基于 MATLAB 和 App Designer 的 UI 交互框架开发的一款电力系统潮流计算工具
文章目录
- [基于 MATLAB 和 App Designer 的 UI 交互框架开发的一款电力系统潮流计算工具](#基于 MATLAB 和 App Designer 的 UI 交互框架开发的一款电力系统潮流计算工具)
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- 一、软件介绍
- 二、软件功能
- 2、潮流作业设置
- [3、 潮流结果报表及可视化](#3、 潮流结果报表及可视化)
- [三、 软件设计思路](#三、 软件设计思路)
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- [1 、牛顿拉夫逊法潮流计算](#1 、牛顿拉夫逊法潮流计算)
- [2、 PQ 分解法潮流计算](#2、 PQ 分解法潮流计算)
- [3、 数据预处理](#3、 数据预处理)
- [4、 结果可视化](#4、 结果可视化)
- 5、连续潮流计算分析
- [6、UI 交互设计](#6、UI 交互设计)
- [四、 算例及测试结果](#四、 算例及测试结果)
- 五、源程序及测试数据下载
一、软件介绍
本工具是一款面向初学者的电力系统潮流仿真工具，数据输入格式和操作方法与 PSASP 电力系统分析软件类似，但功能更加精简，专注于电力系统潮流计算。目前软件可支持常规潮流计算（PQ 分解法、牛顿拉夫逊法）功能、潮流计算结果输出报表功能和连续潮流计算分析功能。目前软件已在 WSCC9 节点系统进行测试，潮流计算结果与 PSASP 相比，误差在 1e-4~1e-5 数量级左右，此计算精度证明了软件后端代码的正确性。
软件后端基于 MATLAB 开发，自定义函数包括 PQ 分解法、牛顿拉夫逊法潮流计算函数、节点导纳矩阵生成函数、数据预处理函数等。软件前端采用 MATLAB App Designer 工具设计，利用系统控件回调函数实现 UI 互。
二、软件功能
1、数据输入
在软件主界面左侧栏可以输入系统数据信息，包括母线信息（母线名称、基准电压、节点类型）、交流线信息（交流线名称、I、J 两侧连接母线名称、交流线阻抗参数和对地导纳参数）、变压器信息（变压器名称、I、J 两侧连接母线名称、变压器变比、阻抗参数）、发电机信息（发电机名称、所连接母线名称、有功出力和机端电压）、负荷信息（负荷名称、所连接母线名称、有功和无功消耗）。此外，与 PSASP 软件不同的是，PowerFlower 在系统数据信息输入方面还包括转移节点信息，转移节点是一类没有注入功率的节点，一般是发电机升压变压器的高压侧母线，在 PowerFlower 的计算中视为 P=0，Q=0 的 PQ 节点。节点（母线）信息输入:在左下角输入母线名称、基准电压、节点类型，点击确定按钮，输入信息将在系统数据信息中的母线表格中呈现，可以检查输入是否正确。
2、潮流作业设置
在软件主界面中间侧单线图下方可定义潮流作业，设置信息有计算电压上限、计算电压下限、计算方法、最大允许误差、最大迭代上限。当计算过程中电压超过上下限时，将停止迭代。计算方法可选择 PQ_DeCoupled（PQ 分解法）或 Newton（牛顿法），PQ 分解法的计算速度较快，但所用迭代次数相比于 Newton 法更多。其中最大允许误差可控制潮流计算结果的精度，最大允许误差越小，精度越高，但计算代价更大。当程序达最大迭代次数上限时，如果计算结果仍不满足精度要求，则跳出迭代，认为此次潮流作业不收敛，数据存在较大的错误。
3、 潮流结果报表及可视化
完成潮流作业设置后，选择确定按钮，即可开始潮流计算。若潮流计算结果正确收敛，则跳出弹框显示潮流计算用时，如图 所示，如果潮流计算未能正常收敛，迭代次数已达到最大迭代上限，则跳出警告弹窗。
