PSAT在電力系統(tǒng)潮流計算教學中的應用

周曉華, 王荔芳, 劉勝永

(1. 廣西科技大學 電氣與信息工程學院, 廣西 柳州　545006；2. 昆明學院 自動控制與機械工程學院, 云南 昆明　650214)

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PSAT在電力系統(tǒng)潮流計算教學中的應用

周曉華1, 王荔芳2, 劉勝永1

(1. 廣西科技大學 電氣與信息工程學院, 廣西 柳州545006；2. 昆明學院 自動控制與機械工程學院, 云南 昆明650214)

將PSAT仿真技術應用于電力系統(tǒng)分析課程計算機潮流計算的教學中,通過電力系統(tǒng)的潮流計算實例,介紹了利用PSAT軟件建模、參數設置及仿真分析的過程。PSAT仿真得到的計算結果與Matpower仿真計算結果基本一致。應用PSAT軟件可使電力系統(tǒng)潮流計算的原理與概念形象化,將原理性內容更直觀地展示出來,有利于加深學生對基本理論的理解,提高電力系統(tǒng)分析課程的教學效果。

潮流計算； 電力系統(tǒng)分析； PSAT； 仿真教學

電力系統(tǒng)潮流計算是電氣工程及其自動化專業(yè)核心課程“電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析”的重要組成部分,也是電力系統(tǒng)最基本、最重要的計算[1]。該計算非常繁瑣,特別是潮流的計算機算法,學生難以理解和掌握。隨著計算機及編程技術的快速發(fā)展,原有的電力系統(tǒng)潮流計算教學模式已不能滿足授課的要求,在原來教學模式的基礎上進行改革和創(chuàng)新就顯得非常必要[2]。在電力系統(tǒng)潮流計算的計算機算法教學中,引入仿真演示環(huán)節(jié),動態(tài)地呈現復雜的計算過程,不但可對抽象的潮流計算機算法理論進一步驗證,還可增強學生的學習興趣,更好地加深對知識的理解。

本文結合電力系統(tǒng)潮流的牛頓-拉夫遜計算機算法的具體教學實例,介紹PSAT仿真技術在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程教學中應用的具體方法。

1　PSAT簡介

電力系統(tǒng)分析工具箱[3](power system analysis toolbox，PSAT)是一種基于Matlab軟件平臺,專門用于電力系統(tǒng)分析的軟件包。PSAT的程序源代碼完全公開,以方便使用者進行二次開發(fā)。此外,PSAT還提供了非常有用的圖形用戶界面和電力系統(tǒng)單線圖編輯器,使用者不但可以根據自己的需要搭建PSAT仿真模型進行仿真,而且還可將其他仿真軟件中的數據轉換成PSAT規(guī)定的格式進行仿真,也可將所搭建的模型參數寫成一個數據文件之后再進行仿真。目前,PSAT可完成潮流計算、連續(xù)潮流、最優(yōu)潮流、小信號穩(wěn)定性分析和暫態(tài)穩(wěn)定時域仿真等功能。為了提高分析的準確性,PSAT的Simulink模型庫還提供了大量的靜態(tài)和動態(tài)模型,如電力系統(tǒng)母線、電力線路、變壓器、PV、PQ和平衡節(jié)點、斷路器、線路故障、恒功率負荷、動態(tài)負荷、同步電機、感應電機、風力發(fā)電機、柔性交流輸電(FACTS)等。

采用PSAT進行電力系統(tǒng)潮流計算的方法較為簡單,在電力系統(tǒng)潮流計算,特別是電力系統(tǒng)潮流計算機算法的課堂教學中引入PSAT仿真環(huán)節(jié),將有助于學生對電力系統(tǒng)潮流計算的學習和理解。

2　牛頓法潮流計算原理

具有n個節(jié)點的電力系統(tǒng),節(jié)點i注入的功率為

(1)

當采用極坐標形式時,將節(jié)點電壓相量Uiejθ和導納Yij=Gij+jBij代入式(1),然后將其按實部、虛部展開并改寫為適合用牛頓法求解的形式后，可得:

(2)

