东 南 大 学

研究生课程

《电气工程仿真软件实践》

课程报告

东南大学电气工程学院

1 实验目的

掌握电力系统稳态运行的基本要求；培养应用电力系统仿真计算软件PSASP进行潮流调整、电压调整、网损分析的实践能力；培养运用所学知识分析和解决问题的能力。

2 PSASP简介

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2.1 PSASP综述

《电力系统分析综合程序》（Power System Analysis Software Package， PSASP）是由中国电力科学研究院研发的电力系统分析程序。主要用于电力 系统规划设计人员确定经济合理、技术可行的规划设计案；运行调度人员 确定系统运行式、分析系统事故、寻求反事故措施；科研人员研究新设备、 新元件投入系统等新问题以及高等院校用于教学和研究。

2.2 PSASP特点

PSASP具有基于公用数据和模型的三层体系结构, 如图1所示。第一层是公用数据和模型的资源库；第二层是基于资源库的应用程序包；第三层是计算结果库和分析工具，极大地资源共享，高度集成和开放。PSASP 有着友好、便的人机界面，如基于图形的数据输入和图上操作， 自定义模型图以及图形、曲线、报表等各种形式输入。PSASP 与 Excel、AutoCAD、Matlab 等通用的软件分析工具有着便的接口，可充分利用这些软件的资源。PSASP 应用程序的共同特点是：

● 可计算大规模（可达 3000 个母线或更多）的交直流混合电力系统；

● 有公用的数据库做支持，不必为每一种计算准备其基础数据。

● 有固定模型库和用户自定义模型库作支持。

● 不但有通常的文本式计算，而且还有单线图上的操（修改数据、操作开关、增加故障等）计算，其计算结果直接标注在图上，具有仿真的效果。

● 具有多种形式（图形、图示、报表、曲线等）的结果分析的输出。

● 提供了与 Excel、AutoCAD、Matlab等常用软件工具的接口。

图2.1. PSASP三层体系结构

2.3 PSASP的基础数据库

在一个电力系统中，电力系统元件及其公用参数的数据是该电网的基础数据。对于一个电网来说，输电线，变压器，直流线，静补，发电机，调节器，负荷等元件及其相应参数是最基础的数据。当把这些数据准备好，再加上少量的控制信息(计算数据) 即可执行各种分析计算。

基础数据分为两个数据库：基本元件数据库和元件公用参数数据库，由这两个库共同完成电力系统各元件的数据描述。每个数据库按元件不同又设置了若干个数据表。其中基本元件数据库主要存放输电线、变压器，一次设备(发电机、负荷、直流、静补)和二次装置(调压器、调速器，PSS等)等系统元件的数据；元件公用参数数据库把相同的数据抽出来，作为公用参数库，为基本元件数据库所共享，这样可进一步减少数据的冗余度。基本元件和公用参数两个数据库所包含的数据表及其之间的关系如下表2.1所示。

表2.1. 基本元件和公用参数关系表

母线数据库是首先要建立的基本数据，具有以下特点：其它元件均与母线相联系；母线数据表中的各项数据极少变化。未设数据组（Group）字段；对于某种计算(潮流，暂稳，短路等)的某种计算案而言，该案所涉及的母线集合由交流线、变压器、直流线等元件的数据组(Group)所确定的网络拓扑结构而定。该计算案母线集合是母线数据表中的一部分。除母线外，其他电力系统元件数据，都含有一个Group(10个字符)字段，即数据组字段，该字段起着给数据分类命名的作用。以便计算时，按指定的Group抽取，从而起到灵活定义电网规模结构和运行式的作用。在执行各种计算时，需要定义所要计算的案（Scheme）。一个Scheme是若干个Group的合集。

3 实验原理

3.1 潮流计算

潮流计算是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。

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案能否满足各种运行式的要求；对运行中的电力系统，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的围以，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。

潮流计算是电力系统分析最基本的计算。除它自身的重要作用之外，在《电力系统分析综合程序》(PSASP)中，潮流计算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算的基础。

