电力系统潮流计算程序实现C语言版（动态节点+稀疏技术）
2015-07-24 12:02
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概述
电力系统潮流计算程序采用的是牛顿-拉夫逊法(直角坐标)潮流计算程序的系统节点数是可以动态变化的，根据节点大小分配储存空间
为了减少储存空间和加快计算速度，根据电力系统节点导纳矩阵稀疏的特点，计算程序运用了稀疏储存技术，详细讲解请见参考目录。
关于本程序的计算原理和流程图均可参考后面参考目录中的图书
源数据格式说明
源数据有功功率、无功功率、电压、阻抗、感抗、对地充电容纳均以标幺值表示。数据文件必须命名为data.txt且与潮流计算程序放置于同一个文件中。数据文件data.txt包含两类参数：节点参数和线路参数。节点数据块与线路数据块之间用数字0作为间隔，即在节点数据块结束后，另起一行输入0，然后再在后面按格式要求录入线路参数。
1. 节点参数
节点参数包括：系统节点数Node、节点功率(有功P、无功Q)，节点电压(有效值V、相角Delta) ，参数组织格式：
节点数Node 节点数Node写在参数文件的开头，如：4表明为四节点系统。
功率和电压P/Q/V/Delta
首先给出节点参数示例： 2 3 0.5 0 1.10 0 第一列数字2表明该节点的类型为2-PV节点；第二列数字3表明该行数据为节点3的参数；后面三列依次为P、Q、V的给定值，给定值为0，表明该项参数未知；第六列为相角δ，非平衡节点的δ即为PQ迭代的初始相角值，平衡节点的即为给定的相角值。 节点功率为各支路输入功率之和，且规定功率流入节点为正，流出为负。故而负荷功率为负值，发电机功率为正值。
节点类型的判断 根据节点的给定参数可以将节点分为三种类型：
1）PQ节点：给定P、Q初始值的节点，用数字代码1表示；
2）PV节点：给定P、V初始值的节点，用数字代码2表示；
3）平衡节点：没有给定P、Q初始值，仅给定V的初始值，用数字代码3表示；
注意：数据文件中，节点顺序为PQ、PV、平衡节点
2.线路参数
线路参数包括：线路阻抗(R,X)、变压器变比k和对地充电(接地支路)容纳b。每一条线路包括节点号在内共有6个参数，6个参数缺一不可。
线路阻抗Z
首先给出线路参数示例： 1 4 0.12 0.5 1 0.01920 前两列代表线路两端的节点编号，亦即线路编号14(即41)；第三四列代表线路阻抗Z=0.12+j0.5；第五列为变压器变比k；最后一列为线路的对地充电电容的一半，即B/2。 k不为0。当k=1则表明该支路为普通支路；否则该支路为变压器支路。普通支路没有任何特殊要求，但对于变压器支路，有以下注意事项。
变压器支路
首先给出变压器线路示例： 3 1 0 0.3 0.909091 0
1）变比k为转换为变压器支路的标准等值电路(如下图)后的变比。
2）变压器线路的编号31有特定含义：3对应节点p，1对应节点q。即变压器支路的编号对节点顺序有要求，p节点编号在前，q节点在后。
3）q节点为全系统参考电压侧。
程序智能化读取线路数据，用户无需刻意对线路参数进行归类、排序，可随意输入，只要每行数据都各自符合格式要求即可。
输出数据说明
1. 节点参数表节点参数表实际上只是对源数据的重现，用于对源数据的整理以及检验程序是否成功读取原始数据。 其中，节点类型列中，BS代表平衡节点、PQ代表PQ节点、PV代表PV节点。 参数表后紧随的是对各类节点数目的统计结果。 该表属于对原始数据的基本统计处理。
2. 节点导纳矩阵
节点导纳矩阵以上三角方式按照节点编号顺序输出，括号内部逗号前为导纳Gij、逗号后为容纳Bij。下三角部分可由上三角部分对称得到。
3. 潮流计算结果(节点)
该部分计算结果包含PQ迭代次数k和节点参数计算结果。迭代次数k在65535次以内均可正常显示。一般PQ迭代不会达到这个数值，否则可以认为PQ迭代是发散的。
节点参数计算结果表，展示了PQ迭代收敛时的计算结果，包括非平衡节点的电压相角δ、PQ节点的电压V、PV节点的无功功率Q和平衡节点的功率。
4. 潮流计算结果(线路)（该部分暂未编写，请等待后续完善）
线路功率计算结果表，展示了PQ迭代收敛时的线路功率计算结果S，包括线路有功功率P和无功功率Q。
参考文献
陈亚明.电力系统计算程序.北京：水利电力出版社，1995张伯明，陈寿孙，严正.高等电力网络分析（第2版）.北京：清华大学出版社，2007
源代码
/* FUNCTION : POWER FLOW */
