[摘要]潮流计算是电力系统研究的一项重要分析功能,同时也是变电站的仿真系统中的一项重要仿真计算。文章结合变电站的仿真培训系统,阐述潮流计算的数学模型及Newton-Laphson计算方法并详细地介绍智能决策接口的实现。
[关键词]智能决策;变电站;仿真潮流计算
[作者简介]黄豫,广东省电力设计研究院系统规划工程师,双学士,研究方向:电力系统规划设计,广东广州,510000
[中图分类号] TM63[文献标识码] A[文章编号] 1007-7723(2010)07-0032-0002
一、引言
电力系统的潮流计算是电力系统研究其稳态运行状况的计算,它主要是根据给定运行条件和系统的接线状况来确定其整个电力系统的各个部分运行状态:如各个元件中流过的功率、系统的功率损耗、各个母线的电压等。研究电力系统规划设计以及现有电力系统的运行方式的时候,均需要运用潮流计算来定量分析并确保供电方案或者运行方式的可靠性、合理性以及经济性。除此之外,电力潮流计算还是电力系统计算动态稳定以及静态稳定的重要基础。因此,潮流计算在电力系统研究中占有举足轻重的地位。
潮流计算的目的是求得电力系统在其给定运行状态下的计算,即是节点电压与功率分布,用来检查系统中的各个元件是否过负荷,各点的电压是否满足应用要求,功率分布与分配是否合理及功率损耗状况。在规划领域,要进行潮流的分析来验证规划方案是否合理;在实际的运行环境,调度员可以提供多个在预想操作情况下的电网潮流分布及校验运行是否可靠;在运行方式的管理中,潮流是用来确定电网的运行方式基本出发点;在电力系统的调度运行各个领域都需要用到潮流计算。所以,潮流计算是检验电力网络运行状态的基础。
二、电力系统的潮流计算的基本方法
(一)潮流计算的数学模型
电力系统的潮流计算的基本模型方程如下:
其中节点电压是Vi=ei+ jfi
导纳矩阵中的各元素是Yij=Gij+ jBij
那么其节点功率方程是:
(二)电力系统的潮流方程计算的方法
由于电力系统潮流方程是非线性代数方程,因此一般找不到方程的一个确切直接解。可以采用的方法为:先假设条件是线性符合线性方程,然后再进行计算;或是用迭代的方法求其数值解。常用经典的迭代方法有Jacobi迭代法、Gauss-Sidle迭代法和Newton-Laphson迭代法。其中,Newton-Laphson法的收敛性最好,被认为是求非线性方程数值解的有效方法之一。Newton-Laphson法是把非线性方程进行线性化。鉴于线性方程系数矩阵在结构上属于稀疏的非对称矩阵,这样就可以结合稀疏矩阵的技术大大地减少了计算机内存占用量,使得计算速度大大地加快。
以下讨论的是在直角坐标系中Newton-Laphson潮流求解的过程。采用直角坐标系时,潮流问题待求量是各个节点电压的实部与虚部两个分量:。因为只给定了平衡节点的电压向量,所以需要2(n-1)个多项式才能求解。然而在事实上,只有平衡节点功率的方程式在迭代运算的过程中对方程没有约束作用,其余的每个节点均可列出两个方程式。对于PQ节点,Pis与Qis是给定的,因此可以写出
对于PV节点,Pis与Vis是给定的,因此可以写出
Newton-Laphson求解的大致过程如下:
(1)构造节点的导纳矩阵;(2)设初值U为各节点电压值;(3)把各节点初值代入相关方程,求出修正方程常数项向量;(4)把各节点初值代入方程,求Jacobi矩阵元素;(5)求解修正方程与修正向量;(6)求节点电压新值;(7)检查是否收敛,若不收敛,就以各节点电压新值作为初值从第3步起重新进行狭义次迭代,反之转入下一步;(8)计算PV节点无功功率、支路功率分布以及平衡点柱入功率。
