單機(jī)系統(tǒng)潮流的經(jīng)濟(jì)分布控制(3)

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力系統(tǒng)分析課程設(shè)計(jì)（論文）題目： 單機(jī)系統(tǒng)潮流的經(jīng)濟(jì)分布控制（3） 院（系）： 工程技術(shù)學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 教師職稱(chēng)： 起止時(shí)間 ： 2015-06-15至2015-06-26 19本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語(yǔ)院（系）：工程技術(shù)學(xué)院 教研室：電氣教研室課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)原始資料：系統(tǒng)如圖G 2 L24 4 S4L12 L14 1 S1 各元件參數(shù)標(biāo)幺值如下：L14：電阻0.1，電抗0.45，對(duì)地容納0.04；L12: 電阻0.15，電抗0.4，對(duì)地容納0.035；L24: 電阻0.15，電抗0.4，對(duì)地容納0.035

2、；給定功率及電壓如下：S1=0.5+j0.2， S4=0.45+j0.12， V2=1.1.任務(wù)要求：1 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，計(jì)算支路功率分布；2 計(jì)算在L12支路中應(yīng)加入的附加電勢(shì)，實(shí)現(xiàn)支路功率經(jīng)濟(jì)分布；3 設(shè)計(jì)串聯(lián)補(bǔ)償器硬件電路；4 采用適當(dāng)?shù)乃惴?、編?xiě)程序，實(shí)現(xiàn)支路功率的經(jīng)濟(jì)分布。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及成績(jī)平時(shí)考核： 設(shè)計(jì)質(zhì)量： 論文格式： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日摘 要潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計(jì)算，它的任務(wù)是對(duì)給定的運(yùn)行條件確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。本課程設(shè)計(jì)主要研究電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其進(jìn)行潮流計(jì)算。本文研究電力網(wǎng)的支路功率分布，并完成對(duì)一條支路加入附加電勢(shì)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支路

3、功率經(jīng)濟(jì)分布的效果。電力網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生功率損失，為保證電能質(zhì)量可靠，保證電能的質(zhì)量要求，則需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償，因此設(shè)計(jì)串聯(lián)補(bǔ)償器，并通過(guò)牛頓拉夫遜潮流計(jì)算法使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支路功率的經(jīng)濟(jì)分布，并用MATLAB編寫(xiě)程序。關(guān)鍵詞：潮流計(jì)算；經(jīng)濟(jì)分布；補(bǔ)償器；MATLAB目 錄第1章 緒 論11.1潮流計(jì)算概述11.2本文研究?jī)?nèi)容1第2章 潮流計(jì)算22.1潮流計(jì)算的推導(dǎo)22.2系統(tǒng)的潮流計(jì)算42.3功率分布計(jì)算6第3章 環(huán)網(wǎng)中的潮流控制83.1環(huán)流電勢(shì)83.2環(huán)流附加電勢(shì)計(jì)算9第4章 串聯(lián)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)104.1串聯(lián)補(bǔ)償作用104.2串聯(lián)補(bǔ)償電路的硬件結(jié)構(gòu)104.3電壓和電流的采集11第5章 牛頓-拉夫遜潮流計(jì)

4、算135.1潮流計(jì)算的基本原理135.2牛頓拉夫遜法潮流計(jì)算135.2.1功率方程135.2.2雅可比矩陣各元素的表達(dá)式145.3編寫(xiě)程序14第6章 總結(jié)19參考文獻(xiàn)20第1章 緒 論1.1潮流計(jì)算概述電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的一種計(jì)算，它通過(guò)給定的運(yùn)行條件及系統(tǒng)接線(xiàn)情況確定整個(gè)電力系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，各母線(xiàn)的電壓，各元件中流過(guò)的功率，系統(tǒng)的功率損耗等。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算也分為離線(xiàn)計(jì)算和在線(xiàn)計(jì)算兩種，前者主要用于系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和安排系統(tǒng)的運(yùn)行方式，后者則用于正在運(yùn)行系統(tǒng)的經(jīng)常監(jiān)視及實(shí)時(shí)控制。利用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行電力系統(tǒng)潮流計(jì)算從50年代中期就已經(jīng)開(kāi)始。在這20年內(nèi)，潮流計(jì)算曾

