02单机系统潮流的经济分布控制(3)

辽 宁 工 业 大 学

《电力系统分析》课程设计（论文）

题目： 单机系统潮流的经济分布控制（3）

院（系）： 电 气 工 程 学 院 专业班级： 电气班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 教授 起止时间：14-06-30至14-07-11

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化 T 1 L1 2 S2 G L3 L2 3 S3 课程设计（论文）任务原始资料：系统如图。 G：SN=30MVA，VN=10kV，X=0.23； T: SN=31.5MVA，Vs%=9，k=10/121kV,△Ps=180kW, △Po=30kW,Io%=0.8； L1:线路长70km，电阻0.22Ω/km，电抗0.4Ω/km，对地容纳2.78×10S/km； L2:线路长75km，电阻0.21Ω/km，电抗0.42Ω/km，对地容纳2.8×10S/km；； L3: 线路长60km，电阻0.18Ω/km，电抗0.38Ω/km，对地容纳2.7×10S/km；； 负荷：S2=18MVA，S3=10 MVA，功率因数均为0.9. 任务要求： 1 阐述闭式网络潮流控制的基本思想； 2 画出系统等值电路图，计算各元件参数； 3 对系统进行潮流计算，计算系统支路自然功率分布； 4 在L1支路加入合适的附加电势（串联变压器），实现支路功率经济分布； 5 利用MATLAB建立电力系统仿真模型进行仿真； 6 对计算结果进行分析比较，得出结论。 -6-6-6 指导教师评语及成绩 平时考核： 设计质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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摘 要

随着社会的发展，生产和人民生活用电的不断增长，负荷密度明显增大，配电网络的负荷也越来越重，不但电能损耗很大，而且也难以保证电压质量。为满足日益增长的电力需求，减少不必要的浪费，以及提供更好的电力能源，要对原有的配电网络进行改造。

本课程设计主要研究某一电力系统网络，对此网络进行潮流计算。电力系统的潮流计算是电力系统分析中的基本计算之一，是对复杂电力系统正常和故障条件下稳态运行状态的计算。本文研究次电力网的支路功率分布，并完成对支路加入附加电势，使系统实现支路功率经济分布的效果。并通过潮流计算使系统实现支路功率的经济分布，用MATLAB进行仿真。

关键词：潮流计算；经济分布；MATLAB仿真；

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目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1

1.1 电力系统潮流控制概述 ......................................... 1 1.2 本文设计内容 ................................................. 1 第2章 电力系统潮流经济控制原理 ...................................... 2

2.1 电力系统潮流计算基本原理 ..................................... 2 2.2 简单闭式网潮流经济分布 ....................................... 2 2.3 经济潮流控制附加电动势的计算 ................................. 3 第3章 电力系统经济潮流控制计算 ...................................... 5

3.1 系统等值电路及元件参数计算 ................................... 5 3.2 系统等值电路及其化简 ......................................... 6 3.3 潮流经济分布计算 ............................................. 7 3.4 潮流经济分布控制方法 ......................................... 8 第4章 潮流经济分布的仿真 ........................................... 10

4.1 功率自然分布仿真模型的建立 .................................. 10 4.2 功率经济分布仿真模型的建立 .................................. 11 4.3 仿真结果及分析 .............................................. 12 第5章 总结 ......................................................... 13 参考文献 ............................................................ 14

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第1章 绪论

1.1 电力系统潮流控制概述

电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。它的任务是根据给定的运行条件和网路结构确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。是电力系统稳定计算和故障分析的基础。在电力系统规划的设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用潮流计算来定量地分析比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性。所以潮流计算是研究电力系统的一种很重要和很基础的计算。

电力系统潮流计算也分为离线计算那和在线计算两种，前者主要用于系统规划设计和安排系统的运行方式，后者则用于正在运行系统的经常监视及实时控制。

电力系统潮流计算问题在数学上是一组多元非线性方程式求解问题，其解法都离不开迭代。由于电力系统结构及参数的一些特点，并且随着电力系统不断扩大，潮流问题的方程式阶数越来越高，对这样的方程式并不是任何数学方法都能保证给出正确的答案的。这种情况成为促使电力系统计算人员不断寻求新的更可靠方法的重要因素。

潮流经济运行就是指电网在供电成本率低或发电能源消耗率及网损率最小的条件下运行。电网经济运行就是一项实用性很强的节能技术。这项技术是在保证技术安全、经济合理的条件下，充分利用现有的设备、元件，不投资或有较少的投资，通过相关技术论证，选取最佳运行方式、调整负荷、提高功率因数、调整或更换变压器、电网改造等，在传输相同电量的基础上，以达到减少系统损耗，从而达到提高经济效益的目的。

