基于PSCAD的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析課程設(shè)計(jì)

摘要隨著科技的開展，電力已經(jīng)和人們的生活密切相關(guān)，而建立結(jié)構(gòu)合理的大型電力系統(tǒng)不僅便于電能生產(chǎn)與消費(fèi)的集中管理、統(tǒng)一調(diào)度和分配，減少總裝機(jī)容量，節(jié)省動(dòng)力設(shè)施投資，且有利于地區(qū)能源資源的合理開發(fā)利用，更大限度地滿足地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)日益增長的用電需要。電力系統(tǒng)的規(guī)模和技術(shù)水準(zhǔn)已成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)開展水平的標(biāo)志之一。電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析包括潮流分析和靜態(tài)平安分析。潮流計(jì)算針對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行方式，而靜態(tài)平安分析那么要研究各種運(yùn)行方式下個(gè)別系統(tǒng)元件退出運(yùn)行后系統(tǒng)的狀況。牛頓-拉夫遜法是數(shù)學(xué)中解決非線性方程式的典型方法，有較好的收斂性。解決電力系統(tǒng)潮流計(jì)算問題是以導(dǎo)納矩陣為根底的，因此，只要在迭代過程中盡可能保持方程式系數(shù)矩陣的稀疏性，就可以大大提高牛頓法潮流程序的放率。本設(shè)計(jì)采用電力系統(tǒng)仿真軟件pscad，可以直觀地看出電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的潮流分布，從而完成課程設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：潮流計(jì)算；穩(wěn)態(tài)分析；pscad目錄摘要……………I1課題內(nèi)容要求及目的………11.1課題要求………………………11.2課題內(nèi)容………………………11.3課題目的………………………22牛頓拉夫遜法簡介……………22.1牛頓拉夫遜法原理…………22.2潮流計(jì)算流程圖……………33方案設(shè)計(jì)…………43.1方案概述………………………43.2課題設(shè)計(jì)圖………………44系統(tǒng)調(diào)試與仿真………………54.1pscad簡介……………………54.2仿真調(diào)試………………………65總結(jié)………………7參考文獻(xiàn)…………8附錄…………………91課題內(nèi)容要求及目的1.1課題要求〔1〕熟悉PSCAD軟件；〔2〕編寫潮流計(jì)算流程圖；〔3〕建立系統(tǒng)接線圖的仿真過程；〔4〕得出仿真結(jié)果。1.2課題內(nèi)容題目五：如圖1.1所示，一個(gè)5節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)5為平衡節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1為節(jié)點(diǎn)，其余為節(jié)點(diǎn)。以為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值支路數(shù)據(jù)由表1給出。，，，，，，給定電壓的初始值如表1.1所示，收斂系數(shù)。試求：圖1.15節(jié)點(diǎn)簡單電力系統(tǒng)表1網(wǎng)絡(luò)各元件參數(shù)的標(biāo)幺值支路電阻電抗輸電線路變壓器變比k1—20.060.180.020——1—30.050.160.020——1—40.040.12—1.05—1—50.020.060.025——2—30.010.040.010——2—50.080.240.025——3—40.080.240.025——節(jié)點(diǎn)i123451.0+j0.01.0+j0.01.0+j0.01.0+j0.01.05+j0.01.3課題目的〔1〕掌握電力牛頓-拉夫遜法潮流計(jì)算的根本原理；〔2〕掌握并能熟練運(yùn)用PSCAD軟件；〔3〕通過課程設(shè)計(jì),使學(xué)生穩(wěn)固電力系統(tǒng)三相短路計(jì)算的根本原理與方法，掌握短路電流的數(shù)值求解方法(節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，修正方程)，開發(fā)系統(tǒng)牛頓拉夫遜法的計(jì)算程序。