电力系统潮流计算.docx

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电力系统潮流计算

电力系统潮流计算机辅助分析（牛顿－拉夫逊法）

中文摘要：

潮流计算是电力系统的一项重要分析功能，是进行故障计算，继电保护整定，安全分析的必要工具。

传统的潮流计算程序缺乏图形用户界面，结果显示不直观，难于与其他分析功能集成。

网络原始数据输入工作量大且易于出错。

随着计算机技术的飞速发展，MICROSOFTWINDOWS操作系统早已被大家所熟悉，其友好的图形用户界面已成为PC机的标准，而DOS操作系统下的应用程序因其界面不够友好，开发具有WINDOWS风格界面的电力系统分析软件已成为当前的主流趋势。

另外，传统的程序设计方法是结构化程序设计方法，该方法基于功能分解，把整个软件工程看作是一个个对象的组合，由于对某个特定问题域来说，该域的对象组成基本不变，因此，这种基于对象分解方法设计的软件结构上比较稳定，易于维护和扩充。

本文以图形用户界面的实现为重点，介绍了图形化潮流计算软件的开发设计思想和总体结构，阐述了该软件所具备的功能和特点。

并通过两个计算算例验证了覆盖软件的性能较优。

结合电力系统的特点，软件采用C++语言.面向对象的方法，开发了一种通用式分层管理的电力系统网络类库，在此基础上开发了基于WINDOWS操作系统的图形化潮流计算软件。

本系统的主要特点是操作简单，图形界面直观，运行稳定.计算准确。

计算中，算法做了一些改进，提高了计算速度，各个类的有效封装又使程序具有很好的模块性.可维护性和可重用性。

关键词：

潮流计算；软件开发；牛顿-拉扶逊法；面向对象；MATLAB

英文摘要：

ABSTRACT

Flowcaculationgisoneoftheimportantpowersystemanalysiscaculationandnecessaryfacilityoffaultanalysis,relayprotectionsettingandsecurityanalysis.

Traditionalflowcaculationprogram,shortofthegraphicuserinterface,don’tdisplaysresultsintuitionisticandintergratsdifficultywiththeotheranalysisfunction.Inputtingnetworksoriginalddataneedsagreatdealworkandusuallymakesmistakes.Withtherapiddevelopmentofthecomputertechnique.MicrofoftWindowsoperatingsystemisfamiliarwitheverybody,whosefriendlygrapgicuserinterfacehasbeencriterionofPersonComputer.ApplicationprogramswithDOSoperatingsystemdominatestatusestablishing,itisthepopulartrendtodeveloppowersystemhaven’tmeetwithnumeroususer’sdemandsbecauseofunfriendlyinterface.WithWindowsoperatingsystemdominantstatusestablishing,itisthepopulartrendtodeveloppowersystemanalysissoftwarewithWindows’interface.Inaddition,traditionalprogramdesignisstructuredprogramdesigntechnique,whichisdasedonfunction-analysed.Thewholesoftwareengineeriscombinedwithmanyfunctionmoduled.Asaresult,thewholestructureofsoftwarerequireschangingbecauseofthefunctionofsoftwareoftenchangingwithapplieddemandschanging,soitisdifficulttomaintainandexpandsoftware.Howevertheobject-orientedprogramdesignmethodisdissimilar,whichisbasedonobject-analysed.Thewholesoftwareengineeriscombinedwithmanyobjectmodules.Forpurposesofacertainproblemfield,theobjectofitisbasicallychangingless,sothesoftwarebasedonobject-analysedmethodissteadyinstructureandeasytomiantainandexpand.

Theideaondesignandimplementation,thestrutureofagraphicsoftwareforflowcaculationonpowersystem,especiallytheimplementationofagraphicuserinterface,andthefunctionandcharacteristicofpowersystem,byuseofobjectorientedmethodandC++languageaversatilehierachicmanagementnetworkclasslibraryforpowrsystemisdeveloped.GraphicflowcaculationsoftwarebasedonWindowsoperatingsystemisdevelopedbyusingabovedefinednetworkclasslibrary.Themianfeaturesofthesoftwareare:

easyoperation,intuitionsticgraphicuserinterface,highlevelsofstabilization,andrigorousresults.Thecaculationspeedisacceleratedbysomeimprovementofalgorithm,andtheeffectiveencapsulationofclasslibrariedbringsgoodmodularity,maintainabilityandreusability.