/* WRITTEN BY : ZAHGN CHUN */
/* LAST EDITED : 2014-12-10 */
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<conio.h>
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
/*** 子函数声明 ***/
void in_data(); /* 读取数据 */
void Y_Form(); /* 生成导纳矩阵 */
void chuzhi(); /* 给节点电压赋初值 */
void B_Form(); /* 生成雅克比矩阵和求解修正方程*/
void xinzhi(); /*计算新值*/
void PrtNode(); /*输出潮流计算结果*/
void PrtY(); /*打印Y矩阵*/
/*** 全局变量声明 ***/
int Node; /*网络节点数*/
int Num; /*网络支路数*/
int i,j,k,k1,k2,k5,l,m,ig,i1,i2,i3,i5,t,s; /*通用下标值*/
int J1,J0,J3;
float tmp; /*临时数据暂存*/
FILE *in,*out; /*输入、输出文件指针*/
int J5; //雅克比矩阵第i行非零元素的技术单元
int k0=1; //导纳矩阵非零互导纳元素的指针
int FL=0; //导纳矩阵非零互导纳元素的个数
float a1,b1,r1,x1,a,r,x,b; //寄存单元
float gij,bij,gi,bi,gj,bj;
float A3; //第i节点电流的实部
float B3; //第i节点电流的虚部
float P2,Q2,P3,Q3,C3,D3,C5,D5,A5,B5,C6;
float PG,QG,PL,QL; //全网功率
float E,F,PI;
int N0; //平衡节点的节点号
float U0; //存平衡节点的给定电压值
int IQ; //发电机台数
int IP; //负荷个数
int N1; //PV节点个数
float UP=1;; //PQ节点的电压初值
int it; //迭代次数
float am=0; //节点功率误差的最大绝对值
int i0; //节点功率误差绝对值最大的节点号
//声明变长数组
vector<int> IZA(Num); //存支路状态数
vector<int> IZ1(Num); //存支路一端的节点号
vector<int> IZ2(Num); //存支路另一端的节点号
vector<float> Z1(Num); //存支路正序电阻
vector<float> Z2(Num); //存支路正序电抗
vector<float> Z3(Num); //存支路正序电纳或非标准变比
vector<int> IWGA(Node); //存发电机状态数
vector<int> IWG(Node); //存发电机节点号
vector<float> W1(Node); //存发电机有功功率
vector<float> W2(Node); //存发电机无功功率
vector<int> ILP(Node); //存负荷状态数
vector<int> ILD(Node); //存负荷节点号
vector<float> WL1(Node); //存负荷有功功率
vector<float> WL2(Node); //存负荷无功功率
vector<int> IPV(5); //存PV节点的节点号
vector<float> PV(5); //存PV节点的给定电压值
vector<float> YZ1(Node*Node); //不规则互导纳元素的实部
vector<float> YZ2(Node*Node); //不规则互导纳元素的虚部
vector<int> IY1(Node*Node); //不规则互导纳元素的行号
vector<int> IY2(Node*Node); //不规则互导纳元素的列号
vector<float> D1(Node); //导纳矩阵对角元素的实部
vector<float> D2(Node); //导纳矩阵对角元素的虚部
vector<float> Y1(Node*Node); //导纳矩阵非对角非零元素的实部
vector<float> Y2(Node*Node); //导纳矩阵非对角非零元素的虚部