1.2 本文设计内容

本文通过给出的电力网系统图，从而画出系统等值电路图，计算各元件参数，了解并阐述闭式网络潮流计算及其经济控制的基本思想，完成电力系统网络的潮流计算，继而完成电力网的支路功率分布，并完成对一支路加入附加电势，使系统实现支路功率经济分布的效果。并用MATLAB进行仿真，得出仿真波形，从而对计算结果进行分析比较，并得出结论。

1

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第2章 电力系统潮流经济控制原理

2.1 电力系统潮流计算基本原理

潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，它的任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布及功率损耗等。电力系统潮流计算的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础。

潮流计算根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。

潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出的各种问题。对规划中的电力系统，通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求；对运行的电力系统，通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危及系统的安全，系统中所有母线的电压是否在允许的范围以内，系统中各种元件（线路、变压器等）。

2.2 简单闭式网潮流经济分布

图2.1 电力网等效电路图

在如图2.1中所示的两端供电网络中，设VaVb，根据基尔霍夫电压定律和电流定律，可以写出下列方程：

2

。。

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。 。 。 。 。VaVbZa1I1Z12I12Zb2Ib2

。。。1  I a 1  I 12  I （2-1）

。。。 I12Ib2I2

如果已知电源点电压以及负荷点电流I1和I2便可以解出Ia1和Ib2，所求得的电流分布是精确的。但是在电力网中，由于沿线有电压降落，即使线路中通过同一电流，沿线各点的功率也不一样。在电力网的实际计算中，负荷点的已知量一般是功率，而不是电流。为了求取网络中的功率分布，可以采用近似的算法，先忽略网络中的功率损耗，都用相同额电压V计算功率，令VVN0，并认为

SVNI，便可以得到

*。。。。

Sa1*Sa1,LDScir *****Za1Z12Zb2Za1Z12Zb2 （2-2） *****(VaVb)VNZa1S1(Za1Z12)S2 Sb2*Sb2,LDScir*****Za1Z12Zb2Za1Z12Zb2

(Z12Zb2)S1Zb2S2(VaVb)VN由上式可见，每个电源点送出的功率都包含两个部分，第一部分由负荷功率和网络参数确定，每一个负荷的功率都以该负荷点到两个电源点间的阻抗共轭值成反比的关系分配给两个电源点，而且逐个的计算。第二部分与负荷无关，它可以在网络中负荷切除的情况下，由两个供电点的电压差和网络参数确定，通常称这部分功率为循环功率。

*****2.3 经济潮流控制附加电动势的计算

电力网系统：

T 1 L1 2 S2 G L3 L2

3

图2.2 电力网系统

3

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系统原始资料：

G：SN=30MVA，VN=10kV，X=0.23；

T: SN=31.5MVA，Vs%=9，k=10/121kV,△Ps=180kW, △Po=30kW,Io%=0.8； L1:线路长70km，电阻0.22Ω/km，电抗0.4Ω/km，对地容纳2.78×10-6S/km； L2:线路长75km，电阻0.21Ω/km，电抗0.42Ω/km，对地容纳2.8×10-6S/km；； L3: 线路长60km，电阻0.18Ω/km，电抗0.38Ω/km，对地容纳2.7×10-6S/km；； 负荷：S2=18MVA，S3=10 MVA，功率因数均为0.9. 由上述资料可知：

SL3

S3(ZL2ZL1)S2ZL1ZL3ZL2ZL1******(10.54j2.8)MVA S3(11.7j2.95)MVA

S210.8j2.69MVA

所以P311.7MVA Q32.95MVA P210.8MVA Q22.69MVA 功率损耗为：

P(RRL1)P2RL111.7(1611.9)10.811.910.76MVA Plec3L214.41611.9RL3RL2RL1

Q(RRL1)Q2RL12.95(1611.9)2.6911.92.70MVA Qlec3L214.41611.9RL3RL2RL1

循环功率为：

ScirSlecSL3(PlecPL3)j(QlecQL3)

(10.7610.54)j(2.702.80)2.2j0.1MVA 因此可以根据公式Z*Scir/VN可以求出附加电势。 即附加电势为：

PRQcirXPcirXQcirR +j Z*Scir/VN= cirVNVN

(42.3j93.6)(2.2j0.1)0.93j1.831104

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第3章 电力系统经济潮流控制计算

3.1 系统等值电路及元件参数计算

由电力网可以画出起等值电路图，如图3.1所示

1ZL3SL33ZL2SL2ZL1SL1S21jQBL3S3jQBL1

图3.1 等值电路图

元件参数计算： 电力网的额定电压为

VN10(121/10)0.909110V

线路L1：

ZL1(0.22+j0.4)×70Ω=（15.4+j28）Ω

BL12.7810670S1.95104S 2QBL11.9510411022.36Mvar

线路L2：

ZL2（0.21+j0.42）×75Ω =（15.75+j31.5）Ω BL22.8×10-6×75S=2.10×104S 2QBL22.1010411022.54Mvar 线路L3：

