基于连续潮流法的电力系统电压稳定与最优潮流分析软件

资 源 简 介

该项目旨在提供一套完整的电力系统静态电压稳定分析工具，主要采用连续潮流算法。该算法通过引入负荷增加因子作为连续参数，利用预测-校正过程有效解决了常规牛顿-拉夫逊法在电压崩溃点附近因雅可比矩阵奇异而无法收敛的问题。系统通过切线预测和局部参数化方法，能够平滑且精确地追踪PV曲线（电压-功率曲线），从而准确识别系统的最大负载极限和静态电压稳定临界点。此外，本项目还集成了最优潮流（Optimal Power Flow, OPF）计算功能，在确保系统具备足够电压稳定裕度的前提下，以发电成本最小化或系统网损最小化为目

详 情 说 明

电力系统静态电压稳定分析与最优潮流优化软件说明文档

项目介绍

本项目是一款专为电力系统静态安性分析设计的计算仿真工具。软件集成了连续潮流（Continuation Power Flow, CPF）与最优潮流（Optimal Power Flow, OPF）两大核心功能，旨在评估电力系统的电压稳定性并优化系统的运行效率。通过对IEEE 9节点系统的建模与仿真，该工具能够有效追踪电力系统的电压-功率（PV）曲线，识别系统在负荷增长过程中的最大承载能力及其电压崩溃点。同时，软件利用优化算法在满足电压安全约束的前提下，实现系统总网损的最小化，为电网规划和调度提供科学决策依据。

功能特性

1. 静态电压稳定评估：利用连续潮流算法，通过逐步增加系统负荷因子来探测系统的功率极限，能够克服传统潮流算法在极限点处不收敛的问题。
2. PV曲线追踪与可视化：自动记录并绘制关键PQ节点（如5、7、9号节点）的电压随负载因子变化的曲线，直观展现系统电压稳定性的演变过程。
3. 最优潮流优化控制：采用序列二次规划（SQP）算法对发电机出力和各节点电压进行全局优化，目标是降低电力传输过程中的有功损耗。
4. 负荷预测与增长模拟：支持按比例改变PQ节点的有功及无功负荷，模拟实际电网中的负荷增长趋势。
5. 详细数据报表：自动生成包含负载裕度（Loading Margin）、崩溃点电压分布、优化后发电机出力及节点电压状态的综合分析报告。

系统实现逻辑

软件的核心执行流程分为数据初始化、稳定性分析、运行优化和结果呈现四个阶段：

1. 环境初始化与建模：

系统首先加载标准IEEE 9节点模型数据。这包括包含平衡节点、PV节点和PQ节点在内的节点参数（电压、负荷、出力限制）以及支路参数（阻抗、纳子）。随后，计算模块会基于支路参数自动构建节点导纳矩阵。

1. 连续潮流（CPF）分析逻辑：

该模块采用“预测-校正”循环机制，直至检测到系统崩溃：

• 切线预测步：计算当前运行点下的切线向量，确定负荷增长和电压变化的预测方向。
• 牛顿校正步：在预测方向的基础上，通过迭代修正电压幅值和相位，使系统状态重新回归到功率平衡方程的解空间内。
• 步长控制与终止控制：系统根据收敛速度动态调整步长。当检测到负载因子由于电压崩溃而开始减小时，程序自动锁定最大负载极限点并提取临界电压状态。

1. 最优潮流（OPF）优化逻辑：

在静态稳定的基础上，系统调用非线性规划求解器进行运行优化：

• 决策变量：包括非平衡节点的电压相角、所有节点的电压幅值以及发电机的有功出力。
• 目标函数：建立以系统总网损（基于支路电导和节点电位差计算）最小化为目标的数学模型。
• 约束条件：严格执行节点功率平衡等式约束，以及电压安全范围（0.9 p.u. - 1.1 p.u.）和发电机容量限额的不等式约束。

1. 结果输出与可视化：

计算结束后，系统会提取CPF过程中的历史轨迹数据，绘制PV曲线图，并标识出电压崩溃的临界负荷点。同时，在命令行输出详细的优化参数报告。

算法与关键函数分析

• 节点导纳矩阵构建模块：负责将支路电阻、电抗和对地支路电纳转换为复杂的导纳矩阵，这是所有潮流计算的数学核心。
• 雅可比矩阵（Jacobian）计算模块：手动实现了功率方程对电压和相角的偏导数求解。该矩阵不仅用于CPF的预测步获取切线方向，还用于校正步的收敛计算。
• 预测-校正迭代循环：这是实现PV曲线完整追踪的关键。通过引入参数化技术，绕过了常规潮流法在Jacobian矩阵奇异点处无法求逆的技术难题。
• 功率偏差（Mismatch）评估：实时计算P与Q的计算值与目标值（含负载因子增量）之间的差距，作为收敛判断的依据。
• 网损目标函数模型：基于节点性质，利用导纳矩阵的实部（电导）计算全网的有功功率总损耗，用于指导OPF的优化方向。

使用方法

1. 启动仿真：在MATLAB环境下运行主函数脚本。
2. 观察过程：

- 软件首先会执行CPF计算，控制台将显示计算进度。 - 随后执行OPF优化，求解器将搜索最优运行点。

1. 数据读取：

- 在生成的图形窗口中观察Bus 5, 7, 9的PV曲线，红色的箭头将自动标识出系统崩溃的临界位置。 - 在MATLAB控制台查看详细的计算结果报告，包括最大负载倍数、最小网损及优化后的电力分配方案。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 必要工具箱：必须安装 MATLAB Optimization Toolbox（优化工具箱），用于执行最优潮流中的 fmincon 非线性规划算法。
• 硬件配置：通用计算机即可满足计算需求，IEEE 9节点系统的计算通常在数秒内完成。