vector<int> IY(Node*Node); //导纳矩阵非对角非零元素的列号
vector<int> IN(Node); //导纳矩阵每行非对角非零元素的个数
vector<float> U1(Node); //节点电压的实部
vector<float> U2(Node); //节点电压的虚部
vector<float> AK1(Node*Node); //存雅克比矩阵一行的非零元素
vector<float> AK2(Node*Node);
vector<float> AK3(Node*Node);
vector<float> AK4(Node*Node);
vector<int> JK(Node*Node); //存雅克比矩阵一行的非零元素的列号
vector<float> AJ1(Node*Node); //存雅克比矩阵消去规格化后上三角非对角非零元素
vector<float> AJ2(Node*Node);
vector<float> AJ3(Node*Node);
vector<float> AJ4(Node*Node);
vector<int> IJ(Node*Node); //存雅克比矩阵消去规格化后上三角非对角非零元素的列号
vector<int> JF(Node); //存雅克比矩阵消去规格化后上三角每行非对角非零元素的个数
vector<float> CK1(Node); //先存节点无功功率误差ΔQi（或ΔUi的平方），后存节点电压修正量的实部
vector<float> CK2(Node); //先存节点有功功率误差ΔPi，后存节点电压修正量的虚部
vector<float> PD(Node); //节点负荷的有功功率
vector<float> QD(Node); //节点负荷的无功功率
vector<float> PF(Node); //节点给定的发电有功功率
vector<float> QF(Node); //节点给定的发电无功功率
vector<float> GP(Node); //节点实际的发电有功功率
vector<float> GQ(Node); //节点实际的发电无功功率
vector<float> Q(Node); //节点的无功功率误差值
vector<int> IVI(Node); //PV节点的标致
/****************** 主函数 ******************/
/**↓****↓****↓** 主函数 **↓****↓****↓**/
int main(void)
{
if((in=fopen("Data.txt","r"))==NULL) printf("wrong\n");
if((out=fopen("out.txt","w"))==NULL) printf("wrong\n");
in_data(); /* 读取数据 */
for(i=0;i<Node*Node;i++)
{
Y1[i]=0; Y2[i]=0; IY[i]=0; YZ1[i]=0; YZ2[i]=0;IY1[i]=0;
AK1[i]=AK2[i]=AK3[i]=AK4[i]=0;
AJ1[i]=AJ2[i]=AJ3[i]=AJ4[i]=0;
JK[i]=JF[i]=IJ[i]=0;
}
for(i=0;i<Node;i++)
{ D1[i]=D2[i]=0; }
Y_Form();
PrtY();
chuzhi();
for(it=1;it<20;it++)
{
B_Form();
fprintf(out,"第%d迭代节点功率误差绝对值最大的节点号:%d,误差的最大绝对值:%f\n",it,i0,am);
for(i=0;i<Node-1;i++)
fprintf(out,"e[%d]=%f f[%d]=%f\n",i,CK1[i],i,CK2[i]);
printf("IT=%d\n",it);
if(am<0.0001)
break;
xinzhi();
}
PrtNode(); /*输出潮流计算结果*/
fclose(out);
system("cmd /c start out.txt");
return(0);
}
/**↑****↑****↑** 主函数 **↑****↑****↑**/
/**************** 计算新值 ****************/
void xinzhi()
{
for(i=Node-2;i>=0;i--) //解修正方程回代运算 //zhuyi!!!!!!!!!!!!!!!!