ZL3（0.18+j0.38）×60Ω=（10.8+j22.8）Ω

BL32.7×10-6×60S=1.62×104S 2QBL31.6210411021.96Mvar

变电所：

2VS%VN911023XT1010334.5100SN100315005

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2PSVN180110233RT10102.1922 VN31500ZTRTjXT2.19j34.5

S0P0jQ00.18j0.25MVA

负荷功率：S2=18MVA，S3=10 MVA，功率因数均为0.9

SLD210.8j5.23MVA

SLD311.7j5.67MVA

3.2 系统等值电路及其化简

由上面计算可知：

QBL11/21.9510411021.18Mvar QBL21/22.1010411021.27Mvar

QBL31/21.6210411020.98Mvar 计算节点3和2的运算负荷:

S3SLD3jQBL3jQBL2

11.7j5.67j1.36j1.3611.7j2.95MVA

S2SLD2jQBL2jQBL1

10.8j5.23j1.36j1.1810.8j2.69MVA

闭式网中的功率分布： SL3

S3(ZL2ZL1)S2ZL1ZL3ZL2ZL1(11.7j2.95)(27.9j61.6)(10.8j2.69)(11.9j28)42.3j93.6******SL1

S3ZL3S2(ZL3ZL2)******ZL3ZL2ZL1(11.7j2.95)(14.4j32)(10.8j2.69)(30.4j65.6)42.3j93.6验算： SL1SL3(10.54j2.811.60j2.8)(22.58j5.6)MVA S2S3(11.7j2.9510.8j2.69)(22.5j5.64)MVA

可见，计算结果误差很小，无需重算。取SL310.54j2.8继续进行计算。

SL2S3SL3(11.7j2.9510.54j2.8)(1.16j0.15)MVA

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功率分布图如图 所示：

10.54j2.81.16j0.1511.60j2.81321j1.3611.7j2.9510.8j2.69j1.18

图3.2 功率分布等值电路图

3.3 潮流经济分布计算

在环网中引入环路电势使产生循环功率，是对环网进行潮流控制和改善功率分布的有效手段。

功率在环形网络中是与阻抗成反比分布的，这种分布称为功率的自然分布， 而经济分布功时率在环式网中是按与电阻成反比分布，其有功功率损耗最小。只有每段电力线路阻抗的R/X比值都相等的均一网络中，功率的自然分布才与经济分布相符。在一般情况下，这两者是有差别的。各段线路的不均一程度越大，功率损耗的差别就越大。

如果在环网中引入附加电势E，假定其产生与SL1同方向的循环功率，且满足条件：

SL1ScirSlec

（3-1）

就可以使功率分布符合经济分布的要求。由此可得所要求的循环功率为 ScirSlecSL1(PlecPL1)j(QlecQL1)

(10.7610.54)j(2.702.80)2.2j0.1MVA 式中，Z为环网的总阻抗，VN为网络的额定电压。

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3.4 潮流经济分布控制方法

在电力系统中，无功功率既有其有益的一面，也有其有害的一面。有益的是，电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其它形式能量的前提。它为电能的输送、转换创造了条件。而相反的是，在电力系统输送电能的过程中，无功功率不足，将使系统中输送的总电流增加、使变压器的出力减少、供电线路及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压下降；同时，对于电力用户来说，过多的从电力网中吸取无功，不仅使电网电能质量下降，也影响自身的用电和生产。因此，为了减少无功的损失和避免其在电网中的不当流动，必须进行无功补偿。

串联补偿可改变传输线路的等效阻容或在线路中串入补偿电压，因此，通过串联补偿可方便地调节系统的有功和无功潮流，从而有效控制电力系统的电压水平和功率平衡。在配电网中，大部分的电压降是由线路电感引起的，串联补偿可使负载波动引起的电压下降减少。由于串联电容其实是一个无源的电路元件，其响应自发而迅速，因此，串联补偿有助于电压调节，可较完美地解决电压闪变问题。

串联补偿可改变传输线路的等效阻容或在线路中串入补偿电压，因此，通过串联补偿可方便地调节系统的有功和无功潮流，从而有效控制电力系统的电压水平和功率平衡。在配电网中，大部分的电压降是由线路电感引起的，串联补偿可使负载波动引起的电压下降减少。由于串联电容其实是一个无源的电路元件，其响应自发而迅速，因此，串联补偿有助于电压调节，可较完美地解决电压闪变问题。

