《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书

昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验（指导书）主编唐岚电力工程学院二〇〇七年一月昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书I目录前言...................................................................................II实验一MATLAB软件的基本操作.................................1实验二MATLAB程序的基本结构................................2实验三电力系统计算中常用的数值算法.......................4实验四电力网络的数学模型............................................5实验五潮流计算................................................................6实验六短路电流计算........................................................7实验七静态稳定和暂态稳定计算....................................8附录：学生实验报告表头格式..........................................9昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书II前言《电力系统计算机辅助分析》是电气工程及自动化专业的专业必修核心课程，是《电力系统分析基础》的后续课程。其主要任务是：使学生深入学习电力系统潮流、短路、稳定计算的计算机算法，提高学生应用计算机对电力系统进行分析和计算的能力。《电力系统计算机辅助分析》课程教学的难点在于如何让学生掌握将《电力系统分析基础》中所学的各种电力系统元件的数学模型用网络方程联系起来并转化为程序代码的方法，进而用相应的数值算法求解之。这要求学生学好先修课程《电力系统分析基础》、《计算方法》和《程序设计基础》。但由于后两门课程开设较早，学生掌握情况差异也很大，所以极不利于教学。因此，我们结合选用的《电力系统分析》教材，以MATLAB作为软件工具来实现各种电力系统计算程序。这样可以利用MATLAB软件强大的数值计算能力和相对简单的编程语言，以减少教学过程中的不利因素，在促进学生掌握《电力系统计算机辅助分析》核心内容的同时，也让学生初步学习了MATLAB这个在科学和工程领域应用十分广泛的软件。作为《电力系统计算机辅助分析》课程的辅助教学材料，其内容从MATLAB软件的基本操作，到电力系统三大基本计算，共由七个上机实验组成。所有七个实验均为课程教学过程中必做的基本实验。下一步将考虑加入初步制订电力系统运行方式的综合实验，可供课程设计时选做。每一个实验中均附有相应的思考题，学生可通过其拓展思路，或围绕思考题完成实验报告。本材料系仓促中形成的初稿，难免存在错误和不妥之处。敬请各位使用该材料的老师和同学提出宝贵的意见和建议。编者昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书1实验一MATLAB软件的基本操作上机实验目的1、了解MATLAB软件的基本构成；2、熟悉集成界面菜单命令与各工作窗口；3、掌握MATLAB的两种运行方式；4、掌握获取联机帮助的手段；5、通过联机帮助系统了解MATLAB的强大功能，学习程序编辑器的使用。预习要求利用图书馆和互联网资源，了解MATLAB软件的基本信息。列举出MATLAB软件的主要特点和应用领域。上机实验内容1、启动MATLAB软件，识别出常用的四个窗口――命令窗口（CommandWindow）、历史命令窗口（CommandHistory）、工作空间浏览器（WorkspaceBrowser）。2、在用户盘上以自己的学号建立一个文件夹，并将该文件夹设置为当前工作路径。在命令窗口中可以执行与Dos命令一样的文件操作。3、在命令窗口中执行“helpdesk”命令，仔细阅读MATLAB的联机帮助，了解该帮助系统的使用方法。从Demos中找到BasicMatrixOperations的m文件，将其复制到当前工作路径下，并运行之。4、从主界面中的start出发，打开程序编辑器（Editor），用该编辑器打开工作路径下的m文件。在求A阵特征值的代码行设置断点，在调试状态下运行该文件，并单步运行断点后的代码。运行结束后，清除断点，将工作区中的变量存入数据文件，然后利用ArrayEditor读出矩阵B的值。5、阅读帮助文档中自己感兴趣的部分，并尝试运行Demos的相关代码。思考题及说明1、MATLAB软件是什么？有什么特点？昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书22、怎样在命令窗口中进行简单的计算？3、如何获得命令或函数的帮助文档？4、MATLAB软件可能给自己的学习带来哪些帮助？5、与实验二合并提交上机报告。实验二MATLAB程序的基本结构上机实验目的1、掌握常用数据类型与运算符；2、掌握m文件的两种格式：脚本与函数；3、掌握顺序结构、循环结构、分枝结构和程序流程控制语句；4、掌握用M文件编辑器进行简单调试的方法。5、掌握用MATLAB绘制二维图形的基本方法。预习要求1、阅读MATLAB程序设计语言的相关书籍，与学习过的高级语言进行类比；2、列出实现三种结构的和程序流程控制的关键字和语法规则；3、学习MATLAB函数的编写方法。上机实验内容1、上机求解下面的电路问题，的脚本文件已经给出。已知某个ＲＣ电路的端电压的表达式为：26,0~10tuet区间时，试绘制电压的波型。