潮流计算在数学上可归结为求解非线性程组，其数学模型简写如下：

〖^ 〖〗^〖

其中：

为节点平衡程式；

为待求的各节点电压。

由此决定该问题有以下特点：

1. 迭代算法及其收敛性：

对于非线性程组问题，其各种求解法都离不开迭代，因此，存在迭代是否收敛的问题。为此，在程序中开发了多种计算法：PQ分解法、牛顿法(功率式) 、最佳乘子法、牛顿法(电流式) 、PQ分解转牛顿法供计算选择，以保证计算的收敛性。

2. 解的多值性和存在性：

对于非线性程组的求解，从数学的观点来看，应该有多组解。根据程序中所设定的初值，一般都能收敛到合理解。但也有收敛到不合理解(电压过低或过高)的特殊情况。这些解是数学解(因为它们满足节点平衡程式)而不是实际解。为此需改变运行条件后再重新计算。此外，对于潮流计算问题所要求的节点电压的分量(幅值和角度或实部和虚部)，只有当其为实数时才有意义。如果所给的运行条件无实数解，则认为该问题无解。

因此，当迭代不收敛时，可能有两种情况：一是解(指实数解)不存在，此时需修改运行式；另一是计算法不收敛，此时需更换计算法。

3.2 网损分析

网损分析计算是根据电网结构、参数，和典型日24小时的负荷水平、发电机出力等，确定电网中各元件的损耗水平。

由于PSASP网损分析计算实际上是进行多个潮流案的计算，将多个案的损耗结果进行累加而得到的最终网损结果，因而其计算法与PSASP潮流计算完全相同，有PQ分解法、牛顿法(功率式) 、最佳乘子法、牛顿法(电流式) 、PQ分解转牛顿法等。

3.3 无功优化

无功优化是最优潮流的一个分支，无功优化的目标函数是全网的网损。电力系统无功优化调度,问题系指在电力系统无功电源较为充裕的情况下,通过调节发电机机端电压、调整变压器抽头变比、改变无功补偿装置的出力等措施来调整无功潮流,使得系统电压值达到合格值,同时全网有功损耗最小。问题有时也称为电力系统无功优化控制、电压无功优化控制、无功优化潮流问题。

对于无功优化,目标函数一般指有功网损,等式约束条件即潮流程,不等式约束条件有电压和功率极值,有时还需要考虑支路潮流的约束。

电力系统电压主要取决于无功潮流分布是否合理,而实现合理的无功潮流分布的前提条件是电力系统有充足的无功电源容量。若无功电源容量不足,系统运行电压将难以保证。但无功电源容量过剩,无疑又会浪费不必要的投资。因此,进行无功规划优化确定系统的最佳补偿地点和补偿容量,避免无功电源建设的盲目性,是保证电力系统安全、经济运行和优质供电的一项十分重要的工作。

无功优化规划作为整个电网规划的一部分,其目的就是确定无功补偿设备的安装位置和容量,以最经济的投资保证系统维持合理的电压水平,降低网络损耗,实现系统的安全运行。通过无功的优化规划,可以给电网的运行带来以下好处：

● 使电网各点电压在允的围,从而保证了电网供电的电能质量。

● 改善了电网的安全性。

● 减少了电网的运行损耗,节约电能,提高电网运行的经济性。

● 使电网的无功潮流减少并合理分布,减轻线路及变压器的负担。

● 从全局的角度合理安排全网的变压器分接头位置。

● 合理地安排无功补偿的地点及容量,使无功电源建设的投资与电网的运行费用最小。

4 仿真模型

4.1 实验数据

以IEEE 14节点系统作为算例，采用标幺值计算，基准功率SB=100MVA。给出IEEE 14节点系统接线图，如图4.1所示：

图4.1IEEE 14节点系统接线图

IEEE 14节点系统包括5台发电机(节点1、2、3、6、8，其中1节点为平衡节点，节点2、3、6、8为PV节点)，3台可调变压器(支路4—7、4—9、5—6)和1个无功补偿点(节点9)，系统数据统计表如下表4.1所示：

