周晓华, 王荔芳, 刘胜永

(1. 广西科技大学 电气与信息工程学院, 广西 柳州　545006；2. 昆明学院 自动控制与机械工程学院, 云南 昆明　650214)



PSAT在电力系统潮流计算教学中的应用

周晓华1, 王荔芳2, 刘胜永1

(1. 广西科技大学 电气与信息工程学院, 广西 柳州545006；2. 昆明学院 自动控制与机械工程学院, 云南 昆明650214)

将PSAT仿真技术应用于电力系统分析课程计算机潮流计算的教学中,通过电力系统的潮流计算实例,介绍了利用PSAT软件建模、参数设置及仿真分析的过程。PSAT仿真得到的计算结果与Matpower仿真计算结果基本一致。应用PSAT软件可使电力系统潮流计算的原理与概念形象化,将原理性内容更直观地展示出来,有利于加深学生对基本理论的理解,提高电力系统分析课程的教学效果。

潮流计算； 电力系统分析； PSAT； 仿真教学

电力系统潮流计算是电气工程及其自动化专业核心课程“电力系统稳态分析”的重要组成部分,也是电力系统最基本、最重要的计算[1]。该计算非常繁琐,特别是潮流的计算机算法,学生难以理解和掌握。随着计算机及编程技术的快速发展,原有的电力系统潮流计算教学模式已不能满足授课的要求,在原来教学模式的基础上进行改革和创新就显得非常必要[2]。在电力系统潮流计算的计算机算法教学中,引入仿真演示环节,动态地呈现复杂的计算过程,不但可对抽象的潮流计算机算法理论进一步验证,还可增强学生的学习兴趣,更好地加深对知识的理解。

本文结合电力系统潮流的牛顿-拉夫逊计算机算法的具体教学实例,介绍PSAT仿真技术在电力系统稳态分析课程教学中应用的具体方法。

1　PSAT简介

电力系统分析工具箱[3](power system analysis toolbox，PSAT)是一种基于Matlab软件平台,专门用于电力系统分析的软件包。PSAT的程序源代码完全公开,以方便使用者进行二次开发。此外,PSAT还提供了非常有用的图形用户界面和电力系统单线图编辑器,使用者不但可以根据自己的需要搭建PSAT仿真模型进行仿真,而且还可将其他仿真软件中的数据转换成PSAT规定的格式进行仿真,也可将所搭建的模型参数写成一个数据文件之后再进行仿真。目前,PSAT可完成潮流计算、连续潮流、最优潮流、小信号稳定性分析和暂态稳定时域仿真等功能。为了提高分析的准确性,PSAT的Simulink模型库还提供了大量的静态和动态模型,如电力系统母线、电力线路、变压器、PV、PQ和平衡节点、断路器、线路故障、恒功率负荷、动态负荷、同步电机、感应电机、风力发电机、柔性交流输电(FACTS)等。

采用PSAT进行电力系统潮流计算的方法较为简单,在电力系统潮流计算,特别是电力系统潮流计算机算法的课堂教学中引入PSAT仿真环节,将有助于学生对电力系统潮流计算的学习和理解。

2　牛顿法潮流计算原理

具有n个节点的电力系统,节点i注入的功率为

(1)

当采用极坐标形式时,将节点电压相量Uiejθ和导纳Yij=Gij+jBij代入式(1),然后将其按实部、虚部展开并改写为适合用牛顿法求解的形式后，可得:

(2)

式中,Pis=PGi-PLi为节点i的净注入有功功率,PGi、PLi分别为节点i上发电机发出的有功功率和负荷吸收的有功功率,Qis=QGi-QLi为节点i的净注入无功功率,QGi、QLi分别为节点i上发电机发出的无功功率和负荷吸收的无功功率,θij=θi-θj为i、j节点电压的相位差。

设系统中第1,2,…,m号节点为PQ节点,第m+1,m+2,…,n-1号节点为PV节点,第n号为平衡节点,可写出牛顿法的修正方程式[4]为

(3)

其中

(4)

(5)

由于PV节点电压幅值Um+1,Um+2,…,Un-1和平衡节点电压给定,方程式(2)有n-1个节点电压相位θ1,θ2,…,θn-1、m个PQ节点电压幅值U1,U2,…,Um是未知量。

潮流计算步骤如下:(1)给定节点电压初值；(2)将给定的节点电压初值代入式(2)求节点功率的不平衡量ΔPi和ΔQi；(3)采用式(5)计算雅可比矩阵元素；(4)求解修正方程式(3)得到节点电压的修正量；(5)对节点电压进行修正,返回第(2)步作下一轮的迭代计算；(6)将满足收敛条件的节点电压代入式(2)计算平衡节点功率；(7)计算全部线路的功率。

3　教学实例

本文以图1所示的2机5节点电力系统[5]为例,说明PSAT在电力系统潮流计算教学中的具体应用方法。图中各支路阻抗、对地导纳、变压器漏抗及变比、节点电压幅值、功率均为标幺值(pu)。其中,节点1、2、3为PQ节点,节点4为PV节点,节点5为平衡节点,具体参数已标在图中。

PSAT的建模方法有两种,一种是直接在*.m文件中输入数据,另一种是在Simulink中建立网络模型,在计算后可生成*.m文件[6-7]。为了让建模过程更为直观,本文选用第二种建模方法。由于图1所示2机5节点系统的接线未给出实际电压等级,搭建系统模型时,设2台发电机侧电压为10 kV,线路侧为110 kV,功率基准值取100 MVA,电压基准值为各级的平均额定电压[8]。仿真模型的参数设置如下:

