电气工程及其自动化专业通识性专业课程设计——潮流计算（文档源于韦化等老师编写的电力系统程序设计指导书）广西大学电气工程学院2017年7月课程设计要求1、编程语言：Matlab（推荐）或ANSI C语言等。
2、使用系统：电科院22节点系统（必做）3、计算方法：牛顿-拉夫逊法（推荐）4、稀疏要求：不使用稀疏技术，总评90分以下5、评分标准可参考以下要求：（1）、准确计算出各节点的电压相角（60分）（2）、准确计算出各支路的功率（5分）（3）、代码编写规范、输出结果详尽（10分）(4）、准确的分析了潮流的计算结果（10分）（5）、还计算了其它大规模的测试系统（5分）（6）、使用了稀疏计算技术，计算1000节点以上的系统，计算时间小于1秒（10分）第一章原始数据电力系统原始数据是电力系统计算的基础。
电力系统每个计算程序都要求输入一定的原始数据，这些数据可以反映电力网络结构、电力系统正常运行条件、电力系统各元件参数和特性曲线。
不同的计算程序需要不用的原始数据。
第一节电力网络的描述电力网络是由输电线路、电力变压器、电容器和电抗器等元件组成。
这些元件一般用集中参数的电阻、电抗和电容表示。
为了表示电力网络中各元件是怎样互相连接的，通常要对网络节点进行编号。
电力网络的结构和参数由电力网络中各支路的特性来描述。
1.1.1 线路参数在电力系统程序设计中，线路参数一般采用线路的Π型数学模型，即线路用节点间的阻抗和节点对地容性电纳来表示，由于线路的对地电导很小，一般可忽略不计。
其等价回路如下：r+jx-jb/2对于线路参数的数据文件格式一般可写为：线路参数（序号，节点i，节点j，r，x，b/2）1.1.2 变压器参数在电力系统程序设计中，变压器参数一般采用Π型等值变压器模型，这是一种可等值地体现变压器电压变换功能的模型。
在多电压级网络计算中采用这种变压器模型后，就可不必进行参数和变量的归算。
双绕组变压器的等值回路如下：k Z Tk:1 Z T(a)接入理想变压器后的等值电路(b) 等值电路以导纳表示(c) 等值电路以导纳表示三绕组变压器的等值回路如下：综合所述，三绕组变压器的等值电路可以用两个双绕组变压器的等值电路来表示。
因此，对于变压器参数的数据文件格式一般可写为：变压器参数（序号，节点i，节点j，r，x，k0）其中，k0表示变压器变比。
1.1.3对地支路参数对地支路参数一般以导纳形式表示，其等价回路如下：ig-jb对地支路参数的数据文件格式一般可写为：接地支路参数（序号，节点i，g i，b i）第二节电力系统运行条件数据电力系统运行条件数据包括发电机（含调相机）所连接的节点号、有功与无功功率；负荷所连接的节点号、有功与无功功率；PV节点与给定电压值；平衡节点的节点号与给定电压值。
1.2.1节点功率参数电力系统中有流入流出功率的称为功率节点，有流入功率的称发电节点，一般为各发电站、枢纽变电站等节点；有流出功率的称负荷节点。
对于电力系统稳态计算来说，功率节点都用有功功率P和无功功率Q来简单表示。
其等价回路如下：Q GP G P LQ L节点功率参数的数据文件格式一般可写为：节点功率数据（序号，节点i，P Gi，Q Gi，P Li，Q Li）1.2.2 PV节点参数根据给定节点变量的不同，可以有以下三种类型的节点：1.PV节点（电压控制母线）这种节点的注入有功功率Pi为给定值，电压Ui也保持在给定数值。
这种类型节点相当于发电机母线节点，其注入的有功功率由汽轮机调速器设定，而电压则大小由装在发电机上的励磁调节器控制；或者相应于一个装有调相机或静止补偿器的变电所母线，其电压由可调无功功率的控制器设定。
要求有连续可调的无功设备，调无功来调电压值。
