Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методы расчета и оптимизация режимов электроэнергетических систем. Учебное пособие.pdf
Скачиваний:
3
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
☆
51
Рекуррентную формулу запишем следующим образом:
[ ]
[ ]
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
1
65 3
4
17
234
1
111
0
21
567
111
.
p
p
ppp
ppp
BB B
B
UB
U
UUU
B
BB
UUU
+
=−−−−−−
−−−
[
]
0
1
1,5
U =
1
df
dU
1
f
1, 1 ,
n
i
j
j
in
x
=
∂
<=
∑
∂
1
f
1, 1 .
n
i
i
j
jn
x
=
∂
<=
∑
∂
(4.34)
Пусть R1 = 0,2 Ом, R2 = 0,4 Ом, R3 = 0,6 Ом, P1 = 1 МВт, P2 = 1,2 МВт,
P3 = 0,7 МВт. Напряжение базисного узла Uб = 10,1841 кВ. При таком на-
пряжении устойчивое решение уравнения (4.33) будет U1 = 9,9 кВ. Коэф­фициенты в уравнении принимают следующие значения: B0 = 0,0288 кВ8,
B1 = –0,244418 кВ7, B2 = 0,636 кВ6, B3 = –3,82922 кВ5, B4 = 3,856 кВ4, B5 = –15,0725 кВ3, B6 = 4,3 кВ2, B7 = –10,1841 кВ.
Процесс решения уравнения (4.33) методом простой итерации на осно-
ве рекуррентной формулы (4.34) при начальном приближении
кВ
показан на рис. 4.11. Из этого рисунка следует важный вывод, что крите­рий (4.32) является достаточным, но не необходимым. Действительно,
в окрестностях нулевого приближения модуль производной
намного
больше единицы. Тем не менее, итерационный процесс быстро сходится.
Из рисунка 4.11 также видно, что уравнение (4.34) имеет еще один
корень, точное значение которого U1 = 0,13 кВ. Он соответствует не­устойчивому режиму сети. Однако итерационный процесс к этому корню не сходится, поскольку условие (4.32) не выполняется даже в самой точке решения.
Если решается система уравнений, то можно показать, что критерий
сходимости (4.32) преобразуется к условиям
(4.35)
(4.36)
52
f
i
j
x∂∂
df
dX
Рис. 4.11. Пример сходимости метода простой итерации для электрической сети
Совокупность производных
образует матрицу Якоби
.
В условия (4.35) и (4.36) входят суммы модулей элементов строк или столбцов этой матрицы. Максимальная из сумм модулей элементов строк и столбцов матрицы называется ее нормой2. Норма матрицы обо-
2
Максимум суммы строк и максимум суммы столбцов на самом деле представляют со-
бой разные нормы, в данном случае они для удобства сведены в одну; существуют также другие виды норм матриц.
53
значается . Таким образом, условия сходимости метода простой ите-
1.<
df
dX
( )
65 3 0
4 21
1 17
234567
1
111111
W 0.
BB B B
B BB
U UB
U
UUUUUU
=−−−−−−−−−=
[ ]
0
1
1,5
U =
рации и метода Зейделя для системы уравнений можно записать в форме
(4.37)
Как и для одномерной задачи, критерий сходимости записывается для
конкретных интервалов значений переменных ai ≤ xi ≤ bi.
4.11. УСЛОВИЯ СХОДИМОСТИ МЕТОДА НЬЮТОНА
ДЛЯ УРАВНЕНИЯ С ОДНИМ НЕИЗВЕСТНЫМ
При решении методом Ньютона уравнение с одним неизвестным за-
писывается в виде W(x) = 0. Графическая интерпретация решения пред­ставляет собой ломаную линию, состоящую из касательных к исходной кривой и вертикальных участков.
В качестве примера рассмотрим задачу расчета электрической сети из
предыдущего параграфа при тех же исходных данных. Уравнение запи­шем в виде
(4.38)
Процесс решения уравнения (4.38) методом Ньютона при начальном
приближении
кВ показан на рис. 4.12.
Из этого рисунка следует, что сходимость метода Ньютона определя­ется, во-первых, наклоном касательных, т. е. первой производной функ­ции W(x). Во-вторых, имеет значение то, как изменяется этот наклон по мере приближения к решению. Изменение наклона касательной опреде­ляется второй производной.
54
dW
0
d x
≠
Рис. 4.12. Пример сходимости метода Ньютона для электрической сети
Пусть переменная принадлежит интервалу a ≤ x ≤ b. Тогда условия
сходимости метода Ньютона для уравнения с одним неизвестным можно сформулировать следующим образом:
1. Функция W(x) должна быть дважды дифференцируемой и иметь
один корень (на заданном интервале).
2. На заданном интервале функция W(x) не должна иметь экстрему-
мов, что соответствует условию
. Действительно, в точке экстре-
мума касательная не имеет пересечения с осью абсцисс.
55
3. Функция W(x) не должна иметь также точек перегиба, т. е. вторая
2
2
dW
d x
2
2
dW
d x
должны иметь один и тот же знак. Действительно, для сход
производная
на заданном интервале должна сохранять свой знак.
