单机系统潮流的经济分布控制.doc

1、题目： 单机系统潮流的经济分布控制（2）课程设计（论文）任务 T 1 L1 2 S2 L3 L2 3 S3 G原始资料：系统如图。G：SN=30MVA，VN=10kV，X=0.3；T: SN=31.5MVA，Vs%=9，k=10/121kV,Ps=180kW, Po=30kW,Io%=0.8；L1:线路长70km，电阻0.17/km，电抗0.4/km，对地容纳2.7810-6S/km；L2:线路长80km，电阻0.2/km，电抗0.42/km，对地容纳2.810-6S/km； L3: 线路长80km，电阻0.18/km，电抗0.40/km，对地容纳2.810-6S/km；负荷：S2=12MVA

2、，S3=13 MVA，功率因数均为0.9.任务要求：1 阐述闭式网络潮流控制的基本思想；2 画出系统等值电路图，计算各元件参数；3 对系统进行潮流计算，计算系统支路自然功率分布；4 在L3支路加入合适的附加电势（串联变压器），实现支路功率经济分布；5 利用MATLAB建立电力系统仿真模型进行仿真；6 对计算结果进行分析比较，得出结论。摘 要随着社会的发展，生产和人民生活用电的不断增长，负荷密度明显增大，配电网络的负荷也越来越重，不但电能损耗很大，而且也难以保证电压质量。为满足日益增长的电力需求，减少不必要的浪费，以及提供更好的电力能源，要对原有的配电网络进行改造。本课程设计主要研究某一电力系统

3、网络，对此网络进行潮流计算。电力系统的潮流计算是电力系统分析中的基本计算之一，是对复杂电力系统正常和故障条件下稳态运行状态的计算。本文研究次电力网的支路功率分布，并完成对支路加入附加电势，使系统实现支路功率经济分布的效果。在电力网中会出现功率损失，为使电能质量可靠，保证电能的质量要求，则需对系统进行功率补偿，本次设计对串联补偿器进行设计，并设计其硬件电路图，以满足电力用户需要的电能质量。并通过潮流计算使系统实现支路功率的经济分布，用MATLAB进行仿真。关键词：潮流计算；经济分布；补偿器目 录第1章 绪论11.1 电力系统潮流计算及潮流经济控制的概念11.2 本文设计内容1第2章 电力系统潮流

4、经济原理22.1 电力系统潮流计算基本原理22.2 电力系统潮流计算的意义22.3 系统等值电路及元件参数计算32.4 简单闭式网潮流经济分布42.5 经济潮流控制附加电动势的计算5第3章 电力系统潮流经济潮流控制计算63.1 潮流经济分布计算63.2 潮流经济分布控制方法73.3 串联补偿电路的硬件结构83.4 电压和电流的采集9第4章 潮流经济分布的仿真124.1 仿真模型的建立124.2 仿真结果及分析13第5章 总结16参考文献17第1章 绪论1.1 电力系统潮流计算及潮流经济控制的概念电力系统潮流计算是研究电力系统稳态运行情况的一种基本电气计算。它的任务是根据给定的运行条件和网路结构

5、确定整个系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布以及功率损耗等。是电力系统稳定计算和故障分析的基础。在电力系统规划的设计和现有电力系统运行方式的研究中，都需要利用潮流计算来定量地分析比较供电方案或运行方式的合理性、可靠性和经济性。所以潮流计算是研究电力系统的一种很重要和很基础的计算。电力系统潮流计算也分为离线计算那和在线计算两种，前者主要用于系统规划设计和安排系统的运行方式，后者则用于正在运行系统的经常监视及实时控制。电力系统潮流计算问题在数学上是一组多元非线性方程式求解问题，其解法都离不开迭代。由于电力系统结构及参数的一些特点，并且随着电力系统不断扩大，潮流问题的方程

6、式阶数越来越高，对这样的方程式并不是任何数学方法都能保证给出正确的答案的。这种情况成为促使电力系统计算人员不断寻求新的更可靠方法的重要因素。 潮流经济运行就是指电网在供电成本率低或发电能源消耗率及网损率最小的条件下运行。电网经济运行就是一项实用性很强的节能技术。这项技术是在保证技术安全、经济合理的条件下，充分利用现有的设备、元件，不投资或有较少的投资，通过相关技术论证，选取最佳运行方式、调整负荷、提高功率因数、调整或更换变压器、电网改造等，在传输相同电量的基础上，以达到减少系统损耗，从而达到提高经济效益的目的。1.2 本文设计内容本文通过给出的电力网系统图，从而画出系统等值电路图，计算各元件参