{
for(ig=0;ig<JF[i];ig++)
{
k--;
m=IJ[k];
CK1[i]=CK1[i]-AJ1[k]*CK1[m]-AJ2[k]*CK2[m];
CK2[i]=CK2[i]-AJ3[k]*CK1[m]-AJ4[k]*CK2[m];
}
}
for(i=0;i<Node;i++) //计算节点新的电压值
{
U1[i]=U1[i]+CK1[i];
U2[i]=U2[i]+CK2[i];
}
for(i=0;i<Node-1;i++)
printf("e[%d]=%f f[%d]=%f\n",i,U1[i],i,U2[i]);
}
/******** 生成雅克比矩阵和不平衡量 *********/
void B_Form()
{
am=0; k0=0;
for(i=0;i<Node;i++)
{
a=D1[i]*U1[i];
b=D2[i]*U1[i];
r=D1[i]*U2[i];
x=D2[i]*U2[i];
A3=a-x;
B3=r+b;
J5=1;
for(ig=0;ig<IN[i];ig++)
{
j=IY[k0];
A3=A3+Y1[k0]*U1[j]-Y2[k0]*U2[j];
B3=B3+Y1[k0]*U2[j]+Y2[k0]*U1[j];
if(i!=N0&&j!=N0)
{
JK[J5]=IY[k0];
AK1[J5]=Y1[k0]*U2[i]-Y2[k0]*U1[i];
AK3[J5]=Y1[k0]*U1[i]+Y2[k0]*U2[i];
AK2[J5]=-AK3[J5];
AK4[J5]=AK1[J5];
J5++;
}
k0++;
}
if(i==N0)
{
GQ[i]=A3*U2[i]-B3*U1[i];
GP[i]=A3*U1[i]+B3*U2[i];
CK1[i]=0;
CK2[i]=0;
JF[i]=0;
}
else
{
P2=PD[i]+(A3*U1[i]+B3*U2[i]);
Q2=QD[i]+(A3*U2[i]-B3*U1[i]);
GP[i]=P2;
GQ[i]=Q2;
P2=PF[i]-P2;
Q2=QF[i]-Q2;
P3=P2;
Q3=Q2;
if(IVI[i]==1)
if(Q[i]>=0||it-1<5)
Q3=0;
AK3[0]=A3+a+x;
AK4[0]=B3-b+r;
JK[0]=i;
CK2[i]=P2;
if(IVI[i]==1)
{
Q[i]=Q2;
if(it>=5)
{
if(Q2>=0)
{
for(j=1;j<J5;j++)
AK1[j]=AK2[j]=0;
AK1[0]=2*U1[i];
AK2[0]=2*U2[i];
Q2=0;
CK1[i]=Q2;
}
else
{
AK1[0]=r-b-B3;
AK2[0]=A3-a-x;
CK1[i]=Q2;
}
}
else
{
for(j=1;j<J5;j++)
AK1[j]=AK2[j]=0;
AK1[0]=2*U1[i];
AK2[0]=2*U2[i];
Q2=0;
CK1[i]=Q2;
}
}
else
{
AK1[0]=r-b-B3;
AK2[0]=A3-a-x;
CK1[i]=Q2;
}
C5=fabs(P3);
D5=fabs(Q3);
if(C5>am)
{ i0=i;am=C5; }
if(D5>am)
{ i0=i;am=D5; }
k=0; //消去运算
m=0;
for(i1=0;i1<i;i1++)
{
for(i3=1;i3<J5;i3++)
if(JK[i3]==i1) break;
if(i3<J5)
{ // printf("xiaoq\n");
for(ig=0;ig<JF[i1];ig++)
{
for(i2=0;i2<J5;i2++)
if(JK[i2]==IJ[k]) break;
if(i2<J5)
{
AK1[i2]=AK1[i2]-AK1[i3]*AJ1[k]-AK2[i3]*AJ3[k];
AK2[i2]=AK2[i2]-AK1[i3]*AJ2[k]-AK2[i3]*AJ4[k];
AK3[i2]=AK3[i2]-AK3[i3]*AJ1[k]-AK4[i3]*AJ3[k];
AK4[i2]=AK4[i2]-AK3[i3]*AJ2[k]-AK4[i3]*AJ4[k];
}
else
{
AK1[J5]=-AK1[i3]*AJ1[k]-AK2[i3]*AJ3[k];
