基于pws的区域电力系统运行及分析毕业论文.docx

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题目基于PWS的区域电力系统运行及分析

学生姓名张书华学号1117024049

所在学院电气工程学院

专业班级电气1103

指导教师李昂

完成地点陕西理工学院

2015年5月26日

基于PWS的区域电力系统运行及分析

张书华

（陕西理工学院电气工程学院电气工程及其自动化专业1103班，陕西汉中723000）

指导教师：

李昂

[摘要]

随着电力系统的不断发展，传统的采用面向过程方法编写的软件已经不能满足越来越复杂的管理、监视、控制系统和日趋庞大的计算分析工作。

可视化电力系统是目前电网的研究方向之一，是今后电力系统的潮流管理、网络控制、电力市场等的发展方向。

它使程序的使用变得简单、直观，其面向对象的技术使程序代码易于开发、管理、扩充和移植，是今后电力系统分析、仿真程序的发展方向。

在熟悉PowerWorldSimulator软件的基础上，以区域电网的简化模型为例，搭建可视化电网模型，实现单机版的可视化电力系统设计,并且在简化模型搭建准确的基础上完成系统的参数设置，进行系统不同方式下的潮流运行及分析。

利用该软件进行各种故障（短路、断线）状况下的模拟运行，分析并记录相关数据，从而为区域电网的规划及运行控制提供参考。

[关键词]

Powerworldsimulator；仿真；区域；电力系统分析；短路故障

OperationandanalysisofregionalpowersystembasedPWS

ShuhuaZhang

（Grade03,Class11,MajorElectricalEngineeringandAutomation,ElectricalEngineeringDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shanxi）

Tutor:

AngLi

Abstract:

Withthecontinuousdevelopmentofpowersystem,thetraditionaluseofprocess-orientedwaytowritethesoftwarecannotmeettheincreasinglycomplexmanagement,monitoring,controlsystemsandincreasinglylargecomputationalanalysis.VisualPowerSystemisoneofthegridresearch,thefuturetrendofthepowersystemmanagement,networkcontrol,powerandmarketdevelopment.Itmakesuseoftheprogramsimple,intuitive,anditsobject-orientedtechnologytomaketheprogramcodeeasiertodevelop,manage,expandandtransplantation,thefuturedevelopmentdirectionofpowersystemanalysis,simulationprogram.

InthefamiliarPowerWorldSimulatorsoftware,basedonasimplifiedmodelofregionalpowergrid,forexample,tobuildthevisualgridmodel,toachieveasingleversionofthevisualdesignofpowersystems,andbuildaccuratebasedonthecompletesystemparametersettingsinsimplifiedmodelsystemcurrentrunandanalyzedifferentmodes.Withthissoftware,avarietyoffault（shortcircuit,wirebreak）undersimulatedoperatingconditions,analyzeandrecorddata,therebyprovidingareferencefortheplanningandoperationcontrolregionalpowergrid.

Keywords:

