基于Matpower的电力系统潮流计算仿真

第一部分 前言

  在之前的牛顿-拉夫逊潮流计算的原理上，可以加深大家对于潮流计算的理解，在本文中将通过Matpower进行Case文件的编写与仿真，最终加深对潮流计算的理解程度。

  如果对潮流计算的原理不太清楚的可以参考之前的文章——基于Matpower的电力系统潮流计算设计原理（https://blog.csdn.net/Gentleheng/article/details/112506417）

   本次设计的电力系统设置8台发电机，使其在一定的功率范围下运行，然后通过对28个节点的数据进行设置，在部分节点支路之间设置了变压器以此来保证电力系统的电压等级，同时还对节点设置无功补偿来对系统进行一定的无功补偿。在完成电力系统的设计后，通过Matlab计算出系统节点导纳矩阵，根据节点导纳矩阵验证节点数据的正确性，然后基于Matpower工具包中的runpf函数，调用编写的Case28_08.m文件进行潮流计算。所编写的Case文件中主要包含电力系统的节点数据矩阵、发电机数据矩阵和支路数据矩阵，通过3个矩阵最终得到了8机28节点的电力系统有功损耗和无功功率，系统的有功损耗与负荷消耗的有功功率之和等于发电机输出的有功功率。

第二部分 电力系统结构图

  本次设计的电力系统包含了8台发电机、28个节点、7台变压器和2个无功补偿点，如图所示

  根据上图可以看出，节点17、18、19、20、21、22、23、24处接有发电机，发电机出设置功率参数用于对整个系统进行有功输入，各个发电机节点的有功功率和无功功率如表1所示；属于PV节点，其余节点属于PQ节点，其中5和6、6和7、7和13、17和20、22和23、23和24、26和27之间设置了变压器，变压器变比数据如表1所示，同时节点6和15处用于无功补偿，据此设计出了图1所示的电力系统图，并以此为依据设计出Case28的潮流计算程序。

第三部分 Case28节点的编写

  首先根据原先设计的电力系统结构图进行各个节点数据的编写，然后按照设计要求：至少含有两个电压等级；各负荷节点的负荷功率因数不低于0.8，要求平衡节点电压幅值设置为1.05，基于上述目标进行如下Case28节点的编写。

8机28节点电力系统发电机功率

  8机28节点电力系统发电机功率如下表所示（包含有功和无功功率）

节点	17	18	19	20	21	22	23	24
Pd/MW	600	600	500	650	550	540	800	1000
Qd/MW	200	110	170	200	100	0	0	0

8机28节点电力系统节点功率

  8机28节点电力系统节点功率如下表所示（包含节点的有功、无功功率）

节点	1	2	3	4	5	6	7
Pd/MW	97.6	0	322	233.8	0	65	85
Qd/MW	44.2	0	2.4	84	0	-70	88

节点	8	9	10	11	12	13	14
Pd/MW	0	330	0	158	680	300	250
Qd/MW	0	32.5	0	30	103	15	84.6

节点	15	16	17	18	19	20	21
Pd/MW	308.6	0	139	280	206	85	0
Qd/MW	-92	0	17	75.5	28.9	30	0

节点	22	23	24	25	26	27	28
Pd/MW	600	0	1100	110	200	0	220
Qd/MW	210	0	250	20	10	0	28.8

平衡节点矩阵数据

  设置节点20作为电力系统的平衡节点，保证其电压幅值为1.05，平衡节点数据如下表所示

BUS_i	type	Pd	Qd	Gs	Bs	Area	Vm	Va	baseKV	zone	Vmax	Vmin
20	3	85	30	0	0	1	1.05	0	311	1	1.06	0.94

8机28节点电力系统变压器变比

  8机28节点电力系统变压器变比数据如表所示，在5和6、6和7、7和13、17和20、22和23、23和24、26和27之间设置变压器。

K5-6	K6-7	K7-13	K17-20	K22-23	K23-24	K26-27
1.07	1.06	1.06	1.032	1.25	1.25	1.25

第四部分 潮流计算仿真数据

潮流计算节点数据

  基于之前的数据要求以及参数设置，将 28 节点的数据进行如下设置，将潮流计算过程中涉及到的重要参数数据记录在下表中（由于节点数据过多，仅部分节点参数数据）。

Bus_i	type	Pd	Q	Gs	Bs	Vm	Va	Vmax	Vmin
1	1	97.6	44.2	0	0	1.03938	-13.537	1.06	0.94
2	1	0	0	0	0	1.04849	-9.7852	1.06	0.94
3	1	322	2.4	0	0	1.0307	-12.276	1.06	0.94
4	1	233.8	84	0	0	0.99839	-12.755	1.06	0.94
5	1	0	0	0	0	1.00822	-10.408	1.06	0.94
6	1	65	-70	0	0	1.03833	0	1.06	0.94
7	1	85	88	0	0	1.00081	-8.9988	1…06	0.94
8	1	0	0	0	0	1.01232	-10.715	1.06	0.94
9	1	330	32.5	0	0	1.03252	-10.033	1.06	0.94
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
16	1	0	0	0	0	1.0501	-5.41	1.06	0.94
17	2	139	17	0	0	1.05256	-9.4388	1.06	0.94
18	2	280	75.5	0	0	1.03834	-11.365	1.06	0.94
19	2	206	28.9	0	0	1.05037	-5.928	1.06	0.94
20	3	85	30	0	0	1.05	0	1.06	0.94
21	2	0	0	0	0	1.04996	-7.3704	1.06	0.94
22	2	600	210	0	0	0.982	0	1.06	0.94
23	2	0	0	0	0	1.03	-14.535	1.06	0.94
24	2	1100	250	0	0	0.9841	-0.1884	1.06	0.94
25	1	110	20	0	0	0.9972	-0.1932	1.06	0.94
26	1	200	10	0	0	1.0123	-1.6311	1.06	0.94
27	1	0	0	0	0	1.0494	1.7765	1.06	0.94
28	1	220	28.8	0	0	1.0636	4.4684	1.06	0.94

