电力系统的潮流计算及分析

电力系统的潮流计算及分析

摘要：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；对运行中的电力系统，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)是否会出现过负荷，以及可能出现过负荷时应事先采取哪些预防措施等。

关键词：潮流计算；电力系统；分析；

一．配电网概述

1.1 配电网的分类

在电力网中重要起分配电能作用的网络就称为配电网；

　　配电网按来分类，可分为高压配电网（35—110KV），中压配电网（6—10KV，苏州有20KV的），低压配电网（220/380V）；

　　在负载率较大的特大型城市，220KV电网也有配电功能。

　　按供电区的功能来分类，可分为城市配电网，农村配电网和工厂配电网等。

　　在城市电网系统中,主网是指110KV及其以上电压等级的电网，主要起连接区域高压（220KV及以上）电网的作用。

配电网是指35KV及其以下电压等级的电网，作用是给城市里各个配电站和各类用电负荷供给电源。

从投资角度看，我国与国外先进国家的发电、输电、配电投资比率差异很大，国外基本上是电网投资大于电厂投资，输电投资小于配电投资。我国刚从重发电轻供电状态中转变过来，而在供电投资中，输电投资大于配电投资。从我国城网改造之后，将逐渐从输电投资转入配电建设为主。

本文是基于前推回代法的配电网潮流分析计算的研究，研究是是以根节点为10kV的电压等级的配电网。

1.2 配电网运行的特点及要求

配电系统相对于输电系统来说，由于电压等级低、供电范围小，但与用户直接相连，是供电部门对用户服务的窗口，因而决定了配电网运行有如下特点和基本要求：

（1） 10kV中压配电网在运行中，负荷节点数多，一般无表计实时记录负荷，无法应用现在传统潮流程序进行配电网的计算分析，要求建立新的数学模型和计算方法。

（2） 随着铁道电气化和用户电子设备的大量使用，配电网运行中有大量的谐波源、三相电压不平衡、电压闪变等污染，要求准确测量与计算配电网中的谐波分布，从而采取有效措施抑制配电网运行中的谐波危害。

（3） 由于环保条件日趋严格的制约，要求配电网运行能制定不影响城市绿化、防火、防爆、防噪音等技术和组织措施，以便减少配电网运行对环境的污染。

（4） 随着用户对供电可靠性和电压质量指标的提高，还靠人工操作已无法适应，要求现代配电网运行不断提高自动化、智能水平。

由于“电能”作为商品将进入市场竞争，要求各电力公司采用需求侧管理和用户电力技术，以降低配电网运行的线损和年运行费用，提高运行的经济性，从而降低配电成本，并积极协助用户搞好优化用电计划、节约用电，推行战略节电和战略负荷开拓等积极措施，进一步提高对用户的服务质量和降低供电企业的成本，达到双方受益的目的。

1.3 配电网潮流计算的意义

配电网潮流计算是配电网网络分析的基础，配电网的网络重构、故障处理、无功优化和状态估计等都需要用到配电网的潮流数据。由于配电网结构特点都是开环运行的，配电网呈辐射状，配电线路的电阻电抗比(R／X)较大，利用常规方法进行潮流计算会导致算法不收敛，而前推回代法是线性收敛的，解决了潮流计算收敛难的问题。近年来，开发配电管理系统（DMS）成为人们研究的热点。而配电网潮流计算作为 DMS的高级应用软件之一，更是整个问题研究和分析的基础。

二．计算原理及计算流程

2.1 前推回代法计算原理 

 前推回代法已知配电网的始端电压和末端负荷，以馈线为基本计算单位。最初假设全网电压都为额定电压，根据负荷功率由末端向始端逐段推算，仅计算各元件中的功率损耗而不计算节点电压，求得各支路上的电流和功率损耗，并据此获得始端功率，这是回代过程；再根据给定的始端电压和求得的始端功率，由始端向末端逐段推算电压降落，求得各节点电压，这是前推过程。如此重复上述过程，直至各个节点的功率偏差满足允许条件为止。

图2-1所示的网络结构即为典型的辐射状配电网结构。

图2-1 辐射状配电系统

首先要搜索节点关系，确定拓扑结构表。为了配合算法和避免复杂的网络编号，采用以下原始数据输入结构，不用形成节点导纳矩阵，就可以自动搜索节点关系，确定网络的拓扑结构。

节点结构体：

{节点号　节点有功　节点无功}

支路结构体：

{支路首端节点号  支路末端节点号  支路电阻  支路电抗}

根据线路首末节点，就可以确定每个节点连接的节点及其关系，从而可以形成整体的树状的关系结构。为了形成层次关系，确定节点计算顺序，要利用网络拓扑结构，经过多次按层遍历的广度优先搜索，形成层次关系，确定前推后代潮流算法的节点计算顺序。具体方法如下：

搜索末梢节点作为第一层节点；

搜索末梢节点的父节点作为第二层节点；

继续搜索第二层节点的父节点作为第三层节点，这样反的搜索下去，直到搜索到某层节点的父节点全部是根节点时停止搜索；

删除在后面层次中有重复的前面层次中的节点，形成真正的层次关系，确定潮流计算的节点顺序。

前推回代法基于支路电流进行，首先假定各节点的电压幅值为1，幅角为0，具体计算步骤为：

1）从第一层节点开始，根据基尔霍夫电流定律，求支路上的电流：

                 
   （2-1）

式中，是节点 j 的功率，是节点 j 的电压。

2）从第二层开始逐层计算非末梢节点的注入电流，根据基尔霍夫电流定律应等于（3-1）式与该节点流出电流之和：

                
   （2-2）

3）由步骤1）和2）可求出所有支路的支电流，再利用已知的根节点电压，从根节点向后顺次求得各个负荷节点的电压

                   
（2-3）

其中i为父节点，j为子节点，Z为i、j间支路的阻抗。

4）计算各节点的电压幅值修正量：

                    
   （2-4）

5）计算节点电压修正量的最大值；

6）判别收敛条件：

                          
 （2-5）

其中k为迭代次数，若最大电压修正量小于阈值，则跳出循环，输出电压计算结果；否则重复步骤（1）~（6），直到满足（3-5）式的条件为止。

7）在得到各个节点的电压电流后，就可以计算线路潮流S：

                               
（2-6）

总之，（2-1）~（2-3）式为一组递归方程，对树进行前向遍历，从树的末梢节点出发，利用已知的负荷功率，逐一计算（2-1）~（2-2）式，即可求得根节点处的电流，再从根节点出发，对树进行后向遍历，用（2-3）式可求各节点电压。这样就完成一次前推后代的计算，迭代重复进行，直至满足收敛标准为止。

2.2 前推回代法计算流程

要看懂前推回代法计算程序，报告叙述计算原理及计算流程。绘制计算流程框图。确定前推回代支路次序（广度优先，或深度优先），编写前推回代计算输入文件。进行潮流计算。

    下列为节点配电网结构图及系统支路参数和系统负荷参数表。

图2-2 节点配电网结构图

表1  系统支路参数

表2  系统负荷参数

三．前推回代法计算流程图

经过之前的理论知识，我们对MATLAB的基本指令有了初步的了解，我们就可以画出程序编程框图，按照程序编程框图，我们可以通过MATLAB软件进行编程，实现我们所求的前推回代法计算。

程序编程框图如下：

图3-1 程序流程框图

参考文献

    [1]  何仰赞 温增银 《电力系统分析》．华中科技大学出版社.

    [2]  李维波. 《MATLAB在电气工程中应用》．中国电力出版社.2007