提示：在MATLAB的M文件编辑器中键入以下命令语句，并保存为ex2_1.m：％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％Clear,clc,closet=0:0.5:10;u=6*exp(-2*t);plot(t,u);title(‘RC电路的电压响应曲线’);xlabel(‘时间/s’);ylabel(‘电压/v’)grid%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%然后，再在MATLAB的命令窗口中键入：ex2_1。注意工作路径的设置。昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书32、已知电路如图2.1所示，编写用网孔法求回路电流的MATLAB脚本文件，命名为ex2_2.m，并上机验证之。图2.13、编写求解一元二次方程的MATLAB程序。要求：在脚本文件中循环提示输入构成不同方程的系数组合，然后调用求解函数得出结果。程序根据用户的输入情况判断是否中止计算。思考题1、脚本与函数有何异同？2、MATLAB的数据类型与其它高级语言相比有何特点？3、什么时候用for循环、什么时候用while循环？4、MATLAB函数必须遵循的规则有哪些？报告要求及其它说明1、按实验报告格式进行提交；2、对验证的程序，报告必须包括应用过程和结果；3、对自行编制的程序，报告必须包括文件清单、流程图、源码、计算实例及结果。4、结合思考题完成实验报告。鼓励在报告的讨论部分提出对例程的修改方案。I1I3I210Ω15Ω30Ω30Ω50Ω10V昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书4实验三电力系统计算中常用的数值算法上机实验目的1、掌握高斯消去法、因子表法求解线性方程组的基本原理；2、掌握牛顿拉夫逊法求解非线性方程组的基本原理；3、了解欧拉法及改进欧拉法求解微分方程的基本原理；4、读懂课本中相应算法的实现例程；5、掌握MATLAB针对上述算法提供的函数。预习要求1、回顾《计算方法》中的基本理论，准备上述算法的计算流程图；2、阅读课本中的相应程序，将各算法改编为独立的函数文件。上机实验内容1、用高斯消去法求解实验二中的电路方程；2、将图2.1中的电压源分别改为2V、4V、6V、8V时，用因子表进行求解，体会该算法带来的益处；3、用牛顿拉夫逊法求解如下非线性方程组，注意保留迭代过程中的中间值。2212122122510330xxxxxx(0)33x思考题1、高斯消去法与因子表法有何异同？2、什么是雅可比矩阵？3、MATLAB提供的计算函数如何使用？有何特点？报告要求及其它说明1、按实验报告格式进行提交；2、提交各个自行封装的算法函数的文件清单、源码和调用规则；3、结合思考题完成实验报告。鼓励在报告的讨论部分提出对例程的修改方案。昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书5实验四电力网络的数学模型上机实验目的1、掌握节点导纳矩阵和节点阻抗矩阵的生成算法；2、掌握电力系统计算所需原始数据的准备过程；3、了解节点优化编号的基本原理和算法。预习要求1、读懂课本中的算法实现代码，将其改编为独立的函数文件；2、整理课本例17.6的原始数据，设计成独立的数据文件；3、查阅资料了解某一商用或开源电力系统仿真软件对原始数据文件的要求。上机实验内容1、上机验证课本例17.6－17.8的计算结果；2、设计系统变更时修改导纳矩阵的函数（参考课本P.323），并调试通过。思考题1、节点导纳阵与节点阻抗阵之间有何关系，二者之间如何转换？2、网络矩阵的修改函数对电力系统计算有何作用？报告要求及其它说明1、按实验报告格式进行提交；2、说明原始数据文件的输入要求；3、对验证的程序，报告必须包括应用过程和结果；4、给出导纳矩阵修正函数的调用规则及其实现代码；5、结合思考题完成实验报告。鼓励在报告的讨论部分提出对例程的修改方案。昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书6实验五潮流计算上机实验目的1、掌握用N-L法计算潮流的基本原理和程序设计要点；2、掌握用PQ分解法计算潮流的基本原理和程序设计要点。预习要求1、准备潮流计算前各种已知参数表格；2、找出课本中两个潮流例程中实现相同功能的代码，设计合理的函数将其封装起来。上机实验内容1、上机验证课本例19.1和例19.2的计算结果；2、将两种算法的程序计算程序进行合并，要求共用输入、输出部分，网络方程形成函数和线性方程组求解函数，并实现算法的人工选择；3、根据实际的进度（可选择）进一步丰富潮流计算程序的功能，如网络修改、节点电压越限提示、支路过载提示等功能。思考题1、两种算法的收敛过程图中出现差异的原因是什么？2、PQ分解法是如何利用电力系统特征的？3、为什么PQ分解法在经过很大的简化后却不会降低计算结果的精度？4、潮流计算中的平衡节点起什么作用？5、为什么在用计算机对某网络初次进行潮流计算时往往是要调潮流，而并非任何情况下只一次送入初始值算出结果就行呢？要考虑什么条件？各变量是如何划分的？哪些可调？哪些不可调？报告要求及其它说明1、按实验报告格式进行提交；2、提供合并后计算程序的流程图与源代码；昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书73、撰写合并后计算程序的使用说明；4、结合思考题完成实验报告。鼓励在报告的讨论部分说明进一步丰富该计算程序的设想。实验六短路电流计算上机实验目的1、掌握电力系统短路计算的基本原理及算法；2、掌握计算机求取转移电抗的算法；3、灵活掌握阻抗矩阵在短路计算中的应用。预习要求1、看懂课本的例程，将其划分为相对独立的模块；2、设计一个新的计算流程，合并课本第18章例程的计算功能；3、整理故障计算必需的已知条件。上机实验内容1、合并合并课本第18章例程。即要求实现计算指定节点各种故障条件下，各支路的故障电流分布情况。其中对于实用算法，可只提供计算电抗。提示：尽量使用先前实验中已封装好的函数。2、用新程序验证第18章的各例题。思考题1、计算短路电流的目的是什么？2、在计算短路电流时，是否用到了节点阻抗阵中的所有元素？据此，可以如何简化短路计算程序？3、如果要以某一潮流分布情况作为短路计算的初值，如何考将潮流计算程序与短路计算程序联系起来？报告要求及其它说明参见实验五昆明理工大学《电力系统计算机辅助分析》上机实验指导书8实验七静态稳定和暂态稳定