news 2026/4/24 2:23:57

基于蒙特卡洛与半不变量法的风光电力系统概率潮流计算研究:负荷波动与出力不确定性考量

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张小明

前端开发工程师

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基于蒙特卡洛与半不变量法的风光电力系统概率潮流计算研究:负荷波动与出力不确定性考量

含风光发电的电力系统概率潮流计算,考虑负荷波动,风力和光伏出力不确定性,算法方面:基于蒙特卡洛法和半不变量法(gram-charlier和corn-fisher级数)。 代码注释详尽,收敛性好。

一、数据输入与初始化模块(dataIn.m)

该模块为系统基础数据入口,主要功能包括:

  • 读取IEEE 34节点系统参数文件(IEEE34_solar.txt),包含节点总数、线路数量、变压器参数等基础拓扑信息
  • 初始化基准容量(Sbase=100MVA)、电压基准值(Vbase=24.9kV)及潮流计算参数(最大迭代次数maxit=50、收敛精度eps=1e-6)
  • 定义节点类型:明确平衡节点(34号节点)、PV节点(33号节点)及PQ节点范围,为后续潮流计算提供节点属性依据
  • 读取负荷数据文件(IEEE34load_30%.txt),获取各节点有功负荷(Pload)、无功负荷(Qload)的均值与标准差,为负荷波动建模提供基础数据

二、节点导纳矩阵构建(formACY.m)

此函数专注于构建系统节点导纳矩阵,具体操作包括:

  • 初始化导纳矩阵Y为零矩阵,维度与节点数匹配
  • 逐行读取线路参数(首端节点、末端节点、电阻R、电抗X、电纳B),通过线路π型等值电路计算阻抗支路和接地电纳对导纳矩阵的贡献
  • 对变压器支路,考虑非标准变比(tap)影响,修正导纳矩阵元素计算方式
  • 最终形成节点导纳矩阵Y及电纳矩阵Y0,采用稀疏存储方式优化内存占用

三、确定性潮流计算模块(NR_main.m)

基于牛顿-拉夫逊法实现确定性潮流求解,核心流程:

  • 初始化节点电压幅值(V)和相角(theta),PQ节点电压设为1.0p.u.,相角设为0
  • 迭代计算有功、无功功率不平衡量(formDetaPQ.m),生成雅可比矩阵(formJacco.m)
  • 通过求解修正方程获取电压和相角的修正量(calcuVD.m),更新节点状态量
  • 当不平衡量小于收敛精度eps或达到最大迭代次数时终止,输出各节点电压(幅值、相角)和支路功率

四、随机变量建模模块

  1. 负荷波动建模:在蒙特卡洛模拟中,通过normrnd函数基于负荷均值和标准差生成服从正态分布的随机负荷值,反映负荷不确定性
  2. 光伏出力建模
    - 读取光照强度数据(广州光照强度数据样本.txt),采用Beta分布拟合其概率特性
    - 通过HOMER软件获取的光强期望(EI)和方差(DI)计算Beta分布参数a、b
    - 结合光伏组件面积(A)、光电转换效率(prey)计算光伏出力:P_PV = A × prey × I / 1000
    - 计算光伏出力的八阶原点矩与半不变量(NcalPLCum.m),映射至34号节点
  3. 风力发电建模
    - 采用Weibull分布描述风速特性,通过wblrnd函数生成随机风速
    - 结合风机参数(切入风速vci=3m/s、额定风速vr=12m/s、切出风速vco=25m/s)计算风电出力,接入15号节点

五、蒙特卡洛法概率潮流(main_MonteCarlo.m)

实现蒙特卡洛模拟的核心流程:

  • 设置模拟次数daishu=6000,初始化存储矩阵(电压幅值VMC、相角thetaMC、支路有功Pline_MC等)
  • 循环生成随机变量:负荷(正态分布)、风速(Weibull分布)、光强(Beta分布)
  • 每次迭代调用NR_main.m进行潮流计算,存储节点电压和支路功率结果
  • 调用ProbMC.m计算电压越限概率:统计电压<0.95p.u.或>1.05p.u.的频次,与总次数比值即为越限概率
  • 通过ksdensity函数对结果进行概率密度估计,生成节点电压和支路功率的概率密度曲线

六、半不变量法概率潮流(CM_MC_PLF.m)

实现基于半不变量与级数展开的概率潮流计算:

  1. 半不变量计算
    - NcalGCum.m计算发电机八阶半不变量
    - NcalPLCum.m计算负荷和光伏的八阶半不变量
    - 整合得到系统注入功率的半不变量矩阵B_s
  2. 灵敏度矩阵求解:基于雅可比矩阵逆矩阵,计算电压和支路功率对注入功率的灵敏度系数(S1-S8、T1-T8)
  3. Gram-Charlier级数展开
    - 计算电压(cvs)、支路有功(cps)、无功(cqs)的展开系数
    - 结合正态分布概率密度函数,修正得到实际概率分布(f1
    s、fp1s、fq1s)
  4. Cornish-Fisher级数展开
    - 基于半不变量修正标准正态分布分位数,得到节点电压和支路功率的分位数分布(yyV、yyP、yyQ)
    - 通过ProbCMCF.m计算电压越限概率,与蒙特卡洛法结果对比

七、结果分析与可视化模块

  • 绘制节点电压(如33、34号节点)和支路功率(如31-33线路)的概率密度曲线,对比蒙特卡洛法直方图与半不变量法解析结果
  • 生成累积分布曲线,直观展示随机变量的概率分布特性
  • 计算两种方法的电压越限概率误差(difference1、difference2),量化半不变量法的精度
  • 输出各PQ节点的电压越限概率统计结果,为系统稳定性评估提供数据支持

该代码通过模块化设计实现了两种概率潮流计算方法的完整流程,从数据输入、随机建模、潮流求解到结果分析形成闭环,所有功能均基于代码中明确的参数设置和函数调用实现,未进行额外功能假设。

含风光发电的电力系统概率潮流计算,考虑负荷波动,风力和光伏出力不确定性,算法方面:基于蒙特卡洛法和半不变量法(gram-charlier和corn-fisher级数)。 代码注释详尽,收敛性好。

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