AK2[J5]=-AK1[i3]*AJ2[k]-AK2[i3]*AJ4[k];
AK3[J5]=-AK3[i3]*AJ1[k]-AK4[i3]*AJ3[k];
AK4[J5]=-AK3[i3]*AJ2[k]-AK4[i3]*AJ4[k];
JK[J5]=IJ[k];
J5++;
}
k++;
}
CK1[i]=CK1[i]-AK1[i3]*CK1[i1]-AK2[i3]*CK2[i1];
CK2[i]=CK2[i]-AK3[i3]*CK1[i1]-AK4[i3]*CK2[i1];
}
else
{
k=k+JF[i1];
}
}
k5=k; //规格化
a=AK1[0]*AK4[0]-AK2[0]*AK3[0];
if(a==0)
{
CK1[i]=0;
CK2[i]=0;
JF[i]=0;
}
else
{
A3=AK4[0]/a;
B3=-AK2[0]/a;
C3=-AK3[0]/a;
D3=AK1[0]/a;
for(j=1;j<J5;j++)
if(JK[j]>i)
{
// printf("guife\n");
IJ[k]=JK[j];
AJ1[k]=A3*AK1[j]+B3*AK3[j];
AJ2[k]=A3*AK2[j]+B3*AK4[j];
AJ3[k]=C3*AK1[j]+D3*AK3[j];
AJ4[k]=C3*AK2[j]+D3*AK4[j];
k++;
}
A5=CK1[i];
B5=CK2[i];
CK1[i]=A3*A5+B3*B5;
CK2[i]=C3*A5+D3*B5;
JF[i]=k-k5;
}
}
}
}
/**************** 子函数：读数据 ****************/
void in_data()
{
fscanf(in,"%d %d %d %d %d",&Node,&Num,&IQ,&IP,&N1); /*读取节点数Node、支路数、发电机个数、负荷个数、PV节点个数*/
for(i=0;i<Num;i++)
{ Z1[i]=Z2[i]=Z3[i]=0; }
for(i=0;i<IQ;i++)
{ IWGA[i]=IWG[i]=W1[i]=W2[i]=0; }
for(i=0;i<Num;i++)
fscanf(in,"%d %d %d %f %f %f",&IZA[i],&IZ1[i],&IZ2[i],&Z1[i],&Z2[i],&Z3[i]);
for(i=0;i<IQ;i++)
fscanf(in,"%d %d %f %f",&IWGA[i],&IWG[i],&W1[i],&W2[i]);
for(i=0;i<IP;i++)
{
fscanf(in,"%d %d %f %f",&ILP[i],&ILD[i],&WL1[i],&WL2[i]);
}
for(i=0;i<N1;i++)
fscanf(in,"%d %f",&IPV[i],&PV[i]);
fscanf(in,"%d %f",&N0,&U0);
}
/****************给节点电压赋初值****************/
void chuzhi()
{
for(i=0;i<Node;i++)
{
PD[i]=0;
QD[i]=0;
PF[i]=0;
QF[i]=0;
IVI[i]=0;
}
for(i=0;i<IP;i++)
{
if(ILP[i]!=0)
{
j=ILD[i];
PD[j]=WL1[i];
QD[j]=WL2[i];
}
}
for(i=0;i<IQ;i++)
{
if(IWGA[i]!=0)
{
j=IWG[i];
PF[j]=W1[i];
QF[j]=W2[i];
}
}
for(i=0;i<N1;i++)
{
j=IPV[i];
IVI[j]=1;
}
for(i=0;i<Node;i++)
{
U1[i]=UP;
U2[i]=0;
}
for(i=0;i<N1;i++)
{
j=IPV[i];
U1[j]=PV[i];
}
U1[N0]=U0;
}
/************形成节点导纳矩阵Y ************/
void Y_Form()
{
for(i=0;i<Node;i++)
{
D1[i]=0;
D2[i]=0;
}
l=0;
for(k=0;k<Num;k++)
{
ig=IZA[k];
i=IZ1[k];
