[科普中国]-电力潮流

概述

电力潮流计算是检验现代电力系统的运行是否合理的依据，在未来进行电力系统扩展规划设计时起着极其重要的作用2。

潮流计算是电力系统分析中的一种最基本的计算，它的任务是对给定的运行条件确定系统的运行状态，如各母线上的电压（幅值及相角）、网络中的功率分布及功率损耗等3。潮流计算就是采用一定的方法确定系统中各处的电压和功率分布。电力系统的潮流计算和一般交流电路计算的根本差别在于：后者已知和待求的是电压和电流，而前者是电压和功率。正是这一差距决定了二者本质上的不同：描述交流电路特性的方程，如节点电压、回路电流方程，是线性方程，而描述电力系统稳态运行特性的潮流方程是非线性方程4。

配电网潮流运行特点及要求配电系统相对于输电系统来说，由于电压等级低、 供电范围小，但与用户直接相连，是供电部门对用户服务的窗口，因而决定了配电网运行有如下特点和基本要求：

（1）10kV 中压配电网在运行中，负荷节点数多，一般无表计实时记录负荷，无法应用现在传统潮流程序进行配电网的计算分析，要求建立新的数学模型和计算方法。

（2）随着铁道电气化和用户电子设备的大量使用，配电网运行中有大量的谐波源、 三相电压不平衡、电压闪变等污染，要求准确测量与计算配电网中的谐波分布，从而采取有效措施抑制配电网运行中的谐波危害。

（3）由于环保条件日趋严格的制约，要求配电网运行能制定不影响城市绿化、 防火、 防爆、 防噪音等技术和组织措施，以便减少配电网运行对环境的污染。

（4）随着用户对供电可靠性和电压质量指标的提高，还靠人工操作已无法适应，要求现代配电网运行不断提高自动化、 智能水平。

由于 “电能” 作为商品将进入市场竞争，要求各电力公司采用需求侧管理和用户电力技术，以降低配电网运行的线损和年运行费用，提高运行的经济性，从而降低配电成本，并积极协助用户搞好优化用电计划、 节约用电，推行战略节电和战略负荷开拓等积极措施，进一步提高对用户的服务质量和降低供电企业的成本，达到双方受益的目的4。

计算1. 研究状况

近年来，许多学者对配电网潮流计算展开大量的研究，并出现了许多计算配电网潮流的算法，主要有：回路阻抗法，改进牛顿法，快速解耦法，前推回代法等。虽然有些学者为使快速解偶法能在配电网得以继续应用而做了一些有益的尝试，如应用补偿技术处理R/X 较大的线路，但这些方法都使算法复杂化，丧失了快速解偶算法原有的计算量小，收敛可靠的特点。

潮流算法多种多样，但一般要满足四个基本要求：

I.可靠收敛；

II.计算速度快；

III.使用方便灵活；

IV.内存占用量少。

他们也是对潮流算法进行评价的主要依据。前推回代法在配电网潮流计算中简单实用，所有的数据都是以矢量形式存储，因此节省了大量的计算机内存，对于任何种类的配电网只要有合理的 R/X 值，此方法均可保证收敛。算法的稳定性也是评价配电网潮流算法的重要指标。一般情况下，算法的收敛阶数越高，算法的稳定性越差，前推回代法的收敛阶数为一阶，因此它也具有较好的稳定性。比较而言，前推回代法充分利用了网络呈辐射状的结构特点，数据处理简单，计算效率高，具有较好的收敛性，被公认是求解辐射状配电网潮流问题的最佳算法之一。

2.计算意义

配电网潮流计算是配电网网络分析的基础，配电网的网络重构、 故障处理、 无功优化和状态估计等都需要用到配电网的潮流数据。 由于配电网结构特点都是开环运行的，配电网呈辐射状，配电线路的电阻电抗比(R/X)较大，利用常规方法进行潮流计算会导致算法不收敛，而前推回代法是线性收敛的，解决了潮流计算收敛难的问题。 近年来，开发配电管理系统（DMS）成为人们研究的热点。 而配电网潮流计算作为 DMS 的高级应用软件之一，更是整个问题研究和分析的基础。

3.基本要求

配电网潮流计算一般要满足下例要求：

（1）可靠收敛；

（2）计算速度快；

（3）使用方便灵活，调整和修改容易，可满足工程上的需求；

（4）内存占用量少等。

由于配电网的收敛问题比较突出，因此对配电网的潮流算法进行评价时，首先看它能否可靠收敛，然后在此基础上可对计算提出进一步要求。

4.计算特点

电力系统潮流计算的研究自 1956 年由 J．B．Word 开始，至今历久不衰。从早期的高斯—塞德尔迭代法发展到牛顿—拉夫逊法，进而到国内外目前广泛采用的 PQ 分解法，人们已研究出了多种有效的潮流计算方法，然而这些一般都只适用于输电网络中，对于低压配电网络其应用效果并不显著，这是因为低压配电网与输电网不同，低压配电网网络拓扑呈辐射状，线路的 R /X 很高，一般而言，配电系统正常运行时呈树状结构。这些特点导致网络的雅克比矩阵的条件数变大，出现不同程度的病态特征，传统的潮流计算方法如牛顿 & 拉夫逊法及快速解偶法在计算配电网潮流时收敛效率不高。 配电网的网络呈辐射状，在正常运行时是开环的，只有在倒换负荷或发生故障时才有可能出现短时环网运行情况。 配电网的另一个特点是配电线路的总长度较输电线路要长且分支较多，配电线的线径比输电网细导致配电网的 R /X 较大，且线路的充电电容可以忽略。由于配电线路的 R /X 较大，无法满足 P、 Q 解耦条件 Gi 分析意义

(1)在电网规划阶段，通过潮流计算，合理规划电源容量及接入点，合理规划网架，选择无功补偿方案，满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。

(2)在编制年运行方式时，在预计负荷增长及新设备投运基础上，选择典型方式进行潮流计算，发现电网中薄弱环节，供调度员日常调度控制参考，并对规划、基建部门提出改进网架结构，加快基建进度的建议。

(3)正常检修及特殊运行方式下的潮流计算，用于日运行方式的编制，指导发电厂开机方式，有功、无功调整方案及负荷调整方案，满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。

(4)预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。

总结为在电力系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。同时，为了实时监控电力系统的运行状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。因此，潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算：在电力系统运行状态的实时监控中，则采用在线潮流计算5。