2.PQ节点这种节点的注入有功和无功功率是给定的，相应于实际电力系统中的一个负荷节点，或有功和无功功率给定的发电机母线。
3.平衡节点这种节点用来平衡全电网的功率，一般选用一容量足够大的发电厂（通常是承担系统调频任务的发电厂）来担任。
平衡节点的电压和相位大小是给定的，通常以它的相角为参考量，即取其电压相角为0。
一个独立的电力网络只设一个平衡节点。
三类节点的划分并不是绝对不变的。
PV节点之所以能控制其节点的电压为某一设定值，重要原因在于它具有可调节的无功功率出力。
一旦它的无功功率出力达到可调节的上限或下限，就不能使电压保持在设定值，PV节点将转化成PQ节点。
对于这三种类型的节点参数可如下表示1.平衡节点：给出节点编号，节点电压。
2.PQ节点：在节点功率参数中就可表示。
3.PV节点：需单列，其数据文件格式一般可写为：PV节点数据（序号，节点i，电压V i，无功功率下限，无功功率上限）。
第四节各类数据文件格式1.4.1一般潮流数据文件格式1.节点数，平衡节点，平衡节点电压，计算精度2.线路参数（序号，节点i，节点j，r，x，b/2）3.变压器参数（序号，节点i，节点j，r，x，k0）4.接地支路参数（序号，节点i，g i，b i）5.节点功率数据（序号，节点i，P Gi，Q Gi，P Li，Q Li）6.PV节点数据（序号，节点i，电压V i，无功功率下限，无功功率上限）电科院22节点标准测试系统原始数据表A1-1 线路参数表A1-2 变压器支路数据表A1-3 并联电容数据表A1-4 母线功率数据8图A1-1 电科院22节点电力系统网络接线图第二章 电力系统网络矩阵第一节 节点导纳矩阵2.1.1节点电压方程用计算机计算复杂电力系统稳态问题时，一般要用到节点电压方程。
在电路理论课程中，已导出了运用节点导纳矩阵的节点电压方程：其中：I B ：为节点注入电流的列向量，可理解为各节点电源电流与负荷电流之和，并规定电源流向网络的注入电流为正； U B ：为节点电压的列向量；Y B ：为节点导纳矩阵。
2.1.2 节点导纳矩阵其中：对角元Y ii 称为自导纳，数值上等于该节点直接连接的所有支路导纳的总和；对角元Y ij 称为互导纳，数值上等于连接节点i ，j 支路导纳的负值。
N 个节点的电力网络的节点导纳矩阵的特点： 1） n ×n 阶方阵； 2） 对称； 3） 复数矩阵；4） 每一非对角元素Y ij 是节点i 和j 间支路导纳的负值，当i 和j 间没有直接相连的支路时，为0。
根据一般电力系统的特点，每一节点平均与3-5个相邻节点有直接联系，所以导纳矩阵是一高度稀疏矩阵。
互导纳，不包括对地支路；BB B U Y I =⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡nn n n n n Y Y Y Y Y YY Y Y 2122221112115）对角元素Yii为所有联结于节点i的支路的导纳之和。
2.1.3 节点导纳矩阵的修改1.原网络节点增加一接地支路设在节点i增加一接地支路，由于没有增加节点数，节点导纳矩阵阶数不变，只有自导纳Y ii发生变化，变化量为节点i新增接地支路导纳y i’：Y ii’=Y ii+y i’2.原网络节点i，j增加一条支路节点导纳矩阵的阶数不变，只是由于节点i和j间增加了一条支路导纳y ij而使节点i和j之间的互导纳、自导纳发生变化：Y ii’=Y ii+y ij Y jj’=Y jj+y ij Y ij’= Y ji’= Y ij-y ij3.增加一台变压器可由步骤1、2构成。
2.1.4节点导纳矩阵的存储PV节点数据（序号，节点i，电压V i，无功功率下限，无功功率上限）2.1.６形成节点导纳矩阵Y的流程图请看附图1：形成节点导纳矩阵Y的程序流程图。
