基于PSASP的潮流计算分析

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(陕西理工大学电气工程学院，陕西 汉中 723000)

1 引言

近年来我国电力行业迅速发展，长距离、大功率和大容量的超高压互联网在电网中逐步发展起来。可靠、安全、经济是电力系统运行的基本要求。在电力系统运行管理过程中，电网潮流是确定电网运行方式的基本出发点，规划方案的合理性可以在潮流分析当中进行有效的验证，在实时运行环境下的电网中，预想操作情况下，潮流提供了电网的潮流分布以校验运行可靠性。电力系统分析当中，潮流计算是一种最基本的计算，对复杂电力系统来说，无论正常还是故障条件下都能够进行稳态运行的计算。潮流计算的目标是求取电力系统在给定运行状态的计算，也就是求取在整个输电线路及各个节点和变压器上电压和功率的分布，用以检查在输电过程中各系统元件是否过负荷，线路末端电压是否满足要求，同时能够计算输电线路中各种元件的功率损耗，最终来确定功率的分布和分配是否合理。潮流计算是电力系统规划设计当中最基本的运算，同时，对电力系统进行静态和暂态分析都是以潮流计算为基础[1-4]。基于PSASP 软件可有效、方便、快捷地实现电网潮流计算，本文以WSCC-9节点系统为例，应用PSASP 软件进行潮流计算分析[5]。

2 PSASP简介

PSASP(Power System Analysis Software Package)是中国电力科学研究院开发的一套功能强大的电力系统分析程序，目前在我国电力行业中得到了广泛的应用，PSASP 功能不断发展，实现了电力系统的潮流、暂态稳定、小干扰稳定等各种计算，涉及了稳态、暂态、线性、非线性各种分析[6]。可以绘制各种电网图形，包括单线图、地理位置接线图、厂站主接线图。此软件拥有安全的数据构架，在数据上有层次化的保护，从而保证了数据和图形的一致性。同时，该软件还具备网络拓扑和网络校验功能，能够对计算模块中的计算数据进行校验。除此之外，PSASP在对电力系统进行结果的分析时能够以报表的形式输出，向AutoCAD，Matlab，Excel等通用软件开放[7]。

3 PSASP潮流计算模块应用分析

3.1 潮流计算的数学模型特点

潮流计算在数学上可归结为求解非线性方程组，其数学模型简写为：

F(x)=0为一非线性方程组

其中：F=(f1,f2,…,fn)T为节点平衡方程式；

X=(x1,x2,…,xn)T为待求的各结点电压。

对于非线性方程组问题，其各种求解方法都离不开迭代，因此，存在迭代是否收敛的问题，为此，理论上提出了PQ分解法、牛顿法(功率式)、最优因子法、牛顿法(电流式)、PQ分解转牛顿法供计算选择，以保证计算的收敛性。

3.2 PSASP潮流计算的主要功能和特点

(1)拥有强大的计算分析能力，可计算交直流混合电力系统，能够考虑负荷静态特性，除了可以考虑一般的PQ节点外，还可以对该节点的电压值加以限制，如：

Vmin≤V≤Vmax

可以对该节点的无功功率加以限制，如：

Qmin≤Q≤Qmax

能自动进行全网的拓扑分析，提供潮流数据检查功能，方便用户发现数据错误，而且几个孤立的电网可以同时计算，此特点可以通过为每个孤立的电网设置一个平衡点来实现。

(2)强大的图形功能。单线图上的潮流方式能够进行修改，可以在单线图和地理位置接线图上显示潮流初始数据及潮流计算结果。该系统可以自动通过电网元件浏览器对潮流结果进行图示化输出[8]。

(3)该程序拥有许多控制调节功能。

① 用某一个母线的电压或无功功率去控制同一母线或另一母线的电压值。

② 用某一母线的电压或无功功率去控制某一线路的无功功率。

③ 用注入某一母线的有功功率去控制某一线路的有功功率。

3.3 潮流计算的程序应用

对于常规潮流计算，其极坐标形式为：

(1)

(2)

牛顿电流法之所以收敛速度快，是因为采用了牛顿法作为优化方法，使得最优潮流算法具有二次收敛速度，能通过少数几次迭代便收敛而达到最优。最优潮流牛顿算法首先构造拉格朗日函数：