j=IZ2[k];
r=Z1[k];
x=Z2[k];
b=Z3[k];
a=r*r+x*x;
if(a!=0)
{
gij=r/a;bij=-x/a;
if(ig==1)
{
gi=gij;
gj=gij;
bi=bij+b;
bj=bi;
D1[i]=D1[i]+gi;
D2[i]=D2[i]+bi;
D1[j]=D1[j]+gj;
D2[j]=D2[j]+bj;
YZ1[l]=-gij;
YZ2[l]=-bij;
IY1[l]=i;
IY2[l]=j;
l++;
YZ1[l]=-gij;
YZ2[l]=-bij;
IY1[l]=j;
IY2[l]=i;
l++;
}
else
{
if(ig==2||ig==3)
{
gj=gij;
bj=bij;
gij=gij/b;
bij=bij/b;
gi=gij/b;
bi=bij/b;
D1[i]=D1[i]+gi;
D2[i]=D2[i]+bi;
D1[j]=D1[j]+gj;
D2[j]=D2[j]+bj;
YZ1[l]=-gij;
YZ2[l]=-bij;
IY1[l]=i;
IY2[l]=j;
l++;
YZ1[l]=-gij;
YZ2[l]=-bij;
IY1[l]=j;
IY2[l]=i;
l++;
}
else
{
D1[i]=D1[i]+gij;
D2[i]=D2[i]+bij;
}
}
}
}
j=0;
k0=0;
m=0; //出口标志
for(i=0;i<Node;i++)
{
J1=0;
for(k=0;k<l;k++)
{
if(IY1[k]==i)
{
J3=IY2[k];
for(k1=0;k1<J1;k1++)
{
k2=k0+k1;
if(J3==IY[k2])
{ break; m=1; }
}
if(m==1)
{
Y1[k2]=Y1[k2]+YZ1[k];
Y2[k2]=Y2[k2]+YZ2[k];
}
else
{
Y1[j]=YZ1[k];
Y2[j]=YZ2[k];
IY[j]=J3;
J1++;
j++;
}
}
}
IN[i]=J1;
k0=k0+J1;
}
FL=k0;
}
/*******************打印导纳矩阵**************/
void PrtY()
{
fprintf(out,"非对角线元素：\n");
for(i=0;i<FL;i++)
{
fprintf(out,"%10.6f,%10.6f,,,,,,%d\n",Y1[i],Y2[i],IY[i]);
}
fprintf(out,"\n");
fprintf(out,"对角线元素：\n");
for(i=0;i<Node;i++)
{
fprintf(out,"%10.6f,%10.6f\n",D1[i],D2[i]);
}
fprintf(out,"\n");
fprintf(out,"每行非对角线非零元素个数：\n");
for(i=0;i<Node;i++)
{
fprintf(out,"%d\n",IN[i]);
}
fprintf(out,"\n");
}
/***************输出潮流计算结果****************/
void PrtNode()
{
GP[N0]=GP[N0]+PD[N0]; //输出节点信息
GQ[N0]=GQ[N0]+QD[N0];
PG=0;
QG=0;
PL=0;
QL=0;
PI=180/3.14159;
fprintf(out,"\n");
for(i=0;i<Node;i++)
{
E=U1[i];
F=U2[i];
a=sqrt(E*E+F*F);
b=PI*atan2(F,E);
PG=PG+GP[i];
QG=QG+GQ[i];
PL=PL+PD[i];
QL=QL+QD[i];
fprintf(out,"第%d节点：\n幅值：%f，相角：%f\n",i+1,a,b);
}
// fprintf(out,"全网发电有功功率：%f，无功功率：%f，负荷有功功率：%f，负荷无功功率：%f\n",PG,QG,PL,QL);
//输出支路信息
float ploss=0,qloss=0; //全网有功、无功功率损耗
float qb=0; //全网输电线充电功率
}
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