基于RINSIM平台的电力系统潮流计算软件开发_何武略.pdf

基于 平台的电力系统潮流计算软件开发何武略，韩静，林震宇，李梦思，彭子微（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北 武汉 ；中核核工业仿真技术重点实验室，湖北 武汉 ；武汉瑞思信息技术有限公司，湖北 武汉 ）摘要：介绍了中核武汉自主研发的电力系统潮流计算软件，包括程序的总体设计、算法原理及工程应用案例。依托于中核武汉成熟的核电仿真技术，将潮流计算程序成功嵌入 仿真平台，实现了电力系统快捷、高效的图形化建模。关键词：潮流计算；雅克比矩阵；牛顿拉夫逊法；中图分类号：，（，；，；，）：，：；收稿日期：作者简介：何武略（），研究方向为核电厂电气系统仿真。引言电力系统潮流计算是电力系统稳态运行的一种计算。它的任务是在给定的电力系统运行条件下，计算电力系统的运行状态。电力系统运行条件是指电力系统各母线的负荷功率、发电机功率、某些母线保持的电压值等。运行状态是指电力系统各母线的电压幅值和相角。电力系统运行状态一经确定，便可计算出电力网络中功率分布和网损。中核武汉（）基于 仿真平台自主研发的图形化潮流计算软件，能够在快速收敛的情况下，准确计算出电力网络的三相潮流分布，实现电厂配电系统的图形化建模和潮流分析计算。软件的总体设计 软件运行电力系 统 潮 流 计 算 软 件 主 要 包 括 两 个 动 态 库 文 件 和 ，运行在 操作系统上。动态库采用 语言编写，由 开发工具进行编译生成，用来实现电力系统稳态潮流计算和电力系统故障计算。动态库采用语言编写，由 开发工具进行编译生成，用来定义网络部件变量的类型、输入输出等属性的定义。软件结构 仿真平台中，配电网络图形化建模组态文件编译加 载 完 成 后，会 自 动 生 成 网 络 部 件 的 数 据 库 信息，潮流分析计算程序需要从数据库中获取电网结构数据及设备参数等信息，这些信息包括断路器、隔离开关及接地开关的状态信息，发电机、负荷出力调整信息，网络部件与节点的连接信息，变压器分接头位置信息以及各种故障信息等。信息收集完成后便依次进行全网的拓扑分析，形成网络导纳矩阵，进行电气岛潮流分析计算、故障分析计算，最后将计算结果反馈到数据库中。软件结构如图所示。图潮流计算软件结构图电工技术系统解决方案算法原理 电力网络软件电路模型电力网络是由输电线路、电力变压器等元件组成的。它们通常用集中的电阻、电抗和电容组成的电路表示，这些电路构成的总体就是电力网络。本节将重点介绍输电线路和电力变压器电路模型。输电线路的各项参数实际上是沿线路均匀分布的，用分布参数等值电路进行输电线路的电气计算是比较复杂的。工程实际中，通常把分布参数电路简化为集中参数电路。本程序中输电线路模型采用型等值电路，型等值电路是将线路总阻抗 串接在电路的中间，将线路总导纳 的一半分别并接在电路的始、末端所得到的等值电路。其结构如图所示。图 输电线路等值电路变压器等值电路中，为变压器电阻，为变压器电抗，变压器导纳 。若设定变压器非标准变比为，则其等值电路如图所示。图变压器等值电路 拓扑分析模块该模块功能是依据断路器、隔离开关状态，对全网进行网络拓扑搜索，形成所有计算母线以及电气岛。节点搜索采用宽度优先搜索方式，把合状态断路器及隔离开关相连的节点合并形成一个计算母线；如此进行，形成所有计算母线。采用宽度优先搜索方式进行计算母线搜索，把各种支路相连的计算母线合并形成一个电气岛；如此进行，形成所有电气岛。搜索采用了宽度优先搜索方式，即设计的搜索方式是采用先进先出的方式，把某节点所连的合闸状态断路器及隔离开关的对端节点都加入队列中，下一次搜索则从先进先出队列中取出另一个节点搜索其相连的开关刀闸，把合闸状态断路器及隔离开关的对端节点都加入队列中，如此重复进行，直到队列中所有节点都搜索完成，这样在队列中的节点便形成了一个计算母线。