讓學(xué)生掌握用計(jì)算機(jī)仿真分析電力系統(tǒng)的方法。同時(shí)，通過軟件開發(fā)，也有助于計(jì)算機(jī)操作能力和軟件開發(fā)能力的提高。2牛頓拉夫遜法簡介2.1牛頓拉夫遜法原理設(shè)r是f(x)=0的根，選取x0作為r初始近似值，過點(diǎn)〔x0,f(x0)〕做曲線y=f(x)的切線L，L的方程為y=f(x0)f'(x0)(x-x0)，求出L與x軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)x1=x0-f(x0)/f'(x0)，稱x1為r的一次近似值。過點(diǎn)〔x1,f(x1)〕做曲線y=f(x)的切線，并求該切線與x軸的橫坐標(biāo)x2=x1-f(x1)/f'(x1)，稱x2為r的二次近似值。重復(fù)以上過程，得r的近似值序列，其中x(n+1)=x(n)－f(x(n))/f'(x(n))，稱為r的n+1次近似值，上式稱為牛頓迭代公式。解非線性方程f(x)=0的牛頓法是把非線性方程線性化的一種近似方法。把f(x)在x0點(diǎn)附近展開成泰勒級(jí)數(shù)f(x)=f(x0)+(x－x0)f'(x0)+(x－x0)^2*f''(x0)/2!+…取其線性局部，作為非線性方程f(x)=0的近似方程，即泰勒展開的前兩項(xiàng)，那么有f(x0)+f'(x0)(x－x0)=f(x)=0，設(shè)f'(x0)≠0那么其解為x1=x0－f(x0)/f'(x0)這樣，得到牛頓法的一個(gè)迭代序列：x(n+1)=x(n)－f(x(n))/f'(x(n))。2.2潮流計(jì)算流程圖參照《電力系統(tǒng)分析》一書的計(jì)算過程及原理，可以畫出以下程序流程圖。否是計(jì)算雅可比矩陣各元素計(jì)算平衡節(jié)點(diǎn)功率及全部線路功率輸入原始數(shù)據(jù)否是計(jì)算雅可比矩陣各元素計(jì)算平衡節(jié)點(diǎn)功率及全部線路功率輸入原始數(shù)據(jù)形成節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣給定節(jié)點(diǎn)電壓初值k0計(jì)算計(jì)算解修正方程求解修正方程求k+1kk+1k輸出圖2.1潮流計(jì)算流程圖3方案設(shè)計(jì)3.1方案概述考慮到本次課程設(shè)計(jì)是基于電力系統(tǒng)仿真軟件pscad，我們首先確定設(shè)計(jì)的大致框架，然后在對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括系統(tǒng)的輸出測量模塊，對(duì)個(gè)母線上的電壓、電流以及有功與無功進(jìn)行測量，可以直觀的看到各個(gè)量的變化曲線，在對(duì)題目所要求的參數(shù)進(jìn)行修正，從而完成設(shè)計(jì)內(nèi)容。3.2課題設(shè)計(jì)圖根據(jù)課題要求得到課題設(shè)計(jì)圖如圖3.1所示。圖3.1課題設(shè)計(jì)從上圖可以看到整個(gè)模塊的模型，各母線間的線路采用π型等值電路，以及用來采集各母線上信號(hào)的裝置，這樣潮流分布就能通過圖表來觀測。4系統(tǒng)調(diào)試與仿真4.1pscad簡介DennisWoodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC的初版，是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)雜局部可視化成為可能，而且軟件可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的前置端。可模擬任意大小的交直流系統(tǒng)。操作環(huán)境為：UNIXOS，Windows95，98，NT；Fortran編輯器；瀏覽器和TCP/IP協(xié)議。隨著我國電力事業(yè)的開展，無論是理論研究還是現(xiàn)場工作,都廣泛的用到了PSCAD。程序EMTDC〔ElectroMagneticTransientinDCSystem〕是目前世界上被廣泛使用的一種電力系統(tǒng)仿真分析軟件，它即可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及其非線性控制的多功能〔VersatileTool〕工具。PSCAD〔PowerSystemComputerAidedDesign〕是EMTDC的前處理程序，用戶在面板上可以構(gòu)造電氣連接圖，輸入各元件的參數(shù)值，運(yùn)行時(shí)那么通過FORTRAN編譯器進(jìn)行編譯、連接，運(yùn)行的結(jié)果可以隨著程序運(yùn)行的進(jìn)度在PLOT中實(shí)時(shí)生成曲線，以檢驗(yàn)運(yùn)算結(jié)果是否合理，并能與MATLAB接口。