式中,Pis=PGi-PLi為節(jié)點i的凈注入有功功率,PGi、PLi分別為節(jié)點i上發(fā)電機發(fā)出的有功功率和負荷吸收的有功功率,Qis=QGi-QLi為節(jié)點i的凈注入無功功率,QGi、QLi分別為節(jié)點i上發(fā)電機發(fā)出的無功功率和負荷吸收的無功功率,θij=θi-θj為i、j節(jié)點電壓的相位差。

設系統(tǒng)中第1,2,…,m號節(jié)點為PQ節(jié)點,第m+1,m+2,…,n-1號節(jié)點為PV節(jié)點,第n號為平衡節(jié)點,可寫出牛頓法的修正方程式[4]為

(3)

其中

(4)

(5)

由于PV節(jié)點電壓幅值Um+1,Um+2,…,Un-1和平衡節(jié)點電壓給定,方程式(2)有n-1個節(jié)點電壓相位θ1,θ2,…,θn-1、m個PQ節(jié)點電壓幅值U1,U2,…,Um是未知量。

潮流計算步驟如下:(1)給定節(jié)點電壓初值；(2)將給定的節(jié)點電壓初值代入式(2)求節(jié)點功率的不平衡量ΔPi和ΔQi；(3)采用式(5)計算雅可比矩陣元素；(4)求解修正方程式(3)得到節(jié)點電壓的修正量；(5)對節(jié)點電壓進行修正,返回第(2)步作下一輪的迭代計算；(6)將滿足收斂條件的節(jié)點電壓代入式(2)計算平衡節(jié)點功率；(7)計算全部線路的功率。

3　教學實例

本文以圖1所示的2機5節(jié)點電力系統(tǒng)[5]為例,說明PSAT在電力系統(tǒng)潮流計算教學中的具體應用方法。圖中各支路阻抗、對地導納、變壓器漏抗及變比、節(jié)點電壓幅值、功率均為標幺值(pu)。其中,節(jié)點1、2、3為PQ節(jié)點,節(jié)點4為PV節(jié)點,節(jié)點5為平衡節(jié)點,具體參數已標在圖中。

PSAT的建模方法有兩種,一種是直接在*.m文件中輸入數據,另一種是在Simulink中建立網絡模型,在計算后可生成*.m文件[6-7]。為了讓建模過程更為直觀,本文選用第二種建模方法。由于圖1所示2機5節(jié)點系統(tǒng)的接線未給出實際電壓等級,搭建系統(tǒng)模型時,設2臺發(fā)電機側電壓為10 kV,線路側為110 kV,功率基準值取100 MVA,電壓基準值為各級的平均額定電壓[8]。仿真模型的參數設置如下:

變壓器T1:額定容量100 MVA,額定電壓10.5 kV,額定頻率50 Hz,變比10.5 kV/121 kV,漏抗0.015。

變壓器T2:額定容量100 MVA,額定電壓10.5 kV,額定頻率50 Hz,變比10.5 kV /121 kV,漏抗0.003。

線路、負荷按照圖1的參數進行設置。

仿真模型搭建完成后,保存并在PSAT主界面中導入模型。在主界面點擊“Power Flow”可完成潮流計算,點擊“Static Report”即可顯示潮流計算結果,同時在Matlab命令窗口將顯示迭代次數、迭代誤差和計算時間。如要查看網絡參數、各支路功率等較為詳細的潮流計算結果,只需在“Static Report”界面中點擊“Report”按鈕即可生成*.txt文件。

為說明建模過程的正確性和計算結果的準確性,筆者采用Matpower4.1軟件包對2機5節(jié)點系統(tǒng)進行了潮流計算[9-11],并將PSAT計算結果與Matpower計算結果進行了對比。經計算,PSAT迭代4次,Matpower迭代5次,潮流計算結果如表1—表4所示。

由計算結果對比可知,兩種仿真軟件的計算結果非常接近,功率計算存在一定差異是由于圖1中部分參數是根據標幺值關系假設和推導的,兩種軟件的建模方式和過程也有所不同。Matpower建模采用的是直接在固定格式的*.m文件中輸入數據,對發(fā)電機、變壓器等元件可不需要具體參數；PSAT是在Simulink中通過選擇元件庫模型進行搭建系統(tǒng)仿真模型,發(fā)電機、變壓器等元件需要具體參數。