类似的，对所有计算母线进行拓扑搜索，把线路、变压器等设备连接的计算母线合并形成一个电气岛，搜索过程也是采用了宽度优先搜索方式，搜索过程与节点搜索类似。网络节点编号优化模块由网络方程高斯消去解法可知，导纳矩阵消去规格化后上三角部分的元素要存储起来，以供回代运算之用。由于导纳矩阵是一个十分稀疏的矩阵，消去、规格化后的上三角部分仍是十分稀疏的，因此只要存入非零元素就可以节省内存和提高计算速度。消去过程中可能注入新的非零元素，从而降低了消去、规格化后导纳矩阵的稀疏性。消去过程中新注入的非零元素的数目与导纳矩阵的元素排列有关，也就是与节点编号有关。所谓节点编号优化就是寻找一种节点编号方式，使得在解网络方程中新注入的非零元素的数目最少。该程序采用“半动态优化法”，这种方法的基本思路是对连接支路数量最少的节点先进行编号，然后消去该节点。每消去一个节点，尚未编号的节点所连接的支路数就随之发生变化，再在未编号的节点中，查找连接支路数最少的节点紧挨编号。如此反复，直至消去所有的节点。稳态潮流计算模块本程序采用节点电压用直角坐标表示的牛顿拉夫逊法潮流计算，并利用高斯迭代法对网络方程进行反复求解，直到误差满足收敛判据才停止迭代。针对系统中的 类型节点，可列写如下方程：（）（）（）（）（）针对系统中的 类型节点，可列写如下方程：（）（）（）（）对于 节点，已知有功和无功功率，待求量为电压的实部和虚部。对于 节点，已知有功功率和电压幅值，待求量为无功功率和电压相角。对于平衡节点，已知电压的幅值和相角，待求量为有功和无功功率。将全系统的潮流方程在电压近似解附近进行线性化，即进行泰勒级数展开，略去电压修正量二次及二次以上的项，便可将全系统的潮流方程转化为一组线性方程，也称为修正方程。修正方程的展开式为：，（）上述线性方程组的系数矩阵也被称为雅克比矩阵，雅克比矩阵元素是维分块矩阵，雅克比矩阵的各元素系统解决方案电工技术 可以通过求偏导数获得。雅克比矩阵的对角元素求解公式为：（）（）（）（）（）雅克比矩阵的非对角元素求解公式为：（）（）潮流计算就是在给定电压初值条件下求解修正方程，求得电压修正量，并计算出新的电压值，再次代入修正方程求解，反复进行，直到满足如下关系式为止。（，）（）算例验证潮流分析计算软件已经内嵌于 仿真平台，并建立了专属的电力网络部件库，部件库中包括发电机、变压器、输电线路、母线、并联电抗电容、断路器、隔离开关及接地开关等常见的电力部件。本文以国内某电厂电气升压站系统为参考，在 仿真平台搭建对应的仿真模型并进行测试和验证。图包含两组发电机变压器发电单元，输电回路采用典型的接线方式，这样可以兼顾供电的安全性与灵活性。以第一串主发电机变压器组号为例，潮流分析计算程序运行结果见表。对表的仿真数据进行分析可知，稳态运行情况下，潮流计算程序经过次迭代运算后，迭代误差为 ，满足潮流计算程序的收敛条件。电网侧电压、机端电压及变压器功率分布等重要系统参数与设计值接近，发电机出口三相电压相等，相角互差 ，系统处于三相平图 主发电系统一次结构示意图表潮流计算程序运行数据数据库变量名含义仿真运行值设计值 发电机节点类型（设置为 节点）发电机有功功率 发电机无功功率 发电机出口电流 发电机出口 项电压幅值 发电机出口 项电压幅值 发电机出口 项电压幅值 发电机出口 项电压相角 发电机出口 项电压相角 发电机出口 项电压相角 主变有功功率 主变无功功率 主变低压侧电压 主变高压侧电压 母线电压 母线电压 迭代次数 迭代误差 衡状态运行，潮流计算结果正确。结语基于 仿真平台的图形化潮流计算软件能快速完成电厂配电系统的建模及潮流分析计算，计算结果与设计数据相符。该软件已成功应用于国内多个电厂培训模拟机开发项 目，满 足 运 行 人 员 对 厂 内 电 气 仿 真 系 统 培 训要求。参考文献 何仰赞 电力系统分析（下）武汉：华中科技大学出版社，电工技术系统解决方案