调整环网中的变压器变比，对于比值X/R较大的高压网络，其主要作用是改变无功功率的分布。一般情况下，当网络中功率的自然分布不同于期望的分布时，往往要求同时调整有功功率和无功功率，这就要采用一些附加装置来产生所需的环路电势。这类装置主要的有附加调压变压器和基于电力电子技术的一些FACTS装置。

FACTS（Flexible AC Transmission System)的概念是在20世纪80年代末期由美国的Hingorani提出来的。现在FACTS技术已成为电力系统新技术的重要发展方向之一，我国也以开展了这一领域的研究。

FACTS的含义是装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。在FACTS装置中采用晶体管取代传统的机械式高压开关或接头转换部件，极大地提高率调节的灵活性和快速性，通过对电压（幅值和相位）和阻抗的迅速调整，可以在不改变电网结构的情况下，加强潮流的可控

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性和提高电网的传输能力。

基于电压型变流器的串联补偿器称为静止同步串联补偿器（Static Synchronous Series Compensator-SSSC）。它是Gyugyi在1989年提出的，其目的旨在将变流器技术统一地运用于串并联补偿，以及传输角的控制。静止同步串联补偿器是一种新型的串联补偿装置，和其他FACTS装置相比，它可以直接控制电力系统中电压幅值、相角，具有控制范围广、响应速度快等优点。补偿的电压与其串联的线路电流相差90°。

图3.3 静止同步串联补偿器接入系统示意图

++++++

该补偿器电压与线路电流无关，能在容行到感性范围内进行控制。它具有以下特点：

a)不需要任何交流电容器或电抗器在线路内产生或吸收无功功率;

b)在同一电容性和感性范围内，与线路电流大小无关的产生可控的补偿电压; c)对次同步谐振（SSR）及其它振荡现象具有抗干扰能力； d)接入储能器后可对线路进行有功功率和无功功率补偿；

e)接入一直流电源后，可补偿线路电阻或电抗，与线路串联补偿，无关地维持电抗与电阻的高比值；

f)能快速或几乎瞬间的响应控制指令； g)适应单相重合闸时的非全相运行状态。

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第4章 潮流经济分布的仿真

4.1 功率自然分布仿真模型的建立

MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。

MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。

与其他软件相比，MATLAB具有以下优点。

1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；

2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;

3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；

4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供

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了大量方便实用的处理工具。

因此本课程设计使用MATLAB进行仿真。

图4.1功率经济分布模型

4.2 功率经济分布仿真模型的建立

图4.2功率自然分布模型

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4.3 仿真结果及分析

功率自然分布仿真结果：

功率经济分布仿真结果：

通过仿真结果显示，经过潮流经济计算的功率分布更加合理。

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第5章 总结

本次课程设计是对电力网系统进行潮流潮流经济控制，先进行潮流计算，并对此电力网的支路功率分布，并完成对一支路加入附加电势，使系统实现支路功率经济分布的效果。

电力系统潮流计算是研究电力系统稳态情况的一种最基本的计算，是研究和分析电力系统的基础，它根据给定的运行条件及系统接线情况确定这整个电力系统各部分的运行状态，其中潮流计算的主要目的是在电力体统规划中，用于选择接线方式，选择电气设备的导线截面和在电力系统运行中，用于确定运行方式，制定检修计划，确定调压措施以及为继电保护、自动装置设计和整定计算提供数据。

在潮流计算之前，得需要画出电力网系统的等值电路，并计算各个元件的参数，之后计算支路功率，并画出功率的分布等值电路图。对该支路附加电动势，以实现支路功率的经济分布效果，最后通过MATLAB软件对计算结果进行仿真，并用仿真结果进行分析比较。

在潮流计算中通过对支路功率的分布计算，可以解决如何是系统支路达到经济分布的效果，从而有利于电力网建设和电能分配，对于在电力网中产的功率损失，串联补偿器可有效的解决这种问题，且自动补偿无需人员手工操作，是电能达到安全可靠的标准。

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参考文献

[1] 何仰赞等. 电力系统分析（上）.华中科技大学出版社.2002.1 [2] 陈衍.电力系统稳态分析[M].北京：水利电力出版社，2004.1 [3] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京： 水利电力出版社，2002.5 [4] 西安交通大学等.电力系统计算[M].北京：水利电力出版社，1993.12 [5] 于永源.电力系统分析（第二版）[M]. 北京：中国电力出版社，2004.3 [6] 谭浩强.C 程序设计（第三版）. 北京：华中理工大学出版社，2005.7 [7] 何仰赞等.电力系统分析（第三版）. 北京：水利电力出版社，2004.6 [8] 王晶等. 电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用. 西安电子科技大学出版社，2007

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