5、采用了各種不同的方式，這些方法的發(fā)展主要圍繞著對(duì)潮流計(jì)算的一些基本要求進(jìn)行。對(duì)潮流計(jì)算的要求可以歸納為下面幾點(diǎn)：（1）計(jì)算機(jī)方法的可靠性或收斂性；（2）計(jì)算機(jī)內(nèi)存量的要求；（3）計(jì)算速度；（4）計(jì)算的方便性和靈活性。牛頓-拉夫遜法早在50年代末就已應(yīng)用于求解電力系統(tǒng)潮流問(wèn)題，但作為一種實(shí)用的，有競(jìng)爭(zhēng)力的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法，則是在應(yīng)用了稀疏矩陣技巧和高斯消去法求修正方程后，牛頓-拉夫遜法是求解非線(xiàn)性代數(shù)方程有效的迭代計(jì)算。1.2本文研究?jī)?nèi)容本文通過(guò)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的潮流計(jì)算，研究電力網(wǎng)的支路功率分布，并完成對(duì)一支路加入附加電勢(shì)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支路功率經(jīng)濟(jì)分布的效果。在電力網(wǎng)中需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償，因此

6、設(shè)計(jì)串聯(lián)補(bǔ)償器，并設(shè)計(jì)其硬件電路圖，并通過(guò)牛頓-拉夫遜法計(jì)算使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支路功率的經(jīng)濟(jì)分布，并用MATLAB編寫(xiě)程序。第2章 潮流計(jì)算2.1潮流計(jì)算的推導(dǎo)簡(jiǎn)單閉式網(wǎng)絡(luò)有兩端供電和環(huán)形網(wǎng)絡(luò)兩種基本形式。環(huán)形網(wǎng)絡(luò)實(shí)質(zhì)上是兩端電壓相等的兩端供電網(wǎng)絡(luò)。因此，下面就以?xún)啥斯╇娋W(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)其簡(jiǎn)單閉式網(wǎng)絡(luò)功率分布的一般計(jì)算公式。 圖2.1 兩端供電網(wǎng)等值電路圖如圖2.1所示是一個(gè)有兩電源三變電站的兩端供電網(wǎng)絡(luò)，用運(yùn)算電源功率和運(yùn)算負(fù)荷功率簡(jiǎn)化得到的等值電路。兩端電源高壓母線(xiàn)電壓為、，變電所的運(yùn)算負(fù)荷分別為、，各段線(xiàn)路復(fù)阻抗為、。在忽略各段功率損耗時(shí)，要求取、，只要算出兩端電源送出的功率或即可。圖中、的方向?yàn)榧俣ǖ?/p>

7、正方向。顯然，在不計(jì)功率損耗時(shí)，根據(jù)基爾霍夫第一定律：線(xiàn)路中的總電壓降落為兩端電源電壓之差，即：在不計(jì)功率損耗時(shí)，各線(xiàn)段電流可用網(wǎng)絡(luò)額定電壓來(lái)計(jì)算，故上式寫(xiě)為：整理得：令，可知：則可以推導(dǎo)出：式中、分別是運(yùn)算負(fù)荷、到電源B的總阻抗，是整個(gè)線(xiàn)路的總阻抗。同理可得：將式子加以推廣，對(duì)于兩端供電網(wǎng)中有若干個(gè)運(yùn)算負(fù)荷時(shí)：上兩式，、分別是電源A和B送出的功率；是第i個(gè)運(yùn)算負(fù)荷；和分別是第i個(gè)運(yùn)算負(fù)荷到電源B和電源A之間的阻抗。如果兩端電源電壓差為零或是由一個(gè)電源供電的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，則循環(huán)功率消失，上兩式可變?yōu)椋?.2系統(tǒng)的潮流計(jì)算給定功率及電壓：S1=0.5+j0.2，S4=0.45+j0.12，V2=1.

