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学历

课题名称

负荷波动下的IEEE-30电力系统概率潮流计算

毕业设计（论文）类型（划√）

工程设计

应用研究

开发研究

基础研究

其他

一、 本课题的研究目的和意义：

电力系统负荷的波动分析的任务是根据影响稳定的主要随机因素的统计特性来确定系统的暂态稳定性概率指标，因此能够较为深刻地反映电力系统的实质。负荷的波动分析是电力系统稳定性分析从确定型到概率型的一次突破，是对传统确定型分析方法的重要补充，它在电力系统的规划与设计、运行与控制中均具有广阔的应用前景。　　　

对于电力系统控制问题而言，其主要目的是通过改善系统调节装置来提高系统稳定水平。目前控制器的设计一般都是针对某种条件进行，然后再在少数几种扰动条件下稳定校验。然而人们更关心控制器在整个运行范围内对各种扰动的效果。由于系统的运行条件及扰动具有随机性，在控制器设计及校验时若能计及这些影响将会使控制器具有良好的运行效果。

二、 文献综述（国内外研究情况及其发展）：

应用随机理论来描述这种不确定性，探讨相应的数学建模，计算机算法和实际应用，称为随机潮流（Probabilistic Load Flow,简写为PLF）研究，也称为随机潮流。采用随机潮流计算方法，输入数据为已知的随机变量，给定的是它们的随机统计特性（例如，给定节点注入功率的期望和方差或随机密度函数等），输出数据则是节点电压和支路潮流的统计特性，有期望值和方差或随机密度函数等。由这些结果，可以知道节点电压、支路功率、PV节点无功功率及平衡节点功率的平均值、取值范围以及其随机等。这样，只要通过一次计算就能为电力系统的运行条件提供更完备的信息，减少了大量的计算工作量。根据这些信息，可以更深刻地揭示系统运行状况、存在问题和薄弱环节，为规划与运行决策提供更全面的信息，可以更恰当地确定输电线和无功补偿装置的容量以及系统的备用容量等，从而提高了电力系统的安全运行水平。

1国外关于随机潮流计算的研究现状

把随机分析方法应用在电力系统的潮流研究上来最初是B.Borkowska在1974年提出来的。自从那以后，就有两种方法采用了随机分析方法来研究潮流问题：随机潮流方法和随机潮流方法。在随机潮流研究中，负荷和发电量在ti瞬间被看成随机变量。这种方法研究了这种不确定性在每个瞬间给传统的潮流计算结果带来的影响。因此，随机潮流方法可以处理短时间的不确定性，对系统运行很有用。因为本文是研究负荷和发电机的不确定性在一个很长时间内对输电网络的充裕性的影响，所以取了随机潮流的分析方法来进行系统规划研究。

蒙特卡罗仿真方法是一种可以获得状态变量和支路潮流的累积分布函数方法。这种方法是根据输入变量（节点注入的有功功率和无功功率）的随机分布情况进行多次取值，然后用确定性潮流计算方法依次根据这些被选择的输入变量的值来计算状态变量和支路潮流的值。最后，从多次的计算结果中统计状态变量和支路潮流的随机分布情况。为了获得有实际意义的结果，通常需要上千次的蒙特卡罗仿真计算。

以前学者认为，虽然蒙特卡罗仿真方法可以得到精确的结果，但是这种计算是非常的耗费时间的，因此蒙特卡罗方法不适合处理实际的系统。大多数研究者仅仅只是用它来和其它方法进行比较而已。卷积方法是另一种可以获得支路潮流累积分布函数的方法，已有参考文献[6]采用这种方法。通过应用线性化方法，状态变量和支路潮流被转换成输入变量的组合量。因此，假定所有的变量之间都是相互独立，卷积方法可以用来获得目标变量的随机密度函数。