ElectricBookShop;Thesimulation;Area;Powersystemanalysis;shortcircuitfault

目录

目录 4

1前言 1

1.1论文研究的目的和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3论文研究的内容和取得的成果 1

2Powerworld仿真建模 4

2.1电力系统可视化技术 4

2.2Powerworldsimulator主要功能概述 4

2.3电网的建模 5

2.4仿真环境和参数设置 7

3电力系统计算机潮流的算法 8

3.1潮流计算问题简述 8

3.1.1潮流计算的发展史 8

3.1.2潮流计算的发展趋势 9

3.1.3潮流计算的意义 9

3.2计算机潮流计算的方法 9

3.2.1迭代法 9

3.2.2高斯-塞德尔迭代法 9

3.2.3牛顿-拉夫逊法 10

4区域电力系统分析 12

4.1汉中电网电力供需形势 12

4.2汉中电网电力系统现状 12

4.2.1汉中电网装机容量简介 12

4.2.2汉中电网变电规模简介 12

4.2.3汉中电网输电线路规模简介 13

4.3手工计算 13

4.3.1主变压器参数计算 13

4.3.2主线路参数计算 15

5电力系统运行及分析 17

5.1电力系统的运行方式的基本概念 17

5.1.1电力系统运行的特点  17

5.1.2对电力系统运行的基本要求 17

5.2电力系统运行分类 17

5.3夏大运行方式 17

5.4电力系统故障分析 20

5.4.1电力系统故障简介 20

5.4.2故障分析 20

5.4分析结果 22

6结论 23

1前言

1.1论文研究的目的和意义

随着我国经济的迅速发展，电力负荷的增长明显加快,对整个电力系统的供电能力、电能质量、供电可靠性都有了更高的要求。

我国电力系统的规模也“水涨船高”，其结构和运行方式日趋复杂，对电力系统调度中心自动化水平的要求也越来越高。

传统的采用面向过程方法编写的软件已经不能满足越来越复杂的管理、监视、控制系统和日趋庞大的计算分析工作。

可视化电力系统是目前电网的研究方向之一，是今后电力系统的潮流管理、网络控制、电力市场等的发展方向。

它使程序的使用变得简单、直观，其面向对象的技术使程序代码易于开发、管理、扩充和移植，是今后电力系统分析、仿真程序的发展方向。

可视化技术的出现不仅为电力系统计算分析软件的编写提供了新的方法，而且使软件具有界面友好、操作简单、更好地抽象现实物理电网、方便的功能扩充及代码重用性等优点。

所以，通过PWS仿真软件，建立模拟电网，进行潮流计算及无功优化分析，对电力系统的发展具有非常重要的意义。

1.2国内外研究现状

可视化技术是20世纪90年代初期随着计算机技术的发展而出现的一门新兴技术，它融合了计算机技术中的图形学、图像处理、数据管理、网络技术和人机界面等诸多分支。

利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示，反应客观世界的本质和内在联系，从而有利于人们正确理解数据或过程的含义。

10多年来，可视化技术在很多领域如研究流体力学、气象预测与分析、高分子生物合成、医学图像虚拟再现取得了广泛的应用并获得了巨大成功，而科学可视化在电力系统中的应用仍处于研究和初步应用阶段。

90年代，电力系统市场化席卷全球。

这时的系统更加复杂，数据成倍增加,可视化的要求也愈加迫切。

这方面的研究工作比较突出并且广泛应用于实践的首推美国学者ThomasJeffreyOverbye教授和MarkJamesLaufenberg博士，其研究课题组和掌管的PowerWorld公司开展了电力系统可视化的系列研究工作，在其提出的电压等位线（contouring）显示技术的基础上，对节点数据（如：

节点电压、电价、灵敏度、参与因子、振荡模态等）、线路数据（如：

线路传输容量、线路负载率、线路功率分布因子等）、稳定域（如：

电压稳定域、功角稳定域等）的算法和显示进行了可视化研究。

主要分两个方面：

其一是侧重于大型复杂电网规划、运行和调度控制的工程应用，其二是针对电网技术培训、演示和教学。

国内这方面的研究还处于萌芽阶段，主要是将电力系统与地理信息系统有机地结合起来，在地理图上真实地显示电力系统的运行状态。

研究中利用传统的静态安全分析和故障排序方法，实现静态安全分析数据的可视化和稳定运行域的可视化。

可视化研究只有在和所研究的领域有机融合后才能发挥其优势，大量的研究也证明了这一点，将系统数据不加处理而简单地利用图形显示的做法是低效的。

电力系统可视化技术不是为了可视化而可视化，电力系统可视化基本原理在于：

一幅生动逼真的画面可以表达很多数字才能表述的信息。

可视化软件的应用是为了将大量数字表述的信息用图形方式表达出来，而且更为重要的是：

数字间的潜在联系也可能通过图形信息更清楚的体现，对计算所得到的海量数据进行数据挖掘和综合，发现其内部的本质联系以得到可准确反映系统状态的简洁指标，并以正确的方式予以可视化显示才是可视化技术在电力系统中应用的真正内涵。

无疑地，美国伊利诺斯（Illinois）大学学者ThomasJeffreyOverbye教授和MarkJamesLaufenberg博士开发的PowerWorld大型电力系统可视化程序及其各种附加专业软件包以其庞大、灵活的功能和互动、细腻的三维可视化技术赢得了科研机构、电网规划以及调度和运行人员的格外亲睐。

这套软件已经应用到42个国家的300多个国家级电力公司的规划、运行、调度和培训。

1.3论文研究的内容和取得的成果

本设计主要通过在PowerWorldSimulator软件的基础上，以区域电网的简化模型为例，搭建可视化电网模型，实现了单机版的可视化电力系统设计，直观的表现出所搭建电网的规模，基本运行情况；在模型搭建准确的基础上完成系统参数的设置，如：