关键词：

flowcaculation;softwaredevelopment;grapnicinterface;oop.

目录

1．绪论

1.1电力系统及其发展概述

1．1．1电力系统概述

1．1．2电力系统运行的特点与要求

1．1．3电力系统发展概述

1．1．4国内电力系统发展现状

1．1．5国外电力系统发展现状

1．1．6现代电力系统的发展趋势

1.2潮流计算及牛顿－拉夫逊法概述

1.3MATLAB概述

2本论

2．1电力系统的基本概念

2．1．1电力系统

2．1．2电力系统的负荷和负荷曲线

2．2电力系统的基本元件

2．2．1发电机

2．2．2电力变压器

2．2．3电力线路

2．2．4无功功率补偿设备

2．3电力系统元件的数学模型

2．3．1电力线路的等值电路

2．3．2变压器的等值电路

2．3．3同步发电机的数学模型

2．3．4电力系统负荷

2．3．5多级电压电力系统的等值电路

2．4电力系统稳态运行分析

2．4．1电力线路的电压损耗与功率损耗

2．4．2变压器中的功率损耗与电压损耗

2．4．3辐射形网络的分析计算

2．4．4复杂电力系统潮流计算

2．5电力系统潮流计算机算法

2．6软件设计

2．6．1方案选择及说明

2．6．2方案求解

2．6．3MATLAB编程说明及元件描述

2．6．4程序

1

1．1电力系统及其发展概述

1．1．1电力系统概述

电力工业发展初期，电能是直接在用户附近的发电站（或称发电厂）中生产的，各发电站孤立运行。

随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加，而热能资源（如煤田）和水能资源丰富的地区又往往远离用电比较集中的城市和工矿区，为了解决这个矛盾，就需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力用户。