表1　節(jié)點電壓計算結果對比

表2　發(fā)電機功率和負荷功率對比

表3　支路功率計算結果對比

表4　支路功率損耗計算結果對比

除以報表的形式顯示潮流計算結果外,PSAT還可用二維線形圖、條形圖、面積圖、梯形圖、桿圖等展示潮流計算結果,用二維或三維彩色圖來實現潮流的可視化。點擊“Static Report”界面的條形圖按鈕,潮流計算結果就以Matlab圖形文件的形式自動繪出,使用非常簡單和方便。圖2是2機5節(jié)點系統(tǒng)節(jié)點電壓幅值二維桿圖,圖3是發(fā)電機和負荷有功功率的二維桿圖。節(jié)點電壓相角二維桿圖、發(fā)電機和負荷無功功率的二維桿圖與圖2、圖3類似。圖4為各支路潮流的三維圖,節(jié)點電壓幅值和相角三維圖與之類似。

圖2　節(jié)點電壓幅值二維桿圖

圖3　發(fā)電機和負荷有功功率二維桿圖

圖4　支路潮流結果三維圖

4　結語

本文將PSAT仿真技術引入電力系統(tǒng)潮流計算的課堂教學中,采用理論教學與仿真演示相結合的教學模式,可使抽象和枯燥的理論知識形象化和生動化,能有效地提高學生的學習興趣和教學質量[12]。通過仿真演示教學環(huán)節(jié),不僅加深了學生對基本理論的理解和掌握,而且能培養(yǎng)學生利用計算機技術解決工程實際問題的能力和創(chuàng)新實踐能力。

References)

[1] 郭涵,金帥軍.MATPOWER在電力系統(tǒng)教學中的應用研究[J].中國電力教育,2013(19):65-67.

[2] 周凱,吳曉剛,那日沙,等.Saber仿真技術在電力電子教學中的應用[J].實驗技術與管理,2015,32(4):127-129.

[3] Federico Milano. An Open Source Power System Analysis Toolbox[J].IEEE Transactions on Power systems,2006,20(3):1199-1206.

[4] 邱曉燕,劉天琪.電力系統(tǒng)分析的計算機算法[M].北京:中國電力出版社,2009.

[5] 韓禎祥.電力系統(tǒng)分析[M].杭州:浙江大學出版社,2009.

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[7] 崔健,吳雪霞.電力系統(tǒng)動態(tài)分析軟件PSAT實用化驗證與應用[J].電源技術應用,2013(11):75-77.

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[11] 韓肖清,肖宇,張海燕.MATPOWER在電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流實時電價中的應用[J].太原理工大學學報,2005,36(3):242-245.

[12] 結碩,韓光勝.Matlab在自動控制原理實驗中的應用[J].實驗技術與管理,2012,29(2):95-97,108.

Application of PSAT simulation software in teaching of power flow calculation

Zhou Xiaohua1, Wang Lifang2, Liu Shengyong1

(1. School of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, China；2. School of Automatic Control and Mechanical Engineering,Kunming Institute, Kunming 650214, China)

In order to improve the teaching effect of the course of Power System Analysis, the PSAT simulation technology can be applied to the teaching of power flow calculation using computer in Power System Analysis course. This paper introduces the software modeling, analysis, parameter settings and simulation process by using the case of power flow calculation. The calculation results obtained by simulation experiments are in accordance with the calculation results of Matpower simulation software. The application of PSAT software makes the principles or concepts of power flow calculation visualized and displays the original rational content more intuitive. The flexible use of simulation teaching plays a vital role for enhancing the students’ learning interest, deepening students’ understanding of the basic theory of power flow calculation.

power flow calculation; power system analysis; PSAT; simulation teaching

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.030

2015- 06- 14修改日期：2015- 07- 16

廣西高等教育教學改革工程項目(2012JGA180)；廣西科技大學教育教學改革工程項目“提高電氣工程及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質量的研究與實踐”

周曉華(1976—),男,云南牟定,碩士,副教授,主要從事電氣工程及其自動化專業(yè)的教學和科研工作.

E-mail：zhxh76@126.com

TM744；G642.4

A

1002-4956(2016)1- 0118- 04