发电机容量，变压器变比，线路损耗，负荷等。

进行系统不同方式下的潮流运行及分析，模拟各种故障（短路、断线）状况下的可视化运行，为区域电网的规划及运行控制提供参考。

经过一段时间的努力，以汉中地区电网为基础，结合资料，对汉中电网的网架结构进行整理和分析，在老师的指导下，通过小组讨论的方式，对汉中电网进行了模型简化。

在Powerworldsimulator软件中对简化后的电网模型的各个元件进行了仿真，顺利搭建出较为精确的地区电网可视化模型。

如图1.1所示。

图1.1建模仿真图

2Powerworld仿真建模

2.1电力系统可视化技术

90年代，电力系统市场化席卷全球。

这时的系统更加复杂，数据成倍增加,可视化的要求也愈加迫切。

这方面的研究工作比较突出并且广泛应用于实践的首推美国学者ThomasJeffreyOverbye教授和MarkJamesLaufenberg博士，其研究课题组和掌管的PowerWorld公司开展了电力系统可视化的系列研究工作，在其提出的电压等位线（contouring）显示技术的基础上，对节点数据（如：

节点电压、电价、灵敏度、参与因子、振荡模态等）、线路数据（如：

线路传输容量、线路负载率、线路功率分布因子等）、稳定域（如：

电压稳定域、功角稳定域等）的算法和显示进行了可视化研究。

主要分两个方面：

其一是侧重于大型复杂电网规划、运行和调度控制的工程应用，其二是针对电网技术培训、演示和教学。

国内这方面的研究还处于萌芽阶段，主要是将电力系统与地理信息系统有机地结合起来，在地理图上真实地显示电力系统的运行状态。

研究中利用传统的静态安全分析和故障排序方法，实现静态安全分析数据的可视化和稳定运行域的可视化。

可视化研究只有在和所研究的领域有机融合后才能发挥其优势，大量的研究也证明了这一点，将系统数据不加处理而简单地利用图形显示的做法是低效的.电力系统可视化技术不是为了可视化而可视化，电力系统可视化基本原理在于：

一幅生动逼真的画面可以表达很多数字才能表述的信息。

可视化软件的应用是为了将大量数字表述的信息用图形方式表达出来，而且更为重要的是：

数字间的潜在联系也可能通过图形信息更清楚的体现，对计算所得到的海量数据进行数据挖掘和综合，发现其内部的本质联系以得到可准确反映系统状态的简洁指标，并以正确的方式予以可视化显示才是可视化技术在电力系统中应用的真正内涵。

无疑地，美国伊利诺斯（Illinois）大学学者ThomasJeffreyOverbye教授和MarkJamesLaufenberg博士开发的PowerWorld大型电力系统可视化程序及其各种附加专业软件包以其庞大、灵活的功能和互动、细腻的三维可视化技术赢得了科研机构、电网规划以及调度和运行人员的格外亲睐。

这套软件已经应用到42个国家的300多个国家级电力公司的规划、运行、调度和培训。

2.2Powerworldsimulator主要功能概述

Powerworldsimulator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Powerworldsimulator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。

Powerworldsimulator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Powerworldsimulator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：

Powerworldsimulator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Powerworldsimulator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。

Powerworldsimulator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。

Powerworldsimulator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。

Powerworldsimulator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。

Powerworldsimulator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。

除了上述各功能，Powerworldsimulator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。

