基于C语言的复杂电力系统潮流计算研究

摘 要：目前大多数各类工科院校的非算机专业将C语言作为计算机基础课程后继的必修计算机语言课，将C语言应用融合于非算机专业的各项基础性研究势在必行。本文作者针对C语言应用在复杂电力系统的潮流计算展开研究，提出了不同类型的复杂电力系统的潮流计算C语言实现的思路和方向。

关键词：C语言；复杂电力系统；潮流计算

0    引言

C语言是目前使用最广泛的计算机语言之一，我国大多数各类工科院校的计算机专业类首选C语言作为算法理论研究课程的基础计算机语言使用，很多工科院校的非算机专业将C语言作为计算机基础课程后继的必修计算机语言课，将C语言应用融合于非算机专业的各项基础性研究势在必行。复杂电力系统的潮流计算属于电力系统正常运行中的重要计算之一，虽然Matlab类软件对复杂电力系统的潮流计算日趋成熟，但其计算矩阵简单直观的特点，使得相关研究人员对研究算法本质存在过于淡化的现象，随着电力系统发展的不断扩大，潮流计算的复杂性将日益增大，其特点是必会不利于通用性和开放式软件在复杂电力系统的潮流计算的发展。基于C语言的复杂电力系统潮流计算研究可以有效的弥补这一特点，同时对于高校强电类专业更好的适应新时代电力行业智能化、信息化和数字化的发展方向。

1    研究背景

电力系统在正常运行时，因为系统中负荷是不断变化的，所以电力系统运行的相关参数也是不断变化的。这些参数有电压、频率、有功功率、无功功率、功率因数等。若这种变化在允许范围内，可以通过改变电力系统的运行方式来响应这类变化，这时的响应不需要进行对负荷停电处理，中需要相应的调节电压和功率处理。若这种变化超出了允许范围，例如出现严重的三相短路现象，这时电力系统就根据继电保护装置的整定设置，及时的切除相关故障。另一方面由于经济的发展，系统的负荷会不断增加，需要对电力系统作合理规划和经济运行分析。以上的这些基础的数据必需由电力系统的潮流计算来完成。潮流计算的核心是通过正确的方法精准的确定电力系统中各处的电压和功率分布。这样的方法就是通常意义的算法。

    在计算机各类语言中，C语言的可移植性较好，从某种意义上来说，C语言是界于汇编语言和其他高级计算机语言之间的中级语言。在电类工程应用中，C语言可以直接使用在单片机或嵌入式芯块的编程中。这类设备广泛应用于电力系统的自动化技术之中。作为高级语言的C语言在计算编程方面优势明显，将其运用于电力系统潮流计算，可以使电力工程技术人员直观的研究核心算法，适应电力系统的新变化要求。

2    C语言中二维使用数组、定义矩阵、求解方程组

利用C语言的二维数组功能可以方便的定义矩阵，利用矩阵计算求解线性方程组和非线性方程组。编写程序流程图，构建计算的主程序模块，同时以子函数的形式建不同功能的子程序模块。主程序模块中以双精度变量为主，局部变量与全局变量相结合。根据实际的情况定义相应的指针变量，相应考虑节省内存空间。

依据复杂电力系统潮流算法，在计算求解线性方程组时，利用多重循环实现不同变量 个数的方程组对应矩阵。在计算求解非线性方程组时，以牛顿-拉夫逊法为例，找到计算偏微分的对应计算式，寻求利用函数的递归调用，解决迭代问题。

3    复杂电力系统潮流计算的类型

3.1  短距离电网：

当电力系统的供电距离在100公里以内时，整个线路中每一相对地的等效电容非常小，在工程实际中可以忽略不计，形成的复杂电网，在其等值电路中，只计为等效阻抗。当列出潮流计算公式时，方程中已知量的个数和方程数是匹配的。可以作为线性方程组来处理。但有时候如果未知量（主要在相关节点对应的有功功率和无功功率数不足时）较多是，只能做为非线性方程组处理。

3.2  长距离电网：

当电力系统的供电距离在超过300公里时，整个线路中每一相的参数的分布特性就需要计算，在计算时必需完成阻抗和导纳的П形等值电路。由于供电线路较长，因此，方程中已知量的个数和方程数不匹配，方程组应该作非线性组处理。

