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武汉理工大学《电力系统分析》课程设计说明书
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直角坐标系下牛顿法潮流计算
1 计算原理
1.1 节点导纳矩阵的形成
在图1(a)的简单电力系统中,若略去变压器的励磁功率和线路电容,负荷用阻抗表示,便可以得到一个有5个节点(包括零电位点)和7条支路的等值网络,如图1(b)所示。将接于节点1和4的电势源和阻抗的串联组合变换成等值的电流源和导纳的并联组合,变得到图(c)的等值网络,其中和分别称为节点1和4的注 入电流源。
图1 电力系统及其网络
以零电位点作为计算节点电压的参考点,根据基尔霍夫定律,可以写出4个独立节点的电流平衡方程如下
(1)
上述方程组经过整理可以写成
(2)
式中,;;;;;;;。
一般的,对于有个独立节点的网络,可以列写个节点方程
(3)
也可以用矩阵写成
(4)
或缩写为
(5)
矩阵称为节点导纳矩阵。它的对角线元素称为节点的自导纳,其值等于接于节点的所有支路导纳之和。非对角线元素称为节点、 间的互导纳,它等于直接接于节点、间的支路导纳的负值。若节点、间不存在直接支路,则有。由此可知节点导纳矩阵是一个稀疏的对称矩阵。
1.2 直角坐标系下牛顿法潮流计算
采用直角坐标时,节点电压可表示为
导纳矩阵元素则表示为
将上述表示式代入的右端,展开并分出实部和虚部,便得
(6)
假定系统中的第1,2,3···,m号节点为PQ节点,第i个节点的给定功率设为和,对对该节点可列写方程
(i=1,2,···,m) (7)
假定系统中的第m+1,m+2,···,n-1号节点为PV节点,则对其中每一个节点可以列写方程
(i=m+1,m+2,···,n-1) (8)
第n号节点为平衡点,其电压是给定的,故不参加迭代。
式(7)和式(8)总共包含了2(n-1)个方程,待求的变量有也是2(n-1)个。我们还可看到,方程(7)和式(8)已经具备了方程组的形式。因此,不难写出如下的修正方程式
(9)
式中
上述方程中雅克比矩阵的各元素,可以对式(7)和式(8)求偏导数获得。当时
(10)
当时
(11)
修正方程式(11-48)还可以写成分块矩阵的形式
(12)
式中,和都是二维列向量;是介方阵。
对于PQ节点
(13)
对于PV节点
(14)
从表达式(1-7)~(1-11)可以看到,雅克比矩阵有以下特点:
雅克比矩阵各元素都是节点电压的函数,它们的数值将在迭代过程中不断的改变。
雅克比矩阵的子块中的元素的表达式只用到导纳矩阵中的对应元素。若,则必有。因此,式(1-9)式中分块形式的雅克比矩阵同节点导纳矩阵一样稀疏,修正方程的求解同样可以用稀疏矩阵的求解技巧。
无论在式(1-6)或式(1-9)中雅克比矩阵的元素或子块都不具有对称性。
用牛顿-拉夫逊法计算潮流的流程:首先要输入网络的原始数据以及各节点的给定值并形成节点导纳矩阵。输入节点电压初值和,置迭代计数k=0。然后开始进入牛顿法的迭代过程。在进行第k+1次迭代时,其计算步骤如下:
按上一次迭代计算出的节点电压值和,利用式(7)和式(8)计算各类节点的不平衡量、和。
按条件校验收敛,即
如果收敛,迭代到此结束,转入计算各线路潮流和平衡节点的功率,并打印输出计算结果。不收敛则继续计算。
(3)利用式(10)和式(11)计算雅克比矩阵的各元素。
(4)解修正方程式(7)求节点电压的修正量和。
(5)修正各节点的电压
(6)迭代计数加1,返回第一步继续迭代过程。
2 计算过程
2.1 计算程序框图
图2 潮流计算程序框图
2.2 节点导纳矩阵的形成
图3 节点导纳矩阵
根据第一章节点导纳矩阵的形成原理,设计题目可化为如图
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