EMTDC/PSCAD主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真，典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)，電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律；另外EMTDC/PSCAD還可以廣泛的應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)諧波分析及其電力電子仿真。軟件還可以作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器〔RealTimeDigitalSimulator，RTDS〕的前置端(FrontEnd)。此外，EMTDC/PSCAD還具有強(qiáng)大的自定義功能，用戶可以根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)立具有特定功能的裝置。實(shí)時(shí)回放系統(tǒng)〔RTP〕是基于EMTDC/PSCAD軟件的測試系統(tǒng)，它可以結(jié)合EMTDC/PSCAD計(jì)算產(chǎn)生的結(jié)果〔信號(hào)〕來測試?yán)^電保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)。4.2仿真調(diào)試通過點(diǎn)擊運(yùn)行鍵可以得到如下列圖：圖4.1母線上1、2上功率分布圖從圖4.1可以清楚的看到母線1、2上有功功率和無功功率的分布情況以及瞬時(shí)電壓和相角的變化情況。圖4.2母線上3、4上功率分布圖從圖4.2可以看到母線上的有功功率和無功功率開始時(shí)有波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定，波形近似一條直線。就整個(gè)仿真過程中而言，我們遇到了一些小小的問題，比方進(jìn)行編譯時(shí)提示有錯(cuò)誤，我們通過錯(cuò)誤提示找到問題所在，原來是測量裝置的信號(hào)標(biāo)簽沒有和圖對(duì)應(yīng)好，標(biāo)簽的命名也有一定要求，最后通過更改信號(hào)標(biāo)簽了，實(shí)現(xiàn)了仿真。還有就是有的看不到波形，最后通過改變縱橫坐標(biāo)的大小解決了這一問題?？偟膩碚f本次仿真根本符合要求。5總結(jié)我組的任務(wù)是用牛頓—拉夫遜法對(duì)五個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算。主要是進(jìn)行設(shè)計(jì)圖的設(shè)計(jì)?？梢哉f，首先接到這種題目，要用pscad去進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真，我實(shí)在是不知從何下手，通過去圖書館借了一些有關(guān)pscad的書及到網(wǎng)上下一些資料來完成這些初步工作的。接下來就是畫出一個(gè)設(shè)計(jì)圖，然后根據(jù)一些資料進(jìn)行修改。后來發(fā)現(xiàn)老是有錯(cuò)誤，無法仿真，好在后來老師發(fā)來的參考資料才弄出來。不過做出來的時(shí)候卻發(fā)現(xiàn)雖然能仿真出來但不清楚該怎么讀圖，好在看了一下參考書籍才弄清楚?？傊@次課程設(shè)計(jì)收獲蠻大的，對(duì)pscad軟件有了初步了解，大致的仿真流程以及為滿足系統(tǒng)要求，而不斷做出修改，同時(shí)意識(shí)到pscad的博大精深，今后一定會(huì)進(jìn)一步學(xué)習(xí)，在這個(gè)過程中，我也明白了只要用心去做，認(rèn)真去做，持之以恒，就會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)，有意外的收獲。這為以后的電力系統(tǒng)暫態(tài)分析和畢業(yè)設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助。參考文獻(xiàn)[1]何仰贊.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.[2]電力系統(tǒng)計(jì)算[M].北京：水利電力出版社，1993.12[3]于永源，楊綺雯.電力系統(tǒng)分析[M].北京：中國電力出版社，2004.3[4]PSCAD實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.致謝在論文完成之