同时，为了提高供电可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。

这种由发电机、升压和降压变电所，送电线路以及用电设备有机连接起来的整体，即称为电力系统。

电力系统加上发电机的原动机（如汽轮机、水轮机），原动机的力能部分（如热力锅炉、水库、原子能电站的反应堆）、供热和用热设备，则称为动力系统。

电力系统中，由升压和降压变电所和各种不同电压等级的送电线路连接在一起的部分，称为电力网。

电力系统在技术和经济上都可以收到很大的效益，主要的有：

1、减少系统中的总装机容量

由电力系统供电的各用户的最大负荷并不是同时出现的，因此，系统中综合最大负荷总是小于各用户最大负荷的总和。

由于系统综合最大负荷的降低，也就可以相应地减少系统的总装机容量。

为了保证对用户可靠地供电，无论是孤立电站还是电力系统，都需要检修和事故备用容量。

在孤立电站中，备用容量不应小于电站最大机组容量（可能达到电站总容量的30一40％）。

而在电力系统中，所有发电站连接在一起并列运行，备用容量只需系统总容量的20％，其中：

负荷备用2～5％，事故备用10％左右，检修备用8％左右。

显然，此时电力系统的备用容量比各孤立电站备用容量的总和为少，即总装机容量又可以减少。

2、可以装设大容量机组

组成电力系统后，由于总负荷的增大，因此可以装设大容量机组。

大容量机组效率高，每千瓦投资以及维护费用都比多台小机组经济得多。

但是，电力系统中所采用的最大机组容量，以不超过总装机容量的15～20％为宜。

3、能够充分利用动力资源

建成电力系统后，就可以将发电站建造在动力资源产地，如在煤矿附近建立巨型坑口电站，在水能资源集中的地方建立大型水力发电站等。

同时，有些形式的电站，如热电站，水电站、风力电站、原子能电站等，如果不与系统并列，就很难保证持续正常供电以及发挥其最佳经济效益。

例如，热电站的抽汽机组的出力是由热负荷确定的，而热负荷与电负荷的需要往往不能互相配合。

水电站的出力则是由水能及其综合利用要求来决定的，也往往与电负荷的需要不相配合：

一般在夏季丰水期，水量多而用电量较少；冬季枯水期，水量少而用电量反而多，因此，就可能或由于水库调节库容不够而弃水，或对电力负荷不能保证供应。

如果把水电站连接在电力系统中，由于有火电站和其它形式电站的互相配合和调节，水能资源就能得到充分利用，供电也能得到保证。

4、提高供电可靠性

在电力系统中，由于是多电源联合供电，机组的台数较多，即使个别机组或电源发生故障，其它机组或电源仍可以在出力允许的情况下多带负荷，因此可以提高供电可靠性。

5、提高电能质量

电能质量用频率和电压来衡量，其数值，应根据规程要求保持在一定的允许变动范围内。

由于电力系统容量大，因而负荷波动时所引起的频率和电压波动就会减小，电能质量可以提高。

6、提高运行的经济性

建立电力系统后，除了充分利用动力资源可以提高运行的经济性外，在系统中还可以经济合理的分配各发电站或各机组的负荷，使运行经济、效率高的机组多带负荷，效率低、发供电成本高的机组少带负荷，从而降低生产电能的成本。

电能的生产与其它工业生产有着显然不同的特点:

1、电能不能大量储藏

电力系统中发电站负荷的多少，决定于用户的需要，电能的生产和消费时时刻刻都是保持平衡的。

电能的生产、分配和消费过程的同时性，使电力系统的各个环节形成了一个紧密的有机联系的整体，其中任一台发、供、用电设备发生故障，都将影响电能的生产和供应。

2、电力系统的电磁变化过程非常迅速

电力系统中，电磁波的变化过程只有千分之几秒，甚至百万分之几秒；而短路过程发电机运行稳定性的丧失则在十分之几秒或几秒内即可形成。

为了防止某些短暂的过渡过程对系统运行和电气设备造成的危害，要求能进行非常迅速和灵敏的调整及切换操作，这些调整和切换，靠手动操作不能获得满意的效果，甚至是不可能的，因此必须采用各种自动装置。

3、电力工业和国民经济各部门之间有着极其密切的关系

电能供应不足或中断，将直接影响国民经济各个部门的生产，也将影响人们的正常生活，因此要求电力工业必须保证安全生产和成为国民经济中的先行工业，必须有足够的负荷后备容量，以满足日益增长的负荷需要。

根据以上电能生产的特点，电力系统的运行必须满足下列基本要求:

1、保证对用户供电的可靠性

在任何情况下，都应该尽可能的保证电力系统运行的可靠性。

系统运行可靠性的破坏，将引起系统设备损坏或供电中断，以致造成国民经济各部门生产停顿和人民生活秩序的破坏，甚至发生设备和人身事故。

电力用户，对供电可靠性的要求并不一样，即使一个企业中各个部门或车间，对供电持续性的要求也有所差别。

根据对供电持续性的要求，可把用户分为三级。

一级负荷：

如停止供电，将会危害生命、捐坏设备、产生废品和使生产过程混乱，给国民经济带来重大损失，或者使市政生活发生重大混乱。

二级负荷：

如停止供电，将造成大量减产，城市大量居民的正常活动受到影响。

三级负荷：

指所有不属于一级及二级的负荷，如非连续生产的车间及辅助车间和小城镇用电等。

对于一级负荷，至少要由两个独立电源供电，其中每一电源的容量，都应在另一电源发生故障时仍能完全保证一级负荷的用电；对于三级负荷，不需要备用电源；对于二级负荷是否需要备用电源，要进行技术经济比较后才能确定。

2、保证电能的良好质量

即要求供电电压（或电流）的波形为较严格的正弦波，保证系统中的频率和电压在一定的允许变动范围以内。

我国规程规定：

10～35kV及以上电压供电的用户和对电压质量有特殊要求的低压用户电压允许偏移为±5％；频率允许偏移为±0.5Hz。

3、保证运行的最大经济性

电力系统运行有三个主要经济指标，即生产每度电的能源消耗（煤耗率、油耗率、水耗率等），生产每度电的自用电（自用电率），以及供配每度电在电力网中的电能损耗（线损率）。