2.3电网的建模

对任何一个电力系统进行分析前，必须准确地对其建模。

在Powerworldsimulator软件中，通过创建单线图来实现建模功能，并且保存建模参数到后台数据库，这是可视化分析的前提条件。

电力系统单线图建模在“编辑模式”下完成，以添加发电机元件为例，介绍绘图方法。

其过程如下：

1）创建工程示例从“菜单栏”选取“新建实例”项，创建一个新的工程示例文件，如图2.1所示。

图2.1单线图新建实例

2）添加发电机

从“绘图栏”中点击“网络”，再选择“发电机”图标，在与该发电机连接的母线处点击左键，如图2.2所示。

图2.2单选添加发电机

3）发电机信息对话框介绍

然后弹出“发电机选项”对话框，如图2.3，这个对话框用来说明新加入的发电机机组的型号、显示大小、方向、有功输出和限制，无功限制，整定点电压和费用模型。

选择和输出相关数据，再单击“确定”。

本例中在有功输出（MWOutput）字段中输入100。

图2.3发电机信息对话框

4）然后适当调整发电机在图中的位置和大小，则发电机添加完毕，如图2.4所示。

图2.4发电机元件的添加

2.4仿真环境和参数设置

按上述讲解陆续将系统中各元件正确添加，并输入相关数据，调整外观，则完成了系统单线图的绘制。

下面可以进行仿真环境和参数设置，从菜单栏>选项>仿真选项，单击打开PWS选项对话框，如图2.5所示。

图2.5PWS选项对话框

该对话框的左端有7个选项，分别是：

潮流求解设置、单线图设置、仿真环境设置、极限管理设置、实例显示设置、文件管理设置、消息日志设置。

点击其中任何一个按钮就可以单独打开一个标签页进行设置。

图2.5所示是潮流求解设置标签页。

其中较重要的设置是：

潮流计算算法选择、基准能力、允许误差、迭代最大次数、对电压控制的设置等等。

3电力系统计算机潮流的算法

3.1潮流计算问题简述

3.1.1潮流计算的发展史

利用电子计算机进行潮流计算从20世纪50年代中期就已经开始。

此后，潮流计算曾采用了各种不同的方法，这些方法的发展主要是围绕着对潮流计算的一些基本要求进行的。

对潮流计算的要求可以归纳为下面几点：

（1）算法的可靠性或收敛性

（2）计算速度和内存占用量

（3）计算的方便性和灵活性

电力系统潮流计算属于稳态分析范畴，不涉及系统元件的动态特性和过渡过程。

因此其数学模型不包含微分方程，是一组高阶非线性方程。

非线性代数方程组的解法离不开迭代，因此，潮流计算方法首先要求它是能可靠的收敛，并给出正确答案。

随着电力系统规模的不断扩大，潮流问题的方程式阶数越来越高，目前已达到几千阶甚至上万阶，对这样规模的方程式并不是采用任何数学方法都能保证给出正确答案的。

这种情况促使电力系统的研究人员不断寻求新的更可靠的计算方法。

在用数字计算机求解电力系统潮流问题的开始阶段，人们普遍采用以节点导纳矩阵为基础的高斯-赛德尔迭代法（一下简称导纳法）。

这个方法的原理比较简单，要求的数字计算机的内存量也比较小，适应当时的电子数字计算机制作水平和电力系统理论水平，于是电力系统计算人员转向以阻抗矩阵为主的逐次代入法（以下简称阻抗法）。

20世纪60年代初，数字计算机已经发展到第二代，计算机的内存和计算速度发生了很大的飞跃，从而为阻抗法的采用创造了条件。

阻抗矩阵是满矩阵，阻抗法要求计算机储存表征系统接线和参数的阻抗矩阵。

这就需要较大的内存量。

而且阻抗法每迭代一次都要求顺次取阻抗矩阵中的每一个元素进行计算，因此，每次迭代的计算量很大。

阻抗法改善了电力系统潮流计算问题的收敛性，解决了导纳法无法解决的一些系统的潮流计算，在当时获得了广泛的应用，曾为我国电力系统设计、运行和研究作出了很大的贡献。

但是，阻抗法的主要缺点就是占用计算机的内存很大，每次迭代的计算量很大。

当系统不断扩大时，这些缺点就更加突出。

为了克服阻抗法在内存和速度方面的缺点，后来发展了以阻抗矩阵为基础的分块阻抗法。

这个方法把一个大系统分割为几个小的地区系统，在计算机内只需存储各个地区系统的阻抗矩阵及它们之间的联络线的阻抗，这样不仅大幅度的节省了内存容量，同时也提高了节省速度。

克服阻抗法缺点的另一途径是采用牛顿-拉夫逊法（以下简称牛顿法）。

牛顿法是数学中求解非线性方程式的典型方法，有较好的收敛性。

解决电力系统潮流计算问题是以导纳矩阵为基础的，因此，只要在迭代过程中尽可能保持方程式系数矩阵的稀疏性，就可以大大提高牛顿潮流程序的计算效率。

自从20世纪60年代中期采用了最佳顺序消去法以后，牛顿法在收敛性、内存要求、计算速度方面都超过了阻抗法，成为直到目前仍被广泛采用的方法。

在牛顿法的基础上，根据电力系统的特点，抓住主要矛盾，对纯数学的牛顿法进行了改造，得到了P-Q分解法。

P-Q分解法在计算速度方面有显著的提高，迅速得到了推广。

牛顿法的特点是将非线性方程线性化。

20世纪70年代后期，有人提出采用更精确的模型，即将泰勒级数的高阶项也包括进来，希望以此提高算法的性能，这便产生了保留非线性的潮流算法。

另外，为了解决病态潮流计算，出现了将潮流计算表示为一个无约束非线性规划问题的模型，即非线性规划潮流算法。

近20多年来，潮流算法的研究仍然非常活跃，但是大多数研究都是围绕改进牛顿法和P-Q分解法进行的。

此外，随着人工智能理论的发展，遗传算法、人工神经网络、模糊算法也逐渐被引入潮流计算。

但是，到目前为止这些新的模型和算法还不能取代牛顿法和P-Q分解法的地位。

由于电力系统规模的不断扩大，对计算速度的要求不断提高，计算机的并行计算技术也将在潮流计算中得到广泛的应用，成为重要的研