L(x,λ)=f(x)+λTg(x)

(3)

定义向量z=[x,λ]T，应用下式：

(4)

应用式(5)可得到应用海森矩阵法来求最优解点z*的迭代方程式：

(5)

或者可以更简介的方式表示为：

WΔz=-d

式中,W及d分别为L对于z的海森矩阵及梯度向量。

4 实例分析

4.1 系统单线图

本文以WSCC-9节点系统为例进行潮流分析。本系统由三台发电机组成，三台发电机容量都是100MVA，其中发电1为平衡节点，发电2和发电3均为PV节点，负荷所连母线的节点类型为PQ节点。三台变压器的连接方式是三角形/星形接线。系统的参数分布如图1所示。

图1 WSCC-9系统单线图

4.2 潮流分布图

在系统单线图完成之后，进行系统的潮流计算，系统的潮流分布如图2所示。从图中我们可以看到系统总共发出3.2W的有功功率，发出0.23Var的无功功率，在线路上的有功损耗为0.046，无功损耗为-0.922。从图中可以看到功率的分布及流向，若要对潮流数据进行修改，例如负荷STNA的有功功率从1.25调到3.0则在潮流计算模式下，双击单线图中STNA的图标，直接在弹出的对话框中进行修改即可。

4.3 潮流分析与报表

潮流结果报表以Excel报表形式输出系统中所有元件的结果，包括总的有功发电，总的有功负荷，总的有功损耗。以下报表数据均为标么值输出，本系统部分元件输出结果如表1～表4所示。

图2 系统潮流计算结果

全网总有功发电/pu总无功发电/puCosθg/pu总有功负荷/pu总无功负荷/puCosl/pu总有功损耗/pu总无功损耗/pu31960228099731511509390046-0922

表2 发电机结果输出

表3 负荷结果报表

表4 两绕组变压器报表

4.4 改造后的系统单线图及潮流分布

若母线STNB-230处的负荷突然增加，则需要对原系统进行改造，具体方法是：在母线GEN3-230和STNB-230之间加一个输电线，增加发电3的出力及其出口变压器的容量。改造后的单线图及潮流分布图如图3,图4所示。

系统改造后，通过与改造前的潮流数据进行比较，系统总的有功发电有明显提高，无功电能有所降低，总的有功负荷由3.15变为3.75，功率因数有所提高，但是线路上的损耗有所增加。

图3 改造后的单线图

图4 改造后的潮流分布图

4.5 改造后的报表输出

改造后输出结果如表5～表7所示。

表5 改后发电机输出

表6 改后负荷报表

表7 改后变压器报表

在母线为STNB-230的负荷有所增加的情况下，经过对原系统进行改造后，通过与表1到表4的比较，由表5～表7可以观察到，改后发电机的有功发电增加了0.45，且总的有功发电增加了0.751；相对应的变压器容量出口有所增加，I侧有功增加了0.45，同时J侧有功也有所提高。

5 结语

本文利用PSASP电力系统仿真程序对WSCC-9节点系统改造前后分别进行潮流分析，通过计算可以求得系统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。从而证明PSASP能够很好地分析实际电网的潮流分布和网络结构改变，能够满足电力系统运行分析与规划的仿真需要，从而保证电网的安全稳定运行。

[1] 杨清，高雁.基于PSASP的潮流计算及其应用[J].电测与仪表，2010，47(4A):2.

[2] 张伟，郭伟.基于PSASP的电力系统潮流计算研究[J].中国现代教育装备，2010(7)：1-3.

[3] 张良海.基于PSASP的电网潮流分析[J].长春工业大学学报(自然科学版)，2012,(4):1-2.

[4] 杨明，朱雪雄，李文进,等.基于PSASP的电力系统潮流计算分析[J].电子测试，2016，(3):1-3.

[5] 郑军超，张亚萍.基于PSASP的电力系统短路电流的研究[J].硅谷，2013，(4):1.

[6] 谢妍，毛哲，李素芬.基于PSASP的电力系统潮流计算研究[J].科技信息，2010，(36)：1.

[7] PSASP7.1版图模一体化平台用户手册[M].中国电力科学研究院，2015：1-4.

[8] PSASP7.1版潮流计算用户手册[M].中国电力科学研究院，2015：111-115.