7、数，了解并阐述闭式网络潮流计算及其经济控制的基本思想，完成电力系统网络的潮流计算，继而完成电力网的支路功率分布，并完成对一支路加入附加电势，使系统实现支路功率经济分布的效果。由于在电力网中会出现功率损失，因而需对系统进行功率补偿，本次设计对串联补偿器进行设计，并设计其硬件电路图，并用MATLAB进行仿真，得出仿真波形，从而对计算结果进行分析比较，并得出结论。第2章 电力系统潮流经济原理2.1 电力系统潮流计算基本原理潮流计算是电力系统分析中的基本的计算之一，它的任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布及功率损耗等。电力系统潮流计算的结果的是电力

8、系统稳定计算和故障分析的基础。潮流计算根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。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

9、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。2.2 电力系统潮流计算的意义 (1)在电网规划阶段,通过潮流计算,合理规划电源容量及接入点,合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。(2)在编制年运行方式时,在预计负荷增长及新设备投运基础上,选择典型方式进行潮流计算,发现电网中薄弱环节,供调度员日常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改进网架结构,加快基建进度的建议。(3)正常检修及特殊运行方式下的潮流计算,用于日运行方式的编制,指导发电厂开机方式,有功、无功调整方案及负荷调整方

10、案,满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。(4)预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。总结为在电力系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。同时，为了实时监控电力系统的运行状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。因此，潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算；在电力系统运行状态的实时监控中，则采用在线潮流计算。2.3 系统等值电路及元件参数计算系统电力网等值电路如图2.1所示：图2.1 系统电力网等值电路取全系统基准功率=

11、30MVA各元件标幺值如下： 线路L1： 阻抗为： Z1=(0.17+j0.4)70=（11.9+j28）B1=2.7810-670S=1.9510-4S充电功率为：2=Mvar 线路L2： 阻抗为：Z2=（0.2+j0.42）80=（16+j33.6） B2=2.810-680S=2.2410-4S 充电功率为：2=Mvar 线路L3： 阻抗为 Z3=（0.18+j0.40）80=（14.4+j32） B3=2.810-680S=2.2410-4S 充电功率为： 2=Mvar=110V 变压器： =2.2 =34.57变压器励磁功率：=MVA=(0.03+j25.2)MVA2.4 简单闭式网

12、潮流经济分布 在环网中引入环路电势使产生循环功率，是对环网进行潮流控制和改善功率分布的有效手段。 在简单环网中，其功率分布为 上式说明功率在环形网络中是与阻抗成反比分布的。这种分布称为功率的自然分布。现在讨论一下，欲使网络的功率损耗为最小，功率损耗为将上式分别对和取偏导数，并令其等于零便得由此可以解出 公式表明，功率在环形网络中与电阻成反比分布时，功率损耗为最小。我们称这种功率分布为经济分布。只有在每段线路的比值R/X都相等的均一网络中，功率的自然分布才与经济分布相符。在一般情况下，这两者是有差别的。各段线路的不均一程度越大，功率损耗的差别就越大。2.5 经济潮流控制附加电动势的计算如果在环网

13、中引入附加电势E，假定其产生与同方向的循环功率，且满足条件就可以使功率分布符合经济分布的要求。由此可得所要求的循环功率为为产生此循环功率所需的附加电动势则为=0.075+j0.02式中，为环网的总阻抗，为网络的额定电压。因此可在支路2中加入0.075+j0.02电势，使电路的潮流分布达到经济分布。第3章 电力系统潮流经济潮流控制计算3.1 潮流经济分布计算已知负荷容量为：S2=12MVAS3=13MVA计算节点B和C的运算负荷：=12-j1.18-j1.36=(12-j2.54)MVA=13-j1.36-j1.36=(13-j2.72)MVA计算闭式网络中的功率分布：12.36-j2.1812