8、1。各元件參數(shù)標(biāo)幺值原始數(shù)據(jù)如下：L14：電阻0.1，電抗0.45，對(duì)地容納0.04；L12：電阻0.15，電抗0.4，對(duì)地容納0.035；L24：電阻0.15，電抗0.4，對(duì)地容納0.035。潮流計(jì)算所涉及的公式如下：充電功率為：線(xiàn)路的功率損耗為：線(xiàn)路中電壓降降落的縱、橫分量為：b點(diǎn)電壓為： 將環(huán)形網(wǎng)絡(luò)在A點(diǎn)出打開(kāi)，系統(tǒng)潮流分布如圖2.2所示。 圖2.2 系統(tǒng)的等效電路圖由圖2.2通過(guò)計(jì)算可知：線(xiàn)路的充電功率為： L14線(xiàn)路損耗為：3點(diǎn)的負(fù)荷為：2點(diǎn)的負(fù)荷為：L12的線(xiàn)路損耗為：1點(diǎn)的運(yùn)算負(fù)荷為：A點(diǎn)運(yùn)算負(fù)荷為：L12線(xiàn)路中電壓降落的縱橫分量分別為 ：b點(diǎn)電壓為:L14線(xiàn)路中電壓降落的縱、橫

9、分量分別為：c點(diǎn)電壓為：2.3功率分布計(jì)算功率分配的等值電路圖如圖2.3所示。 1 4 圖2.3 等值電路圖輸電線(xiàn)路阻抗計(jì)算如下：L12阻抗L24阻抗L14阻抗線(xiàn)路電容產(chǎn)生無(wú)功功率：1、4節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷： 閉式網(wǎng)絡(luò)中功率分點(diǎn)：驗(yàn)算：，可見(jiàn)誤差較小，無(wú)需重算。則，實(shí)際功率方向如圖2.4所示，功率分點(diǎn)已標(biāo)出。 圖2.4 功率分布圖第3章 環(huán)網(wǎng)中的潮流控制3.1環(huán)流電勢(shì)在環(huán)網(wǎng)中引入環(huán)流電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生循環(huán)功率，是對(duì)環(huán)網(wǎng)進(jìn)行潮流控制和改善功率分布有效手段。環(huán)網(wǎng)等效電路圖如圖所示 圖3.1 環(huán)網(wǎng)等效圖在圖3.1中所示的簡(jiǎn)單環(huán)網(wǎng)中，其功率分點(diǎn)功率為：上述式子說(shuō)明在環(huán)網(wǎng)中是與阻抗成反比分布的。這種分布稱(chēng)為功率的自然分

10、布。下面討論網(wǎng)絡(luò)的功率損耗為最小，功率如何分布。圖3.1所示系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)功率耗損為： 將上式分別對(duì)和取偏導(dǎo)數(shù)，并令其等于零，得出：由此可解：上式表明功率在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中與電阻成反比時(shí)，功率損耗最小，這種分布為經(jīng)濟(jì)分布，只是在每段線(xiàn)路比值都相等的均一網(wǎng)絡(luò)中，功率自然分布與經(jīng)濟(jì)分布相符。在一般情況下，這兩者有差別。各段線(xiàn)路的不均一程度越大，功率損耗差別就越大。如果在環(huán)網(wǎng)中引入附加電勢(shì),假定其產(chǎn)生與同方向的循環(huán)功率，且滿(mǎn)足條件就可以使其功率分布符合經(jīng)濟(jì)分布的要求。由此可得出所要求的循環(huán)功率為：為產(chǎn)生此循環(huán)所需的電勢(shì)為：公式中，為環(huán)網(wǎng)阻抗，為網(wǎng)絡(luò)的額定電壓。3.2環(huán)流附加電勢(shì)計(jì)算 環(huán)流附加電勢(shì)計(jì)算如下：可得在

