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(陜西理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723000)

1 引言

近年來我國電力行業(yè)迅速發(fā)展，長距離、大功率和大容量的超高壓互聯(lián)網(wǎng)在電網(wǎng)中逐步發(fā)展起來?？煽?、安全、經(jīng)濟是電力系統(tǒng)運行的基本要求。在電力系統(tǒng)運行管理過程中，電網(wǎng)潮流是確定電網(wǎng)運行方式的基本出發(fā)點，規(guī)劃方案的合理性可以在潮流分析當(dāng)中進行有效的驗證，在實時運行環(huán)境下的電網(wǎng)中，預(yù)想操作情況下，潮流提供了電網(wǎng)的潮流分布以校驗運行可靠性。電力系統(tǒng)分析當(dāng)中，潮流計算是一種最基本的計算，對復(fù)雜電力系統(tǒng)來說，無論正常還是故障條件下都能夠進行穩(wěn)態(tài)運行的計算。潮流計算的目標(biāo)是求取電力系統(tǒng)在給定運行狀態(tài)的計算，也就是求取在整個輸電線路及各個節(jié)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(tǒng)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(tǒng)規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中最基本的運算，同時，對電力系統(tǒng)進行靜態(tài)和暫態(tài)分析都是以潮流計算為基礎(chǔ)[1-4]?；赑SASP 軟件可有效、方便、快捷地實現(xiàn)電網(wǎng)潮流計算，本文以WSCC-9節(jié)點系統(tǒng)為例，應(yīng)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(xué)研究院開發(fā)的一套功能強大的電力系統(tǒng)分析程序，目前在我國電力行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，PSASP 功能不斷發(fā)展，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的潮流、暫態(tài)穩(wěn)定、小干擾穩(wěn)定等各種計算，涉及了穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、線性、非線性各種分析[6]?？梢岳L制各種電網(wǎng)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(shù)據(jù)構(gòu)架，在數(shù)據(jù)上有層次化的保護，從而保證了數(shù)據(jù)和圖形的一致性。同時，該軟件還具備網(wǎng)絡(luò)拓撲和網(wǎng)絡(luò)校驗功能，能夠?qū)τ嬎隳K中的計算數(shù)據(jù)進行校驗。除此之外，PSASP在對電力系統(tǒng)進行結(jié)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(yīng)用分析

3.1 潮流計算的數(shù)學(xué)模型特點

潮流計算在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為求解非線性方程組，其數(shù)學(xué)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(jié)點平衡方程式；

X=(x1,x2,…,xn)T為待求的各結(jié)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(yōu)因子法、牛頓法(電流式)、PQ分解轉(zhuǎn)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(tǒng)，能夠考慮負荷靜態(tài)特性，除了可以考慮一般的PQ節(jié)點外，還可以對該節(jié)點的電壓值加以限制，如：

Vmin≤V≤Vmax

可以對該節(jié)點的無功功率加以限制，如：

Qmin≤Q≤Qmax

能自動進行全網(wǎng)的拓撲分析，提供潮流數(shù)據(jù)檢查功能，方便用戶發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，而且?guī)讉€孤立的電網(wǎng)可以同時計算，此特點可以通過為每個孤立的電網(wǎng)設(shè)置一個平衡點來實現(xiàn)。

(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(shù)據(jù)及潮流計算結(jié)果。該系統(tǒng)可以自動通過電網(wǎng)元件瀏覽器對潮流結(jié)果進行圖示化輸出[8]。

(3)該程序擁有許多控制調(diào)節(jié)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(yīng)用

對于常規(guī)潮流計算，其極坐標(biāo)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(yōu)化方法，使得最優(yōu)潮流算法具有二次收斂速度，能通過少數(shù)幾次迭代便收斂而達到最優(yōu)。最優(yōu)潮流牛頓算法首先構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：

L(x,λ)=f(x)+λTg(x)

(3)

定義向量z=[x,λ]T，應(yīng)用下式：

(4)

應(yīng)用式(5)可得到應(yīng)用海森矩陣法來求最優(yōu)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(tǒng)單線圖

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

圖1 WSCC-9系統(tǒng)單線圖

4.2 潮流分布圖

在系統(tǒng)單線圖完成之后，進行系統(tǒng)的潮流計算，系統(tǒng)的潮流分布如圖2所示。從圖中我們可以看到系統(tǒng)總共發(fā)出3.2W的有功功率，發(fā)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(shù)據(jù)進行修改，例如負荷STNA的有功功率從1.25調(diào)到3.0則在潮流計算模式下，雙擊單線圖中STNA的圖標(biāo)，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(jié)果報表以Excel報表形式輸出系統(tǒng)中所有元件的結(jié)果，包括總的有功發(fā)電，總的有功負荷，總的有功損耗。以下報表數(shù)據(jù)均為標(biāo)么值輸出，本系統(tǒng)部分元件輸出結(jié)果如表1～表4所示。

圖2 系統(tǒng)潮流計算結(jié)果

全網(wǎng)總有功發(fā)電/pu總無功發(fā)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(fā)電機結(jié)果輸出

表3 負荷結(jié)果報表

表4 兩繞組變壓器報表

4.4 改造后的系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)改造后，通過與改造前的潮流數(shù)據(jù)進行比較，系統(tǒng)總的有功發(fā)電有明顯提高，無功電能有所降低，總的有功負荷由3.15變?yōu)?.75，功率因數(shù)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(jié)果如表5～表7所示。

表5 改后發(fā)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(jīng)過對原系統(tǒng)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(fā)電機的有功發(fā)電增加了0.45，且總的有功發(fā)電增加了0.751；相對應(yīng)的變壓器容量出口有所增加，I側(cè)有功增加了0.45，同時J側(cè)有功也有所提高。

5 結(jié)語

本文利用PSASP電力系統(tǒng)仿真程序?qū)SCC-9節(jié)點系統(tǒng)改造前后分別進行潮流分析，通過計算可以求得系統(tǒng)各母線節(jié)點的電壓幅值和相角，以及各支路的功率分布、網(wǎng)絡(luò)的功率損耗等。從而證明PSASP能夠很好地分析實際電網(wǎng)的潮流分布和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變，能夠滿足電力系統(tǒng)運行分析與規(guī)劃的仿真需要，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

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

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

[3] 張良海.基于PSASP的電網(wǎng)潮流分析[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012,(4):1-2.

[4] 楊明，朱雪雄，李文進,等.基于PSASP的電力系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xué)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(xué)研究院，2015：111-115.