基于IEEE 14节点的电力系统最优潮流计算分析系统

资 源 简 介

该项目是一个专门用于电力系统研究和工程计算的MATLAB程序，其核心目的是解决在给定系统拓扑结构和负荷需求下的最优潮流（Optimal Power Flow, OPF）问题。程序以标准的IEEE 14节点电力系统为研究对象，通过建立复杂的非线性数学模型，在保证电网安全稳定运行的各项约束条件下，寻求系统运行的最经济性或最优性能指标。 该程序实现了对发电机组出力、变压器分接头位置以及无功补偿设备状态的联合自动优化。功能涵盖了基于极坐标形式的节点功率平衡方程构建，以及包括发电机有功/无功出力限制、各节点电压幅值

详 情 说 明

基于MATLAB的IEEE 14节点系统最优潮流计算分析系统

项目介绍

本项目是一个专门用于电力系统研究的计算分析平台，旨在解决标准IEEE 14节点系统下的最优潮流（Optimal Power Flow, OPF）问题。系统通过对发电机出力、节点电压以及系统潮流进行建模，在满足电网各项物理和技术约束的前提下，利用非线性优化算法寻找使系统总运行成本最低的运行方案。

功能特性

1. 建立标准的IEEE 14节点模型，包含14个节点、20条输电线路以及5台发电机组。
2. 实现基于二项式成本函数的发电机运行经济性优化。
3. 严格处理多种非线性约束，包括节点功率平衡方程、电压幅值限值、发电机出力限值及输电线路容量上限。
4. 提供详尽的计算数据报告，包括发电机出力状态、单个节点电压分布、功率损耗以及线路负载率。
5. 集成专业的图形化展示功能，通过多维度图表直观反映电网的运行状态。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将项目所在文件夹设置为当前工作路径。
3. 执行主控制程序脚本。
4. 程序将自动进行内点法迭代求解，并在控制台输出详细的运行数据。
5. 计算完成后，系统会自动弹出可视化分析界面，展示电压、功率分布及线路负载情况。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 必备工具箱：Optimization Toolbox（优化工具箱），用于调用fmincon求解器及其内点法算法。

实现逻辑与功能详情

1. 系统参数建模 程序初始化了标准的IEEE 14节点数据。节点类型涵盖平衡节点（Slack Bus）、PV节点和PQ节点。支路数据中定义了电阻、电抗、支路电纳以及变压器的可调分接头变比。此外，针对8号和9号节点，程序显式考虑了其电容补偿装置的并联电纳。

2. 导纳矩阵构建 程序根据支路参数构建复数导纳矩阵（Ybus）。在模型构建逻辑中，特别采用了考虑变压器变比的π型等值电路模型，确保了对含有变压器支路的节点功率注入计算的准确性。

3. 优化变量定义 系统将最优潮流问题转化为标准数学优化形式。优化变量（x）是一个高维向量，按顺序包含：

• 除平衡节点外的所有节点电压相角（Theta）。
• 所有节点的电压幅值（V）。
• 各发电机的有功出力（Pg）。
• 各发电机的无功出力（Qg）。

4. 目标函数构建 核心优化目标是最小化发电总成本。成本模型采用二次函数模型：C(Pg) = a*Pg^2 + b*Pg + c。程序通过对所有发电机组的有功出力进行累加，构造出全局目标函数。

5. 约束条件处理 程序内部将约束分为三类进行处理：

• 边界约束：通过设置变量的上下限（lb, ub），确保电压在标称范围（0.94 - 1.06 p.u.）内，且发电机出力不超限。
• 等式约束：基于克希荷夫定律构建非线性潮流方程，确保每个节点的注入有功/无功功率与负荷/发电机出力处于平衡状态。
• 不等式约束：计算每条支路的视在功率潮流，并确保其不超过支路的热稳定极限（容量上限）。

6. 算法实现细节 程序采用内点法（Interior Point Method）作为核心算法。求解过程中，系统通过计算拉格朗日函数的梯度以及约束条件的雅可比矩阵，在可行域内沿着最优路径进行迭代，直到满足设定的收敛精度（1e-6）或达到最大迭代次数。

7. 结果计算与后处理 求解完成后，程序执行以下转换计算：

• 将标幺值（p.u.）转换为工程实际单位（MW/MVar）。
• 根据最优状态变量计算全网总功率损耗（Ploss）。
• 计算各条支路的实际潮流及百分比负载率。

8. 可视化模块逻辑 主程序末尾集成了四个维度的可视化图表：

• 节点电压分布柱状图：展示各节点电压幅值并对比安全运行区间。
• 发电机有功分配图：展示各机组在最优方案下的有功负荷分担。
• 输电线路负载率图：使用火柴图（Stem）展示每条支路的负载饱和度，便于识别重载线路。
• 电压相角分布图：通过折线图反映电网各节点的相位偏移规律。