11、L12支路加的電勢(shì)，使潮流分布達(dá)到經(jīng)濟(jì)分布。第4章 串聯(lián)補(bǔ)償器設(shè)計(jì)4.1串聯(lián)補(bǔ)償作用 電力網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)，電源供給的無(wú)功功率是電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量的前提。它為電能的輸出、轉(zhuǎn)換創(chuàng)造了條件。但是，在電力系統(tǒng)輸送電能的過(guò)程中，無(wú)功功率不足，將使系統(tǒng)中輸出的總電流增加、使變壓器的出力減少、供電線(xiàn)路及系統(tǒng)設(shè)備有功功率損耗增大、線(xiàn)路末端電壓下降；同時(shí)，對(duì)于電力用戶(hù)來(lái)說(shuō)，過(guò)多的從電力網(wǎng)中吸取無(wú)功，不僅使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，也影響自身的用電和生產(chǎn)。因此，為了減少無(wú)功的損失和避免其在電網(wǎng)中的不當(dāng)流動(dòng)，必須進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。串聯(lián)補(bǔ)償可改變傳輸線(xiàn)路的等效阻容或在線(xiàn)路中串入補(bǔ)償電壓，因此，通過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償可方便地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功和

12、無(wú)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(wǎng)中，大部分的電壓降落是由線(xiàn)路電感引起的，串聯(lián)補(bǔ)償可使負(fù)載波動(dòng)引起的電壓下降減少。由于串聯(lián)電容其實(shí)是一個(gè)無(wú)源的電路元件，其響應(yīng)自發(fā)而迅速，因此，串聯(lián)補(bǔ)償有助于電力系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)，可較完美地解決電壓閃變問(wèn)題。4.2串聯(lián)補(bǔ)償電路的硬件結(jié)構(gòu)該裝置核心硬件采用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，AT89C51單片機(jī)是現(xiàn)在人們用的最多的單片機(jī)種類(lèi)之一，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、功能較全且便于擴(kuò)展，雖然處理速度上趕不上現(xiàn)在大多數(shù)的微處理器，如DSP、嵌入式微處理器ARM9等，但是在此設(shè)計(jì)中完全可以滿(mǎn)足和實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)補(bǔ)償裝置的要求。實(shí)時(shí)參數(shù)分別采集電網(wǎng)側(cè)電壓、電流，經(jīng)

13、過(guò)電壓形成電路分別對(duì)電壓電流進(jìn)行變換。同時(shí)由CPU中的定時(shí)器定時(shí)控制對(duì)經(jīng)過(guò)低通濾波出來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采樣并保持，再通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，分別經(jīng)高速A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并最后將各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在數(shù)碼管上，同時(shí)根據(jù)存儲(chǔ)器在RAM中的功率因數(shù)表判定該投切哪幾組電容器，并最終通過(guò)CPU驅(qū)動(dòng)SSR固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)電容器的自動(dòng)投切。裝置硬件框圖如圖4.1所示。圖4.1 裝置硬件框圖4.3電壓和電流的采集電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流分別經(jīng)電壓互感器和電流互感器再到電壓形成電路產(chǎn)生微機(jī)可以利用的信號(hào)。其中交流電壓信號(hào)采用電壓變換器即可滿(mǎn)足要求，而交流電流信號(hào)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(duì)電流信號(hào)進(jìn)行

14、交換。此外，為保證后面的電路不受干擾，兩個(gè)經(jīng)變換器出來(lái)的信號(hào)還需經(jīng)低通濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行濾波才允許輸入到采樣保持電路，供CPU發(fā)出信號(hào)進(jìn)行采樣。圖4.2 低通濾波及采樣保持電路低通濾波環(huán)節(jié)可由電阻及電容組合構(gòu)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。其邏輯輸入端由CPU中的定時(shí)器按一定時(shí)序控制，從而控制何時(shí)采樣、何時(shí)保持。當(dāng)邏輯輸入端即,即電平為高時(shí)，為采樣功能；當(dāng)邏輯輸入端即，即電平為低時(shí)，為保持功能。低通濾波及采樣保持電路如圖4.2所示。經(jīng)采樣保持電路出來(lái)的信號(hào)需通過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)(MPX)來(lái)選擇哪一個(gè)信號(hào)需要轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓信號(hào)需轉(zhuǎn)換時(shí)，MPX選擇到電流信號(hào)檔進(jìn)而通過(guò)芯片