14、.78-j2.85验算：=12-j2.54+13-j2.72=25-j5.26 =12.16-j2.38+12.88-j2.85=25.06-j5.33可见计算结果误差很小，无需重算现在讨论一下，欲使网络的功率损耗为最小，功率损耗为 将上式分别对和取偏导数，并令其等于零便得由此可以解出：=2.72=3.0上式表明功率在环形网络中与电阻成反比分布时，功率损耗最小。这种分布为经济分布。只有在每段线路的比值R/X都相等的均一网络中，功率的自然分布才与经济分布相符。在一般情况下，这两者是有差别的。各段线路的不均一程度越大，功率损耗的差别就越大。3.2 潮流经济分布控制方法串联补偿可改变传输线路的等效阻

15、容或在线路中串入补偿电压，因此，通过串联补偿可方便地调节系统的有功和无功潮流，从而有效控制电力系统的电压水平和功率平衡。在配电网中，大部分的电压降是由线路电感引起的，串联补偿可使负载波动引起的电压下降减少。由于串联电容其实是一个无源的电路元件，其响应自发而迅速，因此，串联补偿有助于电压调节，可较完美地解决电压闪变问题。调整环网中的变压器变比，对于比值X/R较大的高压网络，其主要作用是改变无功功率的分布。一般情况下，当网络中功率的自然分布不同于期望的分布时，往往要求同时调整有功功率和无功功率，这就要采用一些附加装置来产生所需的环路电势。这类装置主要的有附加调压变压器和基于电力电子技术的一些FAC

16、TS装置。FACTS（Flexible AC Transmission System)的概念是在20世纪80年代末期由美国的Hingorani提出来的。现在FACTS技术已成为电力系统新技术的重要发展方向之一，我国也以开展了这一领域的研究。FACTS的含义是装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和增大电力传输能力的交流输电系统。在FACTS装置中采用晶体管取代传统的机械式高压开关或接头转换部件，极大地提高率调节的灵活性和快速性，通过对电压（幅值和相位）和阻抗的迅速调整，可以在不改变电网结构的情况下，加强潮流的可控性和提高电网的传输能力。基于电压型变流器的串联补偿器称为静止同步串联补偿器（

17、Static Synchronous Series Compensator-SSSC）。它是Gyugyi在1989年提出的，其目的旨在将变流器技术统一地运用于串并联补偿，以及传输角的控制。静止同步串联补偿器是一种新型的串联补偿装置，和其他FACTS装置相比，它可以直接控制电力系统中电压幅值、相角，具有控制范围广、响应速度快等优点。补偿的电压与其串联的线路电流相差90。图3.1 静止同步串联补偿器接入系统示意图该补偿器电压与线路电流无关，能在容行到感性范围内进行控制。它具有以下特点：a)不需要任何交流电容器或电抗器在线路内产生或吸收无功功率;b)在同一电容性和感性范围内，与线路电流大小无关的产生

18、可控的补偿电压;c)对次同步谐振（SSR）及其它振荡现象具有抗干扰能力；d)接入储能器后可对线路进行有功功率和无功功率补偿；e)接入一直流电源后，可补偿线路电阻或电抗，与线路串联补偿，无关地维持电抗与电阻的高比值；f)能快速或几乎瞬间的响应控制指令；g)适应单相重合闸时的非全相运行状态。3.3 串联补偿电路的硬件结构单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人

19、员了解其内部结构。本课程设计CPU采用AT89C51单片机，AT89C51单片机是现在人们用的最多的单片机种类之一，其结构简单、成本低廉、功能较全且便于扩展，虽然处理速度上赶不上现在大多数的微处理器，如DSP、嵌入式微处理器ARM9等，但是在此设计中完全可以满足和实现全自动补偿装置的要求。实时参数分别采集电网侧电压、电流，经过电压形成电路分别对电压电流进行变换。同时由CPU中的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A/D转换单元进行模数转换，并最后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据存储器在RAM中的功率因素表判定该投切哪几组电容器，并最终通过C

20、PU驱动SSR固态继电器实现电容器的自动投切。图3.2 装置硬件框图3.4 电压和电流的采集电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号进行变换。此外，为保证后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经低通滤波环节进行滤波才允许输入到采样保持电路，供CPU发出信号进行采样。低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环节则选择较常用的LF-398采样芯片。其逻辑输入端S/H由CPU中的定时器按一定时序控制，从而控制