传统的卷积方法将随机学中对随机变量累积分布函数的卷积计算公式作为算法的核心，其概念清晰，但计算工作量较大。因为等效持续负荷曲线（ELDC－Equivalent Load Duration Curve）是用离散点的函数值来描述的，为了保证计算的精确度，往往需要数以百计的离散点描述其持续负荷曲线；而每次卷积及反卷积计算都必须重新计算这些离散点的函数值，计算量相当大。并且，随着电力系统规模的扩大以及对水电机组和分段机组的考虑，这种采用递归卷积计算处理离散点的方法使计算量急剧上升，给随机生产模拟的实际应用带来很大困难。

为了克服上述生产困难，国内外学者提出了不少简化算法。例如：基于直流潮流模型下，计算支路的随机密度函数（Probabilistic Density Function－PDF）和累计分布函数（CumulativeDistribution Function－CDF）的方法。该方法结合了累积量和Gram-Charlier展开级数理论，通过综合的方法来计算支路的随机密度函数和累计分布函数。该方法避免了负责的卷积计算，取而代之的是简单的代数计算过程，这是由于半不变量所特有的性质决定的。并且，一次运行就可以得到支路的随机密度函数和累计分布函数。这种方法可以大大地减少存储空间，这是由于低阶的Gram-Charlier展开级数估计随机密度函数和累计分布函数有着足够高的精度。

多重线性化模拟算法。该模型假定负荷为正态分布的随机变量，认为节点注入功率要么相互独立的，要么为线性相关的随机变量，因而支路功率是节点注入功率的线性组合（当采用线性化潮流计算时），因此其随机分布可用随机理论中卷积公式计算。该方法存在的不足在于：（1）节点注入功率的相关性不易处理。这种相关性是极为复杂的，不局限于前面假设的两种最简单状态，它不仅受到随时间、空间分布变化的负荷影响，并且受到系统调度决策（如机组组合、经济运行、发电再调度、电力市场中的阻塞管理、输电开放等）影响。

[7] 倪以信，陈寿孙，张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京：清华大学出版社，2002.

[8] 夏道止.电力系统分析(下)[M].北京：中国电力出版社，1998.

[9] McCalley J D, Vittal V, Abi-Samra N. An Overview of Risk Based Security Assessment [C]. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，1999，1：8-22.

[10] 陆波，唐国庆.基于风险的安全评估方法在电力系统中的应用[J].电力系统自动化.2000，22：61-64.

[11] 鞠平，吴耕扬，李扬.电力系统概率稳定的基本定理及算法[J].中国电机工程学报，1991，11(6)：17-25.

（2）采用卷积计算需要将潮流方程在假定的负荷点附近线性化，由于负荷变化的不确定性，这种线性化会导致较大的误差。（3）没有考虑网络拓扑结构的随机变化。实际上，网络的计划检修和随机故障均可导致线路停运，进而对系统潮流分布有着显著影响。

2国内关于随机潮流计算的研究现状

　　我国进行电网规划时，大部分沿用的仍是传统的确定性潮流分析方法，随机潮流分析方法应用不多，为使制定的电网规划方案更具合理性，应拓展这方面的应用研究。

　　　针对目前随机潮流算法在处理节点功率间变化的相关性、网络拓扑随机变化及评价指标方面的不足，提出了一种基于蒙特卡罗模拟的随机潮流算法，采用K均值聚类负荷模型，考虑了发电和输电元件的故障停运和检修停运，并在网络模型中计及继电保护和重合闸等二次元件故障的影响，建立了较为完整的评估指标体系，从而在随机潮流的实用化方面取得了显著进展。

　　　研究了分布式发电中的风力发电和太阳能发电的随机出力对配电系统电压质量的影响，建立了风力发电和太阳能发电的随机分析模型，将此模型引入到接有分布式发电的IEEE14配电系统中进行随机潮流计算，得到了节点电压随机密度曲线及系统年期望电压越限小时数。文中还将风力－太阳能混合发电系统与单独风力发电系统进行比较，得出前者更有利于提高系统电压质量的结论。

　　　析比较了现有的网损计算方法，提出了随机网损的新的分析方法，并将随机潮流方法应用于随机网损的分析计算，详细阐述了具体的实现过程并将该方法进一步应用于电力市场转运网损（过网网损）的分析计算。此外，还提出采用随机模拟技术来安排发电计划的方法，揭示了电力市场发电竞价的随机性。