当潮流计算作业完成后，可选择主界面右侧结果输出报表按钮，潮流计算结果将在右侧表格中显示，目前仅设置了母线和交流线潮流报表。同时，节点（母线）电压幅值和相角计算结果将在主界面中间的系统单线图中呈现。
三、 软件设计思路
1 、牛顿拉夫逊法潮流计算
牛顿拉夫逊法的潮流计算主要由函数 powerFlowNewtonCalcu.m 实现，其中函数的输入包括总节点数量、PQ 节点数量、PV 节点数量、Slack 节点数量、节点电压初值、节点相角初值、节点导纳矩阵的实部虚部、初始给定有功和无功功率以及容许的最大误差，输出为节点电压赋值和相角的终值以及每次迭代过程中的节点电压赋值及相角的值，反映迭代过程。
2、 PQ 分解法潮流计算
PQ 分解法的潮流计算主要由函数 powerFlowPQCalcu.m 实现，其中函数的输入包括总节点数量、PQ 节点数量、PV 节点数量、Slack 节点数量、节点电压初值、节点相角初值、节点导纳矩阵的实部虚部、初始给定有功和无功功率以及容许的最大误差，输出为节点电压赋值和相角的终值以及每次迭代过程中的节点电压赋值及相角的值，反映迭代过程。
程序设计总体思路与牛顿拉夫逊法类似，不同的是，牛顿拉夫逊法需要求解的线性方程组的系数矩阵（雅可比矩阵）是随着迭代过程而变化的，PQ 分解法需要分别求解两组系数矩阵（B' B"）固定不变的线性方程组。由于需要反复求解系数矩阵固定的线性方程组，考虑算法速度的情况下，可以采用 LU 分解的方法提高算法度。
3、 数据预处理
数据预处理的作用是通过软件输入信息获得总节点数量、PQ 节点数量、PV 节点数量、Slack 节点数量、节点电压初值、节点相角初值信息，同时由于用户输入不能确保按照 PQ 节点、PV 节点、平衡节点的顺序输入，而在之后的潮流计算中又按照 PQ节点、PV 节点、平衡节点的顺序形成修正方程式(8)和(16)，因此还需要对用户输入的节点（母线）信息进行排序。
4、 结果可视化
潮流计算结果包括节点电压幅值和相角信息、交流线上的有功潮流和无功潮流信息。可以采用报表输出和显示在单线图中两种方式进行展示。系统单线图绘制采用 graph 函数，可以通过输入节点对构造图，也就是交流线的I 侧连接母线和 J 侧连接母线的信息。在 graph 构造的图中可以对节点进行标注，从而可以用来显示节点电压幅值和相角信息。同时，可以通过 MATLAB 内置的 writematrix 函数将节点电压幅值和相角信息写入 txt 文本文件。
5、连续潮流计算分析
连续潮流计算分析包括观察调整发电机有功出力、调整负荷有功或无功消耗等措施对潮流的影响。由于单次潮流计算由函数 powerFlowPQCalcu 或 powerFlowNewtonCalcu 控制，因此只需要借助 for 循环，每次循环开始时按设置的步长更新系统参数，即可得到连续潮流结果。连续潮流结果的绘制借助 matlab 的绘图工具包完成。
6、UI 交互设计
MATLAB AppDesigner 工具可以实现由源码到 App 的设计，从而使得程序具有可交互性。AppDesigner 是一种面向对象的开发方式，其中 UI 交互界面的设计可以通过AppDesigner 软件左侧的组件以拖拽的方式形成软件主界面。当拖拽组件到主界面时，MATLAB 自动为该组件类创建了一个对象，一般会包含位置、字体和颜色、交互性等属性，可以通过编写回调函数(BackCall Function)实现交互功能。
四、 算例及测试结果
本程序中采用 WSCC9 节点系统作为测试算例，从计算精度、计算速度方面与PSASP 软件计算结果对比，并 进行 WSCC9 节点系统潮流分析。
五、源程序及测试数据下载
源程序及测试数据下载地址：基于 MATLAB 和 App Designer 的 UI 交互框架开发的一款电力系统潮流计算工具