表4.1 IEEE 14节点基本数据统计表

表4.2 IEEE 14发电机数据

表4.3 IEEE 14节点系统无功补偿设备数据

表4.4 IEEE 14节点系统支路参数数据

表4.5 IEEE 14节点系统变压器数据

表4.6 IEEE 14节点系统负荷数据

4.2 典型日负荷曲线

查阅相关资料，选择如下两个典型日负荷曲线作为网损计算的典型24小时数据。图4.2为典型夏季日负荷曲线，图4.3为典型冬季日负荷曲线。

图4.2为典型夏季日负荷曲线

图4.3为典型冬季日负荷曲线

4.3 潮流作业建立

本次潮流计算仿真作业的构成如下图5.1：

图4.4潮流计算作业示意图

利用文本式输入的数据绘制IEEE14节点单线图；采用文本输入参数的式计算IEEE14节点系统指定运行式下的潮流；没有3，6,8节点无功补偿数据的数据组定义为BASIC，将含有3，6,8节点无功补偿数据的数据组定义为BASIC2数据组。根据4.1的实验数据分别进行母线、交流线、两绕组变压器、发电机及其调节器、负荷的数据录入。

图4.5潮流计算数据录入示意图

根据电力系统无功优化调度理论,通过调节发电机机端电压、调整变压器抽头变比、改变无功补偿装置的出力等措施来调整无功潮流,使得系统电压值达到合格值,同时全网有功损耗最小。对IEEE 14节点系统定义了如下5种运行式，分别进行潮流计算。

图4.6潮流计算浏览示意图

点击计算，选择潮流，对5种案的潮流计算填写控制信息。

图4.7潮流计算控制页面示意图

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4.1

4.2

4.3

4.4 网损分析作业建立

本次网损分析作业的构成如下图4.8：

图4.8网损分析作业示意图

图4.9网损分析控制页面

图4.10网损分析典型24小时数据录入

5 仿真结果

5.1 潮流计算

5.1.1 潮流单线图

分别为潮流作业1,2,5的图示化结果。

图5.1潮流计算作业1单线图

图5.2潮流计算作业2单线图

图5.3潮流计算作业5单线图

5.1.2 潮流结果报表输出

以下为潮流作业1,2,5的报表输出，其余作业报表结果见附件我的仿真.xlsx。

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5.1

5.1.1

5.1.2

5.1.3 潮流结果分析

该系统存在两个电压等级，是一个配电网系统的典型接线结构。按照我国电压等级划分，应当是35kv和10kv连个电压等级。潮流大致流动向从35kv的电源向节点6-14供电。选择3、6。8母线作为电压支撑节点，是为了提高该节点电压，减少无功功率的传输，减少线路损耗。3、6、8母线去掉无功电源的潮流状态过重，相应的线路重载。每个PV节点对该节点电压有一个支撑作用。潮流作业1：没有调压，没有无功补偿时，网络右侧的负荷区，电压水平明显偏低（对应单线图中有红色标记）；潮流作业2：调压和无功补偿后，各节点电压维持在1.0附近，总的网损也从16MW将至15.2MW。潮流作业5：当系统负荷水平降下来至60%，不需要调压、无功补偿，全网电压水平维持在1.0附近，通过略微降低变压器变比，可以进一步减小网损。

5.2 网损分析

夏季典型负荷水平下的网损分析结果图示化输出。

图5.4夏季典型负荷水平下的网损分析

冬季典型负荷水平下的网损分析结果图示化输出。

图5.5冬季典型负荷水平下的网损分析

当用潮流作业2计算网损分析时，第一个小时负荷率较低，而无功补偿量较大时，潮流计算不收敛，导致网损计算有问题。

图5.6夏季典型负荷水平下的问题网损分析

6 参考文献

[1]单渊达,等.电能系统基础.北京：机械工业出版社,2001.

[2] 天琪.现代电力系统分析理论与法.北京：中国电力出版社，2007.47-63

[3]锡凡.现代电力系统分析.北京：科学出版社，2003.113-147

[4] 伯明等.高等电力网络分析.第2版.北京：清华大学出版社，2007.241-275

[5]PSASP基础数据库用户手册.中国电科院，2001.1-143

[6]PSASP潮流计算用户手册.中国电科院，2001.1-76

[7]PSASP网损分析用户手册.中国电科院，2001.1-38

电气工程PSASP仿真软件实践