　　　新的较实用的方法求解随机潮流问题。在数学模型中保留了潮流方程的非线性，同时又结合了线性化的因素，因而数学模型的精确度和适应性都有所提高。用该文提出的方法对几个系统进行了试算，并用蒙特卡罗随机模拟验证了计算结果，同时将该方法与其它方法作了比较。

　　　将随机潮流与二阶连续潮流（QCPF）相结合，在QCPF计算中考虑负荷变化的彼此相关性。节点电压取直角坐标形式，确定了二阶随机连续潮流（PCPF）的相关算式。在正态分布的正负四个标准差内，由求得的各点电压的分布特性，确定出PV曲线的分布范围，所得算法在IEEE57节点的标准算例上进行了分析。

　　　将蒙特卡罗模拟法和灵敏度分析法相结合，以直流潮流为基础，建立了输电系统可用传输能力（ATC）计算的随机模型。应用蒙特卡罗模拟法合理考虑了输电系统中的不确定性因素，应用灵敏度分析法快速计算了输电系统ATC，两者结合，不仅可以得到ATC的数学期望及其随机分布，还可以得到影响输电系统ATC的主要因素，反映输电系统的薄弱点，为输电系统的规划和电力交易商的商业行为提供决策依据。测试系统的计算结果说明了该算法的正确性和有效性。

参考文献

[1] 陈珩.电力系统稳态分析（第三版）[M].北京：水利电力出版社，1995年.

[2] 李光琦.电力系统暂态分析[M].北京：水利电力出版社，1994年.

[3] Billinton R，Kuruganty P R S．A probabilistic index for transient stability[J]．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1980,PAS-99(1)：195-206．

[4] 赵遵廉.中国电网的发展与展望[J].中国电力，204，37(1)：1-6.

[5] 韩英铎，姜齐荣，谢小荣，等.从美加大停电事故看我国电网安全稳定对策的研究[J].电力设备，2004，5(3)：8-12.

[6] 王建芬，钟天祥，王作葵，等.中国能源网：焦点跟踪一大停电[EB/OL]. http://www.china5e.com/focus.php?type=poweroff

[7] 倪以信，陈寿孙，张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京：清华大学出版社，2002.

[8] 夏道止.电力系统分析(下)[M].北京：中国电力出版社，1998.

[9] McCalley J D, Vittal V, Abi-Samra N. An Overview of Risk Based Security Assessment [C]. IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，1999，1：8-22.

三、 本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：

1、研究内容

通过matlab编程实现对PSAT的反复调用；                                           

在一定的负荷概率分布下，采取蒙特卡罗模拟的方式对IEEE-30节点系统进行多次潮流计算；

计算节点电压和支路潮流的统计特征，得出节点电压与支路潮流的概率分布；

2、成果形式

程序源代码                                                                     

计算结果的概率分布图

毕业论文

四、 拟解决的关键问题：

   概念潮流的编制、PSAT接口的编制,阐述电力系统暂态稳定分析计算的数学实质，介绍暂态稳定性分析的蒙特卡罗仿真法。

五、 研究思路、方法和步骤：

1. 采用PSAT仿真工具中的潮流计算软件计算系统潮流；

1) 熟悉PSAT仿真工具的功能；

2) 掌握IEEE标准数据格式内容；

3) 将IEEE标准数据转化为PSAT计算数据；

2. 分别采用NR法和PQ分解法计算潮流，观察NR法计算潮流中雅可比矩阵的变化情况，分析两种方法计算潮流的优缺点；

3. 分析系统潮流情况，包括电压幅值、相角，线路过载情况以及全网有功损耗情况。

4. 计算IEEE30节点电网各节点电压和线路潮流的统计特征和分布.

六、 本课题的进度安排：

2.25-3.24 查阅资料、完成综述和翻译

3.25-4.10 熟悉Matlab工具箱PSAT的用法

    4.11-4.30 编程实现对PSAT的调用、负荷波动的模拟和最终结果的计算

    5.15-5.31 论文撰写

    6.1-6.14  准备答辩