提高运行经济性，就是在生产和供配某一定数量的电能时，使上列三个指标达到最小。

为了实现电力系统的经济运行，必须对整个系统实施最佳经济调度。

1．1．2电力系统运行的特点与要求

1）电力系统运行的特点

电力系统发电与用电之间的动态平衡：

由于电能目前还不能大容量储存，导致电能的生产和使用是同步进行的。

因此，这避免造成系统运行的不稳定，电力系统必须保持电能的生产、输送、分配和使用处于一种动态平衡的状态。

（1）电力系统的暂态过程十分迅速：

由于电能的传输具有极高的速度，电力系统中开关的切换、电网的短路等暂态过渡过程的持续时间十分短暂，以10-6一10-3S计。

因而，在设计电力系统的自动化控制、测量和保护装置时，应充分考虑其灵敏性。

（2）电力系统的地区性特色明显：

不同地区的能源结构具有一定的差异。

因此，需要因地制宜，充分利用地方资源，尽量减少能源的运输工作量，降低电能成本。

（3）电力系统的影响重要：

随着社会的进步和电气化程度的提高，电能对国民经济和人民生活具有重要影响，任何原因引起的供电中断或供电不足都有可能造成重大损失。

2）对电力系统运行的要求

（1）安全在电能的生产、输送、分配和使用中，应确保不发生人身和设备事故。

（2）可靠在电力系统的运行过程中，应避免发生供电中断，满足用户对供电可靠性的要求。

（3）优质就是要满足用户对电压和频率等质理的要求。

（4）经济降低电力系统的投资和运用，尽可能节约有色金属的消耗量，通过合理规划和高度，减少电能损耗，实现电力系统的经济运行。

1．1．3电力系统发展概述

从1831年法拉第发现了电磁感应定律，到1875年巴黎北火车站发电厂的建立，电真正进入了实用阶段。

火力发电时钟在所有的电能中占最大的比重，按照热力学原理，用不断提高蒸气温度和压力的途径来提高蒸气的热效率。

水电的发展是水能开发的结果。

近二三十年来，由于超高压输电技术和水轮发电机制造水平的提高，水电厂的建设规模越来越大。

核电的发展经历了三各阶段：

50年代中期到60年代初为试验阶段

，这一阶段主要是反应堆选型。

第二阶段（1961－1968年），核电的经济性可以与常规火电竞争，进入商业实用阶段。

1969年后，核电进入工业推广阶段。

发电技术的发展促进了输电技术的发展。

第一次高压输电技术出现与1882年，德普勒用装在米斯巴赫煤矿德功率为3HP德直流发电机，以1500－2000V电压，沿57KM的电报线（直径为4.5MM的钢线），把电能输送到慕尼黑国际博览会，供电给一台电动机，使装饰喷泉的水转动。

这个输电系统虽小，却可以认为是世界上第一个电力系统。

早期采用的是直流输电，要提高效率，必须提高电压，可是高压直流发电机和电动机的制造面临难以解决的困难。

进入19世纪80年代以后，随着电力变压器的实际应用，昔日直流技术的地位受到交流的挑战，并被其代替。

最早形成的交流电力系统出现在伦敦。

为了减少线路的功率损失，提高输电电压是一个有效的方法。

因此输电技术的发展，始终伴随输电电压的不断提高。

随着大容量水电厂、矿口火电厂和核电厂的建设，从50年代开始，330KV及以上超高压输电线路得到了很快的发展。

1969年，美国第一条765KM长的线路投入运行；前苏联哈萨克的埃基巴撕图兹火电厂至乌拉尔的1150KV特高压输电线已投入运行，线路长1300KM，开创了输电电压的新纪录。

由于交流输电在海底电缆送电，运行稳定性等方面的局限性，直流输电在30年代又东山再起，在50年代中期进入工业应用阶段。

这时已不用原来的直流发电机，而是在始端将交流整流为直流，在终端又将直流逆变为交流。

大型发电厂的建设和高压输电线路的架设使电力系统的规模也日益扩大。

初期发展的分散的、孤立的小系统逐渐发展，合并成统一的或联合大系统。

这些系统有的甚至跨越国界和州界，如原苏联统一电力系统与部分欧亚国家的电力系统互联，这些国家包括波兰、捷克。

保加利亚、罗马尼亚、德国、匈牙利、蒙古、苏兰，挪威、土耳其、希腊等。

这个电力系统横跨欧亚大陆，跨越距离东西7000KM，南北3000KM，使目前世界上最大的联合电力系统。

电力系统大发展还体现在自动化水平的提高。

目前世界上已有约300个装备有电子计算机的电力系统监视和控制中心，它们具有对系统进行自动监视、安全分析和安全控制，实行经济调度和调度员培训等功能，保证了系统运行的安全性和经济性。

