[科普中國]-電力潮流

概述

電力潮流計算是檢驗現(xiàn)代電力系統(tǒng)的運行是否合理的依據(jù)，在未來進行電力系統(tǒng)擴展規(guī)劃設計時起著極其重要的作用2。

潮流計算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計算，它的任務是對給定的運行條件確定系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如各母線上的電壓（幅值及相角）、網(wǎng)絡中的功率分布及功率損耗等3。潮流計算就是采用一定的方法確定系統(tǒng)中各處的電壓和功率分布。電力系統(tǒng)的潮流計算和一般交流電路計算的根本差別在于：后者已知和待求的是電壓和電流，而前者是電壓和功率。正是這一差距決定了二者本質上的不同：描述交流電路特性的方程，如節(jié)點電壓、回路電流方程，是線性方程，而描述電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行特性的潮流方程是非線性方程4。

配電網(wǎng)潮流運行特點及要求配電系統(tǒng)相對于輸電系統(tǒng)來說，由于電壓等級低、 供電范圍小，但與用戶直接相連，是供電部門對用戶服務的窗口，因而決定了配電網(wǎng)運行有如下特點和基本要求：

（1）10kV 中壓配電網(wǎng)在運行中，負荷節(jié)點數(shù)多，一般無表計實時記錄負荷，無法應用現(xiàn)在傳統(tǒng)潮流程序進行配電網(wǎng)的計算分析，要求建立新的數(shù)學模型和計算方法。

（2）隨著鐵道電氣化和用戶電子設備的大量使用，配電網(wǎng)運行中有大量的諧波源、 三相電壓不平衡、電壓閃變等污染，要求準確測量與計算配電網(wǎng)中的諧波分布，從而采取有效措施抑制配電網(wǎng)運行中的諧波危害。

（3）由于環(huán)保條件日趨嚴格的制約，要求配電網(wǎng)運行能制定不影響城市綠化、 防火、 防爆、 防噪音等技術和組織措施，以便減少配電網(wǎng)運行對環(huán)境的污染。

（4）隨著用戶對供電可靠性和電壓質量指標的提高，還靠人工操作已無法適應，要求現(xiàn)代配電網(wǎng)運行不斷提高自動化、 智能水平。

由于 “電能” 作為商品將進入市場競爭，要求各電力公司采用需求側管理和用戶電力技術，以降低配電網(wǎng)運行的線損和年運行費用，提高運行的經(jīng)濟性，從而降低配電成本，并積極協(xié)助用戶搞好優(yōu)化用電計劃、 節(jié)約用電，推行戰(zhàn)略節(jié)電和戰(zhàn)略負荷開拓等積極措施，進一步提高對用戶的服務質量和降低供電企業(yè)的成本，達到雙方受益的目的4。

計算1. 研究狀況

近年來，許多學者對配電網(wǎng)潮流計算展開大量的研究，并出現(xiàn)了許多計算配電網(wǎng)潮流的算法，主要有：回路阻抗法，改進牛頓法，快速解耦法，前推回代法等。雖然有些學者為使快速解偶法能在配電網(wǎng)得以繼續(xù)應用而做了一些有益的嘗試，如應用補償技術處理R/X 較大的線路，但這些方法都使算法復雜化，喪失了快速解偶算法原有的計算量小，收斂可靠的特點。

潮流算法多種多樣，但一般要滿足四個基本要求：

I.可靠收斂；

II.計算速度快；

III.使用方便靈活；

IV.內存占用量少。

他們也是對潮流算法進行評價的主要依據(jù)。前推回代法在配電網(wǎng)潮流計算中簡單實用，所有的數(shù)據(jù)都是以矢量形式存儲，因此節(jié)省了大量的計算機內存，對于任何種類的配電網(wǎng)只要有合理的 R/X 值，此方法均可保證收斂。算法的穩(wěn)定性也是評價配電網(wǎng)潮流算法的重要指標。一般情況下，算法的收斂階數(shù)越高，算法的穩(wěn)定性越差，前推回代法的收斂階數(shù)為一階，因此它也具有較好的穩(wěn)定性。比較而言，前推回代法充分利用了網(wǎng)絡呈輻射狀的結構特點，數(shù)據(jù)處理簡單，計算效率高，具有較好的收斂性，被公認是求解輻射狀配電網(wǎng)潮流問題的最佳算法之一。