  根据上表可以看出，节点 17—24 共 8 个节点设置为发电机，type类型为 2，通过设置其有功无功参数来改变结果，其中第 20 号节点设置为平衡节点，type 为 3，平衡节点的电压幅值为 1.05，电压角度为 0。在节点 6 和节点 15处设置无功补偿。其余节点属于PQ 节点，其参数可以通过自己的需求进行设置，8 机 28 节点系统的电导均为 0，且为有名值，大部分负荷的功率因数在 0.8 以上，整个电力系统的电压幅值上下限控制在 1.06—0.94 范围内

潮流计算发电机数据

  8 机 28 节点电力系统发电机数据如表 如下表所示

Bus	Pg	Qg	Vg	Pmax	Pmin
17	600	200	1.0525613	650	0
18	600	110	1.0383449	640	0
19	500	170	1.0503737	508	0
20	650	200	1.05	680	0
21	550	100	1.0499	580	0
22	540	0	0.982	540	0
23	800	0	1.03	800	0
24	1000	0	0.9841	1200	0

  根据上表可以看出，发电机属于 PV 节点，节点 17 至 24 共 8 个节点用于发电机的参数设置，为系统提供有功功率，发电机的有功功率和无功功率将影响系统的最终结果，可以根据不同的需求进行调节，在本系统中统一将无功上限设为200，下限为 0 进行计算。

潮流计算支路数据

  8 机 28 节点电力系统支路数据如下表所示（由于支路数据较多，仅展示部分节点间的支路数据）。

fbus	tbus	r	x	b	Ratio
1	2	0.0035	0.0411	0.6987	0
1	14	0.0023	0.0353	0.3804	0
1	27	0.0014	0.025	0.75	0
2	3	0.0013	0.0213	0.2214	0
2	28	0.0067	0.0086	0.146	0
3	4	0.0013	0.0151	0.2572	0
3	12	0.0011	0.0133	0.2138	0
4	5	0.0004	0.0046	0.078	0
4	20	0.0022	0.035	0.361	0
…	…	…	…	…	…
20	17	0.0014	0.0151	0.249	1.032
21	22	0.0014	0.0147	0.2396	0
22	23	0.008	0.0156	0	1.25
23	18	0.0006	0.0096	0.1846	0
23	24	0	0.0143	0	1.25
24	25	0.0032	0.0323	0.531	0
25	26	0.0005	0.0272	0	0
26	27	0.0006	0.0232	0	1.25
27	28	0.0043	0.0474	0.7802	0

generator cost data矩阵数据

第五部分 潮流计算结果分析

系统数据		变量数据	P(MW)	Q(MAvr)
Buses	28	Total Gen Capacity	5598	-0 to 1600
Generators	8	On-line Capacity	5598	-0 to 1600
Committed Gens	8	Generation	5862.5	1512.2
Loads	20	Load	5770	991.9
Shunts	0	Shunt(inj)	-0	0
Branches	35	Losses	92.52	1599.91
Transformers	8	Branch Charging	-	1079.7
Inter-ties	1	1 Total Inter-tie Flow	0	27.8

  系统的有功损耗 92.52MW 与负荷消耗的 5770MW 之和等于 5862.52MW，恰好等于 8 台发电机输出的有功功率，符合实际情况，同时根据这个可以看出潮流计算的结果是正确的。
节点数据

• PV 节点的有功功率和电压幅值在潮流计算 中保持不变; 但值得注意的是，2号节点有功功率却变为 1272.52MW，原因是其在平衡系统功率时发生了变化 20号平衡节点的有功功率为 1272.52MW，在之前的功率设置范围（1500MW—0MW）内，因此 20 号节点设置为平衡节点是合理的。
• 无功补偿 0MVar 是各节点总和，表明这些节点起到了无功补偿的作用。

支路数据

  根据仿真数据可知，发电机节点的有功功率、负荷节点的有功功率和无功功率与设定的初值是一致的，所有的节点电压也都在设定的上下限之间。并且变压器的设置也起到了作用，节点电压并未发生越限，这也说明整体的 8 机 28 节点的电力系统设计较为合理。

  以上就是本次电力系统潮流计算仿真结果，希望通过本次的讲解能够加深大家对于Matpower仿真的理解。文章的内容可能存在部分不足之处，如有错误，请在评论区指出，谢谢。