变压器T1:额定容量100 MVA,额定电压10.5 kV,额定频率50 Hz,变比10.5 kV/121 kV,漏抗0.015。

变压器T2:额定容量100 MVA,额定电压10.5 kV,额定频率50 Hz,变比10.5 kV /121 kV,漏抗0.003。

线路、负荷按照图1的参数进行设置。

仿真模型搭建完成后,保存并在PSAT主界面中导入模型。在主界面点击“Power Flow”可完成潮流计算,点击“Static Report”即可显示潮流计算结果,同时在Matlab命令窗口将显示迭代次数、迭代误差和计算时间。如要查看网络参数、各支路功率等较为详细的潮流计算结果,只需在“Static Report”界面中点击“Report”按钮即可生成*.txt文件。

为说明建模过程的正确性和计算结果的准确性,笔者采用Matpower4.1软件包对2机5节点系统进行了潮流计算[9-11],并将PSAT计算结果与Matpower计算结果进行了对比。经计算,PSAT迭代4次,Matpower迭代5次,潮流计算结果如表1—表4所示。

由计算结果对比可知,两种仿真软件的计算结果非常接近,功率计算存在一定差异是由于图1中部分参数是根据标幺值关系假设和推导的,两种软件的建模方式和过程也有所不同。Matpower建模采用的是直接在固定格式的*.m文件中输入数据,对发电机、变压器等元件可不需要具体参数；PSAT是在Simulink中通过选择元件库模型进行搭建系统仿真模型,发电机、变压器等元件需要具体参数。

表1　节点电压计算结果对比

表2　发电机功率和负荷功率对比

表3　支路功率计算结果对比

表4　支路功率损耗计算结果对比

除以报表的形式显示潮流计算结果外,PSAT还可用二维线形图、条形图、面积图、梯形图、杆图等展示潮流计算结果,用二维或三维彩色图来实现潮流的可视化。点击“Static Report”界面的条形图按钮,潮流计算结果就以Matlab图形文件的形式自动绘出,使用非常简单和方便。图2是2机5节点系统节点电压幅值二维杆图,图3是发电机和负荷有功功率的二维杆图。节点电压相角二维杆图、发电机和负荷无功功率的二维杆图与图2、图3类似。图4为各支路潮流的三维图,节点电压幅值和相角三维图与之类似。

图2　节点电压幅值二维杆图

图3　发电机和负荷有功功率二维杆图

图4　支路潮流结果三维图

4　结语

本文将PSAT仿真技术引入电力系统潮流计算的课堂教学中,采用理论教学与仿真演示相结合的教学模式,可使抽象和枯燥的理论知识形象化和生动化,能有效地提高学生的学习兴趣和教学质量[12]。通过仿真演示教学环节,不仅加深了学生对基本理论的理解和掌握,而且能培养学生利用计算机技术解决工程实际问题的能力和创新实践能力。

References)

[1] 郭涵,金帅军.MATPOWER在电力系统教学中的应用研究[J].中国电力教育,2013(19):65-67.

[2] 周凯,吴晓刚,那日沙,等.Saber仿真技术在电力电子教学中的应用[J].实验技术与管理,2015,32(4):127-129.

[3] Federico Milano. An Open Source Power System Analysis Toolbox[J].IEEE Transactions on Power systems,2006,20(3):1199-1206.

[4] 邱晓燕,刘天琪.电力系统分析的计算机算法[M].北京:中国电力出版社,2009.

[5] 韩祯祥.电力系统分析[M].杭州:浙江大学出版社,2009.

[6] 常勇,徐政,王超.基于Matlab的电力系统分析工具包PSAT及其有效性检验[J].电力自动化设备,2007,27(7):102-105.

[7] 崔健,吴雪霞.电力系统动态分析软件PSAT实用化验证与应用[J].电源技术应用,2013(11):75-77.

[8] 于群,曹娜.MATLAB/Simulink电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社,2011.

[9] 李红连,张维理,刘录东,等.潮流计算软件MATPOWER及其应用[J].重庆电力高等专科学校学报,2009,14(4):18-20.

[10] 徐恒娇,王洪诚,胡江航,等.一种潮流计算软件:Matpower[J].山西电子技术,2014(1):65-66,75.

[11] 韩肖清,肖宇,张海燕.MATPOWER在电力系统最优潮流实时电价中的应用[J].太原理工大学学报,2005,36(3):242-245.

[12] 结硕,韩光胜.Matlab在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理,2012,29(2):95-97,108.

Application of PSAT simulation software in teaching of power flow calculation

Zhou Xiaohua1, Wang Lifang2, Liu Shengyong1

(1. School of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, China；2. School of Automatic Control and Mechanical Engineering,Kunming Institute, Kunming 650214, China)

In order to improve the teaching effect of the course of Power System Analysis, the PSAT simulation technology can be applied to the teaching of power flow calculation using computer in Power System Analysis course. This paper introduces the software modeling, analysis, parameter settings and simulation process by using the case of power flow calculation. The calculation results obtained by simulation experiments are in accordance with the calculation results of Matpower simulation software. The application of PSAT software makes the principles or concepts of power flow calculation visualized and displays the original rational content more intuitive. The flexible use of simulation teaching plays a vital role for enhancing the students’ learning interest, deepening students’ understanding of the basic theory of power flow calculation.

power flow calculation; power system analysis; PSAT; simulation teaching

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.030

2015- 06- 14修改日期：2015- 07- 16

广西高等教育教学改革工程项目(2012JGA180)；广西科技大学教育教学改革工程项目“提高电气工程及其自动化专业人才培养质量的研究与实践”

周晓华(1976—),男,云南牟定,硕士,副教授,主要从事电气工程及其自动化专业的教学和科研工作.

E-mail：zhxh76@126.com

TM744；G642.4

A

1002-4956(2016)1- 0118- 04