基于PSASP的潮流計算分析

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(陜西理工大學電氣工程學院，陜西 漢中 723000)

1 引言

近年來我國電力行業迅速發展，長距離、大功率和大容量的超高壓互聯網在電網中逐步發展起來。可靠、安全、經濟是電力系統運行的基本要求。在電力系統運行管理過程中，電網潮流是確定電網運行方式的基本出發點，規劃方案的合理性可以在潮流分析當中進行有效的驗證，在實時運行環境下的電網中，預想操作情況下，潮流提供了電網的潮流分布以校驗運行可靠性。電力系統分析當中，潮流計算是一種最基本的計算，對復雜電力系統來說，無論正常還是故障條件下都能夠進行穩態運行的計算。潮流計算的目標是求取電力系統在給定運行狀態的計算，也就是求取在整個輸電線路及各個節點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元件是否過負荷，線路末端電壓是否滿足要求，同時能夠計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。潮流計算是電力系統規劃設計當中最基本的運算，同時，對電力系統進行靜態和暫態分析都是以潮流計算為基礎[1-4]。基于PSASP 軟件可有效、方便、快捷地實現電網潮流計算，本文以WSCC-9節點系統為例，應用PSASP 軟件進行潮流計算分析[5]。

2 PSASP簡介

PSASP(Power System Analysis Software Package)是中國電力科學研究院開發的一套功能強大的電力系統分析程序，目前在我國電力行業中得到了廣泛的應用，PSASP 功能不斷發展，實現了電力系統的潮流、暫態穩定、小干擾穩定等各種計算，涉及了穩態、暫態、線性、非線性各種分析[6]。可以繪制各種電網圖形，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據構架，在數據上有層次化的保護，從而保證了數據和圖形的一致性。同時，該軟件還具備網絡拓撲和網絡校驗功能，能夠對計算模塊中的計算數據進行校驗。除此之外，PSASP在對電力系統進行結果的分析時能夠以報表的形式輸出，向AutoCAD，Matlab，Excel等通用軟件開放[7]。

3 PSASP潮流計算模塊應用分析

3.1 潮流計算的數學模型特點

潮流計算在數學上可歸結為求解非線性方程組，其數學模型簡寫為：

F(x)=0為一非線性方程組

其中：F=(f1,f2,…,fn)T為節點平衡方程式；

X=(x1,x2,…,xn)T為待求的各結點電壓。

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)、最優因子法、牛頓法(電流式)、PQ分解轉牛頓法供計算選擇，以保證計算的收斂性。

3.2 PSASP潮流計算的主要功能和特點

(1)擁有強大的計算分析能力，可計算交直流混合電力系統，能夠考慮負荷靜態特性，除了可以考慮一般的PQ節點外，還可以對該節點的電壓值加以限制，如：

Vmin≤V≤Vmax

可以對該節點的無功功率加以限制，如：

Qmin≤Q≤Qmax

能自動進行全網的拓撲分析，提供潮流數據檢查功能，方便用戶發現數據錯誤，而且幾個孤立的電網可以同時計算，此特點可以通過為每個孤立的電網設置一個平衡點來實現。

(2)強大的圖形功能。單線圖上的潮流方式能夠進行修改，可以在單線圖和地理位置接線圖上顯示潮流初始數據及潮流計算結果。該系統可以自動通過電網元件瀏覽器對潮流結果進行圖示化輸出[8]。

(3)該程序擁有許多控制調節功能。

① 用某一個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 潮流計算的程序應用

對于常規潮流計算，其極坐標形式為：

(1)

(2)

牛頓電流法之所以收斂速度快，是因為采用了牛頓法作為優化方法，使得最優潮流算法具有二次收斂速度，能通過少數幾次迭代便收斂而達到最優。最優潮流牛頓算法首先構造拉格朗日函數：

L(x,λ)=f(x)+λTg(x)

(3)

定義向量z=[x,λ]T，應用下式：

(4)

應用式(5)可得到應用海森矩陣法來求最優解點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 實例分析

4.1 系統單線圖

本文以WSCC-9節點系統為例進行潮流分析。本系統由三臺發電機組成，三臺發電機容量都是100MVA，其中發電1為平衡節點，發電2和發電3均為PV節點，負荷所連母線的節點類型為PQ節點。三臺變壓器的連接方式是三角形/星形接線。系統的參數分布如圖1所示。

圖1 WSCC-9系統單線圖

4.2 潮流分布圖

在系統單線圖完成之后，進行系統的潮流計算，系統的潮流分布如圖2所示。從圖中我們可以看到系統總共發出3.2W的有功功率，發出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，若要對潮流數據進行修改，例如負荷STNA的有功功率從1.25調到3.0則在潮流計算模式下，雙擊單線圖中STNA的圖標，直接在彈出的對話框中進行修改即可。

4.3 潮流分析與報表

潮流結果報表以Excel報表形式輸出系統中所有元件的結果，包括總的有功發電，總的有功負荷，總的有功損耗。以下報表數據均為標么值輸出，本系統部分元件輸出結果如表1～表4所示。

圖2 系統潮流計算結果

全網總有功發電/pu總無功發電/puCosθg/pu總有功負荷/pu總無功負荷/puCosl/pu總有功損耗/pu總無功損耗/pu31960228099731511509390046-0922

表2 發電機結果輸出

表3 負荷結果報表

表4 兩繞組變壓器報表

4.4 改造后的系統單線圖及潮流分布

若母線STNB-230處的負荷突然增加，則需要對原系統進行改造，具體方法是：在母線GEN3-230和STNB-230之間加一個輸電線，增加發電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。

系統改造后，通過與改造前的潮流數據進行比較，系統總的有功發電有明顯提高，無功電能有所降低，總的有功負荷由3.15變為3.75，功率因數有所提高，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 改造后的報表輸出

改造后輸出結果如表5～表7所示。

表5 改后發電機輸出

表6 改后負荷報表

表7 改后變壓器報表

在母線為STNB-230的負荷有所增加的情況下，經過對原系統進行改造后，通過與表1到表4的比較，由表5～表7可以觀察到，改后發電機的有功發電增加了0.45，且總的有功發電增加了0.751；相對應的變壓器容量出口有所增加，I側有功增加了0.45，同時J側有功也有所提高。

5 結語

本文利用PSASP電力系統仿真程序對WSCC-9節點系統改造前后分別進行潮流分析，通過計算可以求得系統各母線節點的電壓幅值和相角，以及各支路的功率分布、網絡的功率損耗等。從而證明PSASP能夠很好地分析實際電網的潮流分布和網絡結構改變，能夠滿足電力系統運行分析與規劃的仿真需要，從而保證電網的安全穩定運行。

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

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

[3] 張良海.基于PSASP的電網潮流分析[J].長春工業大學學報(自然科學版)，2012,(4):1-2.

[4] 楊明，朱雪雄，李文進,等.基于PSASP的電力系統潮流計算分析[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的電力系統潮流計算研究[J].科技信息，2010，(36)：1.

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

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