

定義向量z=[x,λ]T，應(yīng)用下式：

(4)

應(yīng)用式(5)可得到應(yīng)用海森矩陣法來求最優(yōu)解點(diǎn)z*的迭代方程式：

(5)

或者可以更簡介的方式表示為：

WΔz=-d

式中,W及d分別為L對于z的海森矩陣及梯度向量。

4 實(shí)例分析

4.1 系統(tǒng)單線圖

本文以WSCC-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行潮流分析。本系統(tǒng)由三臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，三臺(tái)發(fā)電機(jī)容量都是100MVA，其中發(fā)電1為平衡節(jié)點(diǎn)，發(fā)電2和發(fā)電3均為PV節(jié)點(diǎn)，負(fù)荷所連母線的節(jié)點(diǎn)類型為PQ節(jié)點(diǎn)。三臺(tái)變壓器的連接方式是三角形/星形接線。系統(tǒng)的參數(shù)分布如圖1所示。

圖1 WSCC-9系統(tǒng)單線圖

4.2 潮流分布圖

在系統(tǒng)單線圖完成之后，進(jìn)行系統(tǒng)的潮流計(jì)算，系統(tǒng)的潮流分布如圖2所示。從圖中我們可以看到系統(tǒng)總共發(fā)出3.2W的有功功率，發(fā)出0.23Var的無功功率，在線路上的有功損耗為0.046，無功損耗為-0.922。從圖中可以看到功率的分布及流向，若要對潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，例如負(fù)荷STNA的有功功率從1.25調(diào)到3.0則在潮流計(jì)算模式下，雙擊單線圖中STNA的圖標(biāo)，直接在彈出的對話框中進(jìn)行修改即可。

4.3 潮流分析與報(bào)表

潮流結(jié)果報(bào)表以Excel報(bào)表形式輸出系統(tǒng)中所有元件的結(jié)果，包括總的有功發(fā)電，總的有功負(fù)荷，總的有功損耗。以下報(bào)表數(shù)據(jù)均為標(biāo)么值輸出，本系統(tǒng)部分元件輸出結(jié)果如表1～表4所示。

圖2 系統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果

全網(wǎng)總有功發(fā)電/pu總無功發(fā)電/puCosθg/pu總有功負(fù)荷/pu總無功負(fù)荷/puCosl/pu總有功損耗/pu總無功損耗/pu31960228099731511509390046-0922

表2 發(fā)電機(jī)結(jié)果輸出

表3 負(fù)荷結(jié)果報(bào)表

表4 兩繞組變壓器報(bào)表

4.4 改造后的系統(tǒng)單線圖及潮流分布

若母線STNB-230處的負(fù)荷突然增加，則需要對原系統(tǒng)進(jìn)行改造，具體方法是：在母線GEN3-230和STNB-230之間加一個(gè)輸電線，增加發(fā)電3的出力及其出口變壓器的容量。改造后的單線圖及潮流分布圖如圖3,圖4所示。

系統(tǒng)改造后，通過與改造前的潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，系統(tǒng)總的有功發(fā)電有明顯提高，無功電能有所降低，總的有功負(fù)荷由3.15變?yōu)?.75，功率因數(shù)有所提高，但是線路上的損耗有所增加。

圖3 改造后的單線圖

圖4 改造后的潮流分布圖

4.5 改造后的報(bào)表輸出

改造后輸出結(jié)果如表5～表7所示。

表5 改后發(fā)電機(jī)輸出

表6 改后負(fù)荷報(bào)表

表7 改后變壓器報(bào)表

在母線為STNB-230的負(fù)荷有所增加的情況下，經(jīng)過對原系統(tǒng)進(jìn)行改造后，通過與表1到表4的比較，由表5～表7可以觀察到，改后發(fā)電機(jī)的有功發(fā)電增加了0.45，且總的有功發(fā)電增加了0.751；相對應(yīng)的變壓器容量出口有所增加，I側(cè)有功增加了0.45，同時(shí)J側(cè)有功也有所提高。

5 結(jié)語

本文利用PSASP電力系統(tǒng)仿真程序?qū)SCC-9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)改造前后分別進(jìn)行潮流分析，通過計(jì)算可以求得系統(tǒng)各母線節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角，以及各支路的功率分布、網(wǎng)絡(luò)的功率損耗等。從而證明PSASP能夠很好地分析實(shí)際電網(wǎng)的潮流分布和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變，能夠滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與規(guī)劃的仿真需要，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 楊清，高雁.基于PSASP的潮流計(jì)算及其應(yīng)用[J].電測與儀表，2010，47(4A):2.

[2] 張偉，郭偉.基于PSASP的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010(7)：1-3.

[3] 張良海.基于PSASP的電網(wǎng)潮流分析[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012,(4):1-2.

[4] 楊明，朱雪雄，李文進(jìn),等.基于PSASP的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算分析[J].電子測試，2016，(3):1-3.

[5] 鄭軍超，張亞萍.基于PSASP的電力系統(tǒng)短路電流的研究[J].硅谷，2013，(4):1.

[6] 謝妍，毛哲，李素芬.基于PSASP的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算研究[J].科技信息，2010，(36)：1.

[7] PSASP7.1版圖模一體化平臺(tái)用戶手冊[M].中國電力科學(xué)研究院，2015：1-4.

[8] PSASP7.1版潮流計(jì)算用戶手冊[M].中國電力科學(xué)研究院，2015：111-115.