三、基于电力系统的潮流计算的仿真培训系统
(一)电力系统的仿真培训系统
电力系统仿真可分研究仿真与培训仿真两种。培训仿真包括发电厂机组的运行人员培训仿真器、变电站运行人员的培训仿真器与EMS调度员的培训仿真器。系统培训主要采用的MATLAB开发平台,在此平台上开发出许多适合电力系统的仿真模块。
其中潮流计算采用的是模块化的编程方法。此计算模块由于采用C++语言编写,计算速度快。员工利用其系统提供的潮流计算的作图模块,只需经过简易的拖拉作图法就可以绘出需要计算的潮流拓扑图,再方便地进行图形参数设置就可以进行潮流计算。
(二)变电站仿真系统潮流计算的特点
1.仿真电网结构复杂,连接方式变化多端,而且各部分互相关联且互相影响。
2.潮流计算收敛性受输入的参数(如节点负荷、变压器变比等) 影响很大,尤其是当网络的结构比较差时,若参数选择不好,很可能导致计算的不收敛。然而在不同方式下参数的选取不容易用建立数学模型并描述清楚,因此要依靠有经验的专业人员来设定。
3.研制的系统要有比较强的通用性,以便于系统扩充修改,进而适应各种规模的仿真需求。
四、智能决策接口的实现
电网运行方式是由其连接方式决定的。变电站仿真系统的主要作用是用来培训变电站的操作人员,使他们在短时间内熟练掌握各种连接方式电网的运行状况,提高其操作水平,因此受训的人员操作必然会频繁改变电路接线方式。为了能够及时准确地提供电网潮流指示,必须要正确快速地确定各种运行方式电网的结构,这是电力潮流计算前提条件。
由于变电站仿真潮流计算具有以上特点,因此在实际应用中单纯地用常规数值方法就很难取得满意的效果。因此引入了智能决策接口(IDI),作用是在潮流计算之前,其可按电网结构和运行方式进行合理的推理,动态确定计算求解所需要的输入数据。
(一)智能决策接口中各模块的功能
(1)线路的开关状态是经过硬中断采样来得到的。(2)输入数据处理器按照静态数据库定义电网结构对其采样数据进行预处理,然后存入实时数据库被推理机使用。(3)推理机采用的是数据驱动正向推理法,逐个判别知识库中产生式规则的各个条件并执行此规则相应动作。(4)结果数据处理器将推理结果处理,再转化为适合潮流计算的形式最后输入结果数据库。(5)接口提供用户数据库与知识库维护功能,用户可输入与修正库中数据和规则。
(二)数据的组织
1.静态数据库。静态数据库主要是用来存放相关电网的结构数据与输电设备的参数。由于数据存取效率受电网规模影响较大,因此数据是按设备类型与电网拓扑结构来组织的。
2.动态数据库。动态数据库包括实时数据库与结果数据库,存在两个数据库中的数据随着电路开关的状态变化而改变。由于是推理机与潮流计算模块可以直接调用这两个数据库的数据,因此用C++语言结构数组把它们放在内存中。
3.知识库。知识库中储存的是推理所用的规则集。因为要减小推理搜索空间并提高系统实时处理的能力,规则集就分了4个子集,分别对应于母线、变压器、无源线路和有源线路4个部分。
五、结语
系统仿真尤其是变电站直接地影响到电力系统运行重要部门,此种系统的仿真已成为当今电力系统的必然发展趋势。本文介绍的智能决策在潮流计算的应用只是该系统的一个方面。同常规数学方法比较,电网的潮流计算中采用的人工智能方式组织与推理电网结构,系统易于修改与扩充,其适用范围比较大。
[参考文献]
[1]周卫星,张颖.基于Matlab的电力系统潮流计算[J].湘电培训与教学,2007,(1).
[2]章志刚,李兴源.基于MATLAB开发平台的继电保护仿真系统[J].四川电力技术,2003,(2).
[3]张伟.基于matlab 的电力系统潮流仿真计算[D].南京信息工程大学,2007.