该程序流程图是采用支路追加法。
○1步，对各数组或链表变量进行清零，因为节点导纳矩阵的自导纳是在追加支路的过程中累加而成的。
其中G，B分别表示节点导纳矩阵的实部和虚部。
○2步，读入节点数，平衡节点，平衡节点电压，计算精度。
读入节点数以确定循环数。
○3步，读入线路参数，由于所给的是阻抗形式，必须先将阻抗转换成导纳形式，再按照追加支路的方法逐一加到各支路上。
○4步，读入变压器参数，也是先将变压器参数由阻抗形式转为导纳形式，这里变压器变比计算的方法。
○5步，读入接地支路参数。
○6步，将节点导纳矩阵由直角坐标形式转为极坐标形式，Y和α分别表示节点导纳矩阵的幅值和相角。
附图1：形成节点导纳矩阵流程图第二节潮流计算所用的稀疏技术电网计算中要遇到大量的矩阵和矩阵计算。
由电力网络本身的结构特点所决定，这些矩阵中往往只有少量的元素，大部分元素都是零元素，我们说这些矩阵是稀疏的。
对于实际电力系统，节点平均出线度一般为3～5，对500个节点的电力系统，其导纳矩阵的稀疏度仅为1%，是相当稀疏的。
在进行矩阵运算时，和稀疏矩阵中零元素进行的计算是没有必要进行的，同时，对于这些零元素的存储也是多余的。
所以，在进行稀疏矩阵的运算中，可以采用“排零存储”、“排零运算”的办法，只存储稀疏矩阵中的非零元素及必要的检索信息，只取这些非零元素来进行运算，省去对零元素的存储和与零元素进行的运算，这样可以大大减少存储量，提高计算速度。
第四章电力系统潮流计算4.1概述电力系统潮流计算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。
其目的是求取电力系统在给定运行方式下的节点电压和功率分布，用以检查系统各元件是否过负荷、各点电压是否满足要求、功率分布和分配是否合理以及功率损耗等。
潮流计算是电力系统计算分析中的一种最基本的计算。
潮流计算的计算机算法是以电网络理论为基础的，应用数值计算方法求解一组描述电力系统稳态特性的方程。
潮流计算方法的要求：▪计算速度快；▪内存需要小；▪计算结果有良好的可靠性和可信性；▪适应性好，即能处理变压器变比调整、系统元件的不同描述和与其他程序配合的能力强；▪简单。
潮流计算方法的步骤：▪建立潮流的数学模型；▪确定适宜的计算方法；▪制定计算流程图；▪编制计算机程序；▪对计算结果进行分析和确定，检查程序的正确性。
4.2功率方程在实际电力系统中，已知的运行条件往往不是节点的注入电流而是负荷和发电机的功率，而且这些功率一般不随节点电压的变化而变化，因此在节点功率不变的情况下，节点的注入电流随节点电压的变化而变化。
在已知节点导纳矩阵的情况下，必须用已知的节点功率来代替未知的节点注入电流，才能求出节点电压。
每节点的注入功率方程式为：∑===+=n j j ij i i i i i i U Y U I U jQ P S 1***~其中：ii i i i Li Gi i LiGi i jf e U U U Q Q Q P P P +=∠=-=-= 或δ对于N 个节点的电力网络，可以列出2N 个功率方程。
每个节点具有四个变量，N 个节点有4N 个变量，但只有2N 个关系方程式。
因此，需根据电力系统的情况，增加已知条件：1) 在具有N 个节点的系统中，给定（N-1）对控制变量P Gi 、Q Gi ，余下一对控制变量待定P Gs 、Q Gs ，其将使系统功率，包括电源功率、负荷功率和损耗功率保持平衡2) 给定一对状态变量δs 、Us ，要求确定（n-1）对状态变量δi 、Ui ，δs给定的通常为0，Us 一般取标幺值为1，以使系统中各节点的电压水平在额定值附近。