15、進(jìn)行模擬數(shù)轉(zhuǎn)換。在此設(shè)計(jì)中，MPX選擇CD4051，而轉(zhuǎn)換芯片則選擇MAX521。二者與單片機(jī)連接的電路原理圖如圖4.3所示。圖4.3 MPX和A/D轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)連接的電路原理圖第5章 牛頓-拉夫遜潮流計(jì)算5.1潮流計(jì)算的基本原理電力系統(tǒng)潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)運(yùn)行和規(guī)劃中最基本和最經(jīng)常的計(jì)算，其任務(wù)是在已知某些運(yùn)行參數(shù)的情況下，計(jì)算出系統(tǒng)中全部的運(yùn)行參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，各個(gè)母線(xiàn)所提供負(fù)荷的功率是已知的，各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓是未知的（平衡節(jié)點(diǎn)除外），可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，然后由節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)寫(xiě)功率方程，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(jì)算的問(wèn)題就化為求解

16、非線(xiàn)性阻的問(wèn)題了。為了便于用迭代法求解方程組，需要將上述功率方程改寫(xiě)為成功率平衡方程，并對(duì)功率平衡方程求偏導(dǎo)，得出對(duì)應(yīng)的雅可比矩陣，給未知節(jié)點(diǎn)賦電壓初值，一般為額定電壓，將初值代入功率平衡方程，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(diǎn)電壓不平衡量構(gòu)成了誤差方程，解誤差方程，得到節(jié)點(diǎn)電壓不平衡量，節(jié)點(diǎn)電壓不平衡量構(gòu)成新的節(jié)點(diǎn)電壓初值，將新的初值代入原來(lái)的功率平衡方程，并重新形成雅可比矩陣，然后計(jì)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牛頓拉夫遜法潮流計(jì)算5.2.1功率方程 功率方程如下： 5.2.2雅可比矩陣各元素的表達(dá)式當(dāng)時(shí): 當(dāng)時(shí)： 其中，5

17、.3編寫(xiě)程序； ；第6章 總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)對(duì)電力網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算，對(duì)此電力網(wǎng)的支路功率分布，并完成對(duì)一支路加入附加電勢(shì)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)支路功率經(jīng)濟(jì)分布的效果。在電力網(wǎng)中會(huì)出現(xiàn)功率損失，需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。本次設(shè)計(jì)對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)分析討論選取了合適的CPU、轉(zhuǎn)換器等元件，對(duì)其硬件電路圖進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足電力用戶(hù)需要的電能質(zhì)量，并通過(guò)牛頓-拉夫遜的計(jì)算方式使支路功率經(jīng)濟(jì)分布，用MATLAB編寫(xiě)程序。在潮流計(jì)算中通過(guò)對(duì)支路功率的分布計(jì)算，可以解決如何是系統(tǒng)支路達(dá)到經(jīng)濟(jì)分布的效果，從而有利于電力網(wǎng)建設(shè)和電能分配。本文中的串聯(lián)補(bǔ)償器可有效的解決這種問(wèn)題，且自動(dòng)補(bǔ)償，是電能達(dá)到安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)。本文在第

18、二章主要敘述了潮流計(jì)算以及支路功率經(jīng)濟(jì)分布的計(jì)算公式，并算出結(jié)果；第三章通過(guò)環(huán)網(wǎng)環(huán)流電勢(shì)的知識(shí)，求得附加電勢(shì)；第四章為能滿(mǎn)足用戶(hù)要求的電能質(zhì)量，設(shè)計(jì)串聯(lián)補(bǔ)償器，并畫(huà)出設(shè)計(jì)圖；第五章通過(guò)MATLAB軟件編程實(shí)現(xiàn)功率經(jīng)濟(jì)分布的效果，最終，完成了此篇課設(shè)論文。在本次課設(shè)，需注重格式的要求，MATLAB軟件的學(xué)習(xí)，以及潮流計(jì)算，牛頓-拉夫遜法的復(fù)習(xí)，完成以上準(zhǔn)備工作，才能寫(xiě)出此課設(shè)論文。參考文獻(xiàn)1 何仰贊.溫增銀.電力系統(tǒng)分析.華中科技大學(xué)出版社，20012 李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析.水利電力出版社，19953 陳衍.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析.水利電力出版社，19954 韓禎祥等.電力系統(tǒng)分析.浙江大學(xué)出版社，19935 華智明.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算.重慶大學(xué)出版社，19916 陸敏政