4    算法

电力系统实际运行中，一般采用每个节点的功率来确定电压关系式。根据已知量不同，有三种类型节点：第一种已知有功功率和无功功率为定值的，节点电压幅值和相位角为所求量；第二种有功功率和电压值为定值的，节点的无功功率和电压的相位角为所求量；第三种电压幅值和电压相位角为定值的，有功功率和无功功率为所求量。

所涉及的方程组类型有以下两种：第一类线性方程组，可以利用不同矩阵来进行求解，求解的过程是矩阵运算的过程。第二类非线性方程组，主要是采用以下两种方式求解：

4.1  牛顿-拉夫逊法潮流计算：

 先确定所需计算的复杂电网三类节点的各数，上述的第三种节点，电压为定值，因此不参与迭代计算；第一种节点则每个节点需要两个迭代方程，当这种节点出现电压越限时，则考试将其作为第二种节点处理。这时，无功功率和电压的相位角待求（此时应设定这两个值的初值），只需要一个有功功率的增量作为迭代方程量。

  各类型的迭代方程，为带两个变量偏导的多阶矩阵，通过化简可得到雅可比矩阵，进行多次迭代后，每次形成新的不同的雅可比矩阵，一般五次以上的迭代计算之后可以满足要求。

4.2  P—Q分解法潮流计算：

 根据以上的牛顿-拉夫逊法，采用混全坐标形成，以有功功率误差作修下电压相理角度的标准。主要是将有功功率的迭代和无功功率的迭代分开进行。节点电压的相位决定有功功率，节点电压的幅值决定无功功率。将修正方程分解成两个低阶修正方程。

 牛顿-拉夫逊法一般适合大规模电力系统的潮流计算，P—Q分解法一般适合小规模电力系统的潮流计算。前者的计算收敛速度随着迭代次数的增加，行慢后快；后者的收敛速度呈匀速变化。对于大规模电网而言，可以同时使用这两种方法，计算初期，采用P—Q分解法，迭代几次以后再换成牛顿-拉夫逊法，这样做可以能极大的发挥这两种方法的优点，进而有效提高潮流计算的效率和精度。

4.3 以上两种计算方法的C语言编程实现

N-S流程图（简图）如下：

5 结论与展望

目前C语言的相关软件系统中，程序所需要的图形界面的对于非计算专业人员编写比较困难，考虑利用VB制作图形界面进行相应的扩展满足使用者的要求。VB制作图形界面比C语言更易使非计算专业人员掌握。可以将原理的作为重点，利用C语言的成形算法，在迭代次数少的情况下，转换为VB程序，增加图形界面的友好性和互动性，从而提高相关学习者的理解能力。

参考文献：

[1] 赵恩来，胡雨，郭俊等．考虑负荷电压静特性和PV节点的配电网线性化潮流计算[J]．电气传动，2024第54卷第5期:56-63．

[2] 王思奇，梁智娴，王致杰等．基于潮流和复杂网络理论的综合能源系统关键环节识别[J]．电力科学与技术学报，2024年5月第39卷第3期:242-252．

[3] 周鲜鲜，曹雪能，穆宽林等．新工科背景下C语言教学改革研究[J]．电力科学与技术学报，2024年5月第40卷第5期:111-114．

[4] 黄蓉．基于牛顿-拉夫逊法和P-Q分解法的配网潮流计算联合迭策略[J]．电力自动化应用，2023年4月第22期:55-57．

[5] 唐坤，董树锋，朱炳铨等．大规模输配一体化系统牛顿法潮流计算性能分析及改进方法[J]．电力系统自动化，2019年3月第43卷第6期:92-99．

[6] 张延亮，周登飞．利用C语言求解方阵行列式及逆矩阵的探讨[J]．算法语言，2019年第13期:48-50．

课题项目：中国职业技术教育学会2024年度分支机构科研课题即基于C语言的复杂电力系统潮流计算研究（ZJ2024B020）

作者简介：铁卫华（1975.12-），男，汉族，云南宾川人，硕士研究生，副教授，研究方向为电气工程、电力系统自动化技术。