2.計算意義

配電網(wǎng)潮流計算是配電網(wǎng)網(wǎng)絡分析的基礎，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡重構、 故障處理、 無功優(yōu)化和狀態(tài)估計等都需要用到配電網(wǎng)的潮流數(shù)據(jù)。 由于配電網(wǎng)結構特點都是開環(huán)運行的，配電網(wǎng)呈輻射狀，配電線路的電阻電抗比(R/X)較大，利用常規(guī)方法進行潮流計算會導致算法不收斂，而前推回代法是線性收斂的，解決了潮流計算收斂難的問題。 近年來，開發(fā)配電管理系統(tǒng)（DMS）成為人們研究的熱點。 而配電網(wǎng)潮流計算作為 DMS 的高級應用軟件之一，更是整個問題研究和分析的基礎。

3.基本要求

配電網(wǎng)潮流計算一般要滿足下例要求：

（1）可靠收斂；

（2）計算速度快；

（3）使用方便靈活，調整和修改容易，可滿足工程上的需求；

（4）內存占用量少等。

由于配電網(wǎng)的收斂問題比較突出，因此對配電網(wǎng)的潮流算法進行評價時，首先看它能否可靠收斂，然后在此基礎上可對計算提出進一步要求。

4.計算特點

電力系統(tǒng)潮流計算的研究自 1956 年由 J．B．Word 開始，至今歷久不衰。從早期的高斯—塞德爾迭代法發(fā)展到牛頓—拉夫遜法，進而到國內外目前廣泛采用的 PQ 分解法，人們已研究出了多種有效的潮流計算方法，然而這些一般都只適用于輸電網(wǎng)絡中，對于低壓配電網(wǎng)絡其應用效果并不顯著，這是因為低壓配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)不同，低壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲呈輻射狀，線路的 R /X 很高，一般而言，配電系統(tǒng)正常運行時呈樹狀結構。這些特點導致網(wǎng)絡的雅克比矩陣的條件數(shù)變大，出現(xiàn)不同程度的病態(tài)特征，傳統(tǒng)的潮流計算方法如牛頓 & 拉夫遜法及快速解偶法在計算配電網(wǎng)潮流時收斂效率不高。 配電網(wǎng)的網(wǎng)絡呈輻射狀，在正常運行時是開環(huán)的，只有在倒換負荷或發(fā)生故障時才有可能出現(xiàn)短時環(huán)網(wǎng)運行情況。 配電網(wǎng)的另一個特點是配電線路的總長度較輸電線路要長且分支較多，配電線的線徑比輸電網(wǎng)細導致配電網(wǎng)的 R /X 較大，且線路的充電電容可以忽略。由于配電線路的 R /X 較大，無法滿足 P、 Q 解耦條件 Gi 分析意義

(1)在電網(wǎng)規(guī)劃階段，通過潮流計算，合理規(guī)劃電源容量及接入點，合理規(guī)劃網(wǎng)架，選擇無功補償方案，滿足規(guī)劃水平的大、小方式下潮流交換控制、調峰、調相、調壓的要求。

(2)在編制年運行方式時，在預計負荷增長及新設備投運基礎上，選擇典型方式進行潮流計算，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中薄弱環(huán)節(jié)，供調度員日常調度控制參考，并對規(guī)劃、基建部門提出改進網(wǎng)架結構，加快基建進度的建議。

(3)正常檢修及特殊運行方式下的潮流計算，用于日運行方式的編制，指導發(fā)電廠開機方式，有功、無功調整方案及負荷調整方案，滿足線路、變壓器熱穩(wěn)定要求及電壓質量要求。

(4)預想事故、設備退出運行對靜態(tài)安全的影響分析及作出預想的運行方式調整方案。

總結為在電力系統(tǒng)運行方式和規(guī)劃方案的研究中，都需要進行潮流計算以比較運行方式或規(guī)劃供電方案的可行性、可靠性和經(jīng)濟性。同時，為了實時監(jiān)控電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，也需要進行大量而快速的潮流計算。因此，潮流計算是電力系統(tǒng)中應用最廣泛、最基本和最重要的一種電氣運算。在系統(tǒng)規(guī)劃設計和安排系統(tǒng)的運行方式時，采用離線潮流計算：在電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控中，則采用在線潮流計算5。