21、何时采样、何时保持。当逻辑输入端即 S/H=1，即电平为高时，为采样功能；当逻辑输入端即 S/H=0，即电平为低时，为保持功能。低通滤波及采样保持电路如图3.3所示图3.3 低通滤波及采样保持电路经采样保持电路出来的信号需通过多路选择开关（MPX）来选择哪一个信号需要A/D转换。当电压信号需A/D转换时，MPX选择到电压信号档进而通过A/D芯片进行模数转换，当电流信号需A/D转换时，MPX选择到电流信号档进而通过A/D芯片进行模数转换。在此设计中，MPX选择CD4051，而A/D转换芯片则选择MAX521。CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共

22、4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则05V的数字信号可控制-13.54.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，其他时候可以接地。图3.4 CD4051芯片图MAX521是四/八，8位电压输出

23、数字-模拟转换器（DAC）的简单的2线串行接口，允许多台设备之间的通信。他们从一个单一的+5 V电源的操作和参考输入的范围包括两个供电轨。 MAX521包括驱动负载时，轨到轨输出缓冲放大器降低系统尺寸和元件数量。MAX521的无缓冲电压输出设备的总供应量的减少电流4A在低输出电流，并提供更高的精度。 MAX521功能的串行接口和内部的软件协议，允许以400kbps的数据速率的通信。接口，双缓冲输入配置相结合，可以单独或同时更新DAC寄存器。此外，该设备可以进入低功耗关断模式，可将电源电流至4A。上电，确保DAC输出为0V电源时，最初应用。复位 MAX520是提供16引脚DIP和 宽SO封装。

24、二者与单片机连接的电路原理图如图3.4所示。图3.4 MPX和A/D转换芯片与单片机连接的电路原理图第4章 潮流经济分布的仿真4.1 仿真模型的建立MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的

25、编程工作量会大大减少。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方

26、面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。与其他软件相比，MATLAB具有以下优点。1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌

27、握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。因此本课程设计使用MATLAB进行仿真。系统元件仿真图如图4.1所示。图4.1 系统元件仿真图设置仿真参数：Z1=11.9+j28Z2=16+j33.6Z3=14.4+j32Vn=110K4.2 仿真结果及分析通过建立电力系统的基本模型，参考实际电力系统参数，对系统的参数进行设置，模拟电力系统运行，得出各时段的电压和电流波形图，通过分析各个波形，了解了各时段电力系统的详细情况。继而可以判断设计是否正确。运行仿真程序可以得到正常的仿真波形如图4.3所示：图4.2 电压仿真波形图图4.3 仿真波

28、形图如图所示波形可以发现，仿真开始时，系统工作在稳定状态，三相电压、电流对称，都按正弦波变化。之后在线路2加入附加电动势，使电压升高，电流下降了。从而使供电线路电流下降，达到了限流的作用，升高了电压，提升了供电的质量。从而与实际结果相符合。验证了课程设计的正确性。通过对电力系统计算中有代表作用的潮流计算的仿真实现，可以看出利用matlab中的Simulink可以对电力系统产生极大的现实价值，为电力系统设备的开发提供有力的帮助。第5章 总结本次课程设计是对电力网系统进行潮流潮流经济控制，先进行潮流计算，并对此电力网的支路功率分布，并完成对一支路加入附加电势，使系统实现支路功率经济分布的效果。因为

29、在电力网中会出现功率损失，为使电能质量可靠，保证电能的质量要求，则需对系统进行功率补偿，本此设计对串联补偿器进行设计，通过分析讨论选取了合适的CPU、转换器等元件，对其硬件电路图进行了设计，以满足电力用户对电能质量的要求。用MATLAB进行仿真。通过分析，证明了潮流经济的正确性。在潮流计算中同过对支路功率的分布计算，可以解决如何是系统支路达到经济分布的效果，从而有利于电力网建设和电能分配。本文中设计的串联补偿器可有效的解决这种问题，且自动补偿无需人员手工操作，是电能达到安全可靠的标准。 参考文献1 何仰赞等. 电力系统分析（上）.华中科技大学出版社.2002.1 2 陈衍.电力系统稳态分析M.北京：水利电力出版社，2004.13 李光琦.电力系统暂态分析M.北京： 水利电力出版社，2002.54 西安交通大学等.电力系统计算M.北京：水利电力出版社，1993.12 5 于永源.电力系统分析（第二版）M. 北京：中国电力出版社，2004.36 谭浩强.C 程序设计（第三版）. 北京：华中理工大学出版社，2005.77 何仰赞等.电力系统分析（第三版）. 北京：水利电力出版社，2004.6 8 王晶等. 电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用. 西安电子科技大学出版社，200717