1882年7月26日，我国第一座火电厂开始发电，这是由英国人在上海投资兴办的，机组容量12KM。

到1949年，中华人民共和国成立时，全国发电装机容量为184万千瓦，年发电量约43亿千瓦时，居世界第25位。

自1949年以来，我国的电力工业有很大的发展，至1990年第底，全国发电装机容量达13576万千瓦时，年发电量为6180亿千瓦时，均居世界第4位。

发电容量超过50万千瓦的发电厂有54个，其中11个超过100万千瓦（2个水电厂，9个火电厂）。

目前全国最大的火力发电厂时江苏谏壁发电厂，装机容量162.5万千瓦，最大的水力发电厂时葛洲坝水电厂，装机容量246.5万千瓦。

我国自己设计和制造的浙江秦山核电厂（第一期单机30万千瓦）已于1991年12月并网发电，从国外引进设备的广东大亚湾核电厂（2台90万千瓦机组）不久将投入运行。

在输电线路建设方面，1981年从平顶山到武汉的我国第一条500KV线路投入运行以来，500KV线路已逐渐成为各大电力系统的骨架。

自行设计的和建造的第一条100Kv直流高压输电线路已于1988年投入运行，该线路从浙江镇海到舟山岛，全长1080KM，它将华中和华东两大电力系统连接起来。

装机容量在1000万千瓦以上的电力系统有东北、华东、华中和华北电力系统，此外，100千瓦以上的系统还有华南、西北、西南、山东、福建和云南电力系统。

1．1．4国内电力系统发展现状

1995年全世界的发电装机总容量为30.0亿kW，1998年为32.5kW。

全世界人均用电量为2400kW·h。

预计在1995～2020年的25年中，世界能源消耗将增加50%，电能消耗将翻一番，装机总容量达到60.0亿kW。

这期间，电力建设投资需要330000亿美元。

这就意味着每增加1kW电力，需要投资900美元。

20世纪70年代以前，世界电力处于大发展时间，那时电力年增长速度达7%。

在这之后电力发展开始减慢，特别是发达国家，电力增长速度降为1%~3%，而发展中国家电力增长速度加快，达到3%~5%，特别是中国和印度。

世界电力发展速度并不平衡，现在还有20亿人口未用上电。

中国电力工业始于1882年，至1999年已有117年历史。

在此百余年中，中国电力工业的状况无不与当时的历史背景和时代特点紧密联系。

旧中国67年的电力工业史，道路坎坷，步履蹒跚，至1949年全国装机容量仅为184.86万千瓦，年发电量为43.10亿千瓦时。

新中国成立后，中国政府一直把电力工业作为国民经济的先行基础产业，并制定了一系列发展电力工业的方针政策。

经全国电业职工的不懈努力，一座座火电厂拔地而起，一座座水电站横波卧浪，一条条输电线路纵横中国大地。

到1998年底，全国发电装机容量已达2.77亿千瓦，年发电量已达11580亿千瓦时，分别由1949年的世界第21位和第25位均跃升为世界第2位，形成了一个较为完整的初步现代化的电力工业体系，为中国经济的发展和人民生活水平的提高作出了卓越的贡献。

其发展标志主要是：

—电源结构不断改善。

从80年代开始，火电建设就进入了大机组、大容量、高参数阶段。

至今全国已投入运行的60万千瓦及以上的大机组已有17台，正在建设的有27台，其中绥中电厂80万千瓦机组即将投产；水电建设，以浙江新安江水电站为起点，随着刘家峡、龙羊峡、二滩、天生桥一级和广州抽水蓄能电站等大型水电站的建成投产，全国水电装机容量已达6300万千瓦。

占全国发电总装机容量的23.5％；以秦山和大亚湾核电站的建成投入运行为标志；中国从此结束了无核电的历史；同时，风能、地热、潮汐和太阳能等新能源发电有了较大发展。

—电网规模不断扩大。

在加快电源建设的同时，加强了电网的同步建设。

到1998年底，中国已拥有500千伏输电线路20093公里、330千伏输电线路7291公里，220千伏及以上变电设备容量达31958万千伏安，形成了东北、华北、华东、华中、西北六个跨省（区、市）电网和6个各自独立的省（区、市）电网，覆盖了全国所有城市和绝大部分乡镇农村