На рис. 4.12 вторая производная в точке начального приближения и даль­ше в сторону решения положительна. В результате по мере приближения к решению наклон касательных постепенно увеличивается, но точки пере­сечения касательных с осью абсцисс все время остаются между решением и начальным приближением (апериодическая сходимость). Благодаря этому итерационный процесс быстро сходится. Если бы вторая производ­ная изменила знак и функция W(x) в некоторой точке обратилась бы вы­пуклостью вверх, то касательная в этой точке пересекла бы ось абсцисс с другой стороны от решения, что могло бы привести к расходимости итерационного процесса. Также из рис. 4.12 видно, что вблизи решения функция W(x) практически линейна, т. е. вторая производная близка к ну­лю. Это не препятствует сходимости, а наоборот, улучшает ее, поскольку касательная при этих условиях почти совпадает с W(x).
4. В точке начального приближения функция W(x) и ее вторая произ-
водная
и-
мости процесса функция W(x) должна быть обращена выпуклостью к оси абсцисс, что и соответствует данному правилу знаков. Поскольку, согласно условию 3, сходимость является апериодической, то достаточно, чтобы ука­занное правило знаков выполнялось не на всем интервале, а только от начального приближения до точки решения. Знаки функции и ее второй производной между начальным приближением и решением не изменяются. Поэтому достаточно задать условие равенства знаков только для одной точ­ки интервала, в качестве которой выбрана точка начального приближения.
Рассмотренные четыре условия сходимости метода Ньютона являют­ся достаточными, но не необходимыми. Это следует хотя бы из того, что для сходимости имеют значение свойства функции не на всем интервале, а только в точках нулевого, первого, второго и т. д. приближений. Между этими точками функция W(x) может иметь, например экстремум, что не повлияет на сходимость.
56
4.12. УСЛОВИЯ СХОДИМОСТИ МЕТОДА НЬЮТОНА
dW
dX
1
−
dW
dX
1−
≤β
dW
dX
ДЛЯ СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ
Рассмотрим переменные (неизвестные) x1, x2, …, xn в системе (4.6) как
координаты n-мерного пространства. Выделим в этом пространстве об­ласть R, ограничивающую диапазон изменения переменных. Решение си­стемы (4.6) будет представлять собой некоторую точку X0 в рассматрива­емом пространстве. Введем обозначение N(X, r) – n-мерная сферическая область радиуса r с центром в точке X.
Первые два условия сходимости:
1) функции Wi системы (4.6) должны быть непрерывно дифференци-
руемы в области R;
2) должно существовать число r > 0, при котором область N(X0, r)
полностью принадлежит области R. Это значит, что решение находится внутри области R.
Нетрудно видеть, что данные условия соответствуют первому усло-
вию сходимости для уравнений с одним неизвестным, за исключением существования вторых производных.
Третье и четвертое условия сходимости накладывают ограничение
на матрицу Якоби
:
3) в точке X0 должна существовать обратная матрица Якоби
норма которой удовлетворяет условию
, где β – действительное
положительное число;
4) в области N(X0, r) матрица Якоби как функция X должна быть
непрерывна по Липшицу.
,
Условие 3 приблизительно означает, что величины, обратные произ-
водным, не должны быть бесконечно велики, т. е. сами производные не должны обращаться в ноль. Это эквивалентно условию 2 для уравнения с одним неизвестным. Однако для систем уравнений условие 3 должно выполняться не для всей области N(X0, r), а только для точки решения.
57
Матричная функция
( )
XF
(
) (
)
12
12
XX
,
XX
− ≤γ
−
FF
( )
XF
называется непрерывной по Липшицу, если
для любых двух точек X1, X2, принадлежащих заданной области, выпол­няется условие
(4.39)
где γ – действительное положительное число, которое называется кон­стантой Липшица.
Из неравенства (4.39) видно, что непрерывность по Липшицу факти-
чески означает, что модули первых производных функции
ограни-
чены сверху. Поскольку в рассматриваемом случае функцией является матрица Якоби, то четвертое условие сходимости ограничивает модули вторых производных функций Wi.
Если выполняются условия сходимости 1–4, то существует дей-
ствительное положительное число r
, при котором метод Ньютона
0
сходится, если точка начального приближения принадлежит области
N(X0, r0).
Таким образом, рассмотренные условия гарантируют сходимость не
во всей области R и даже не во всей ее сферической части N(X0, r), а толь- ко в некоторой внутренней сфере N(X0, r0), которая может иметь весьма малые, но всегда конечные размеры. Именно поэтому условие 3 задано только для точки решения, а не для всей области.
Следует заметить, что в условиях сходимости знак второй производ­ной никак не ограничивается (в отличие от уравнения с одним неизвест­ным). Действительно, как было отмечено в предыдущем параграфе, изме­нение знака второй производной приводит лишь к тому, что сходимость теряет апериодический характер. Однако если модуль второй производной не будет слишком большим, то итерационный процесс не разойдется, а лишь примет колебательный характер, по крайней мере, в области, до­статочно близкой к решению. Этому и соответствует условие непрерыв­ности матрицы Якоби по Липшицу.
58
Как и во всех предыдущих случаях, рассмотренные условия сходимо-
сти являются достаточными, но не необходимыми. Анализ показал, что при расчете режимов электрических сетей достаточные условия сходимо­сти часто не выполняются. При этом во многих случаях итерационный процесс все же сходится.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Запишите рекуррентную формулу в общем виде для нахождения x4
при решении системы уравнений с десятью неизвестными x1…x10 методом Зейделя.
2. Почему в третьем слагаемом в правой части формулы (4.3) у напря-
жения отсутствует номер итерации?
3. Какую размерность имеет величина ε в формуле (4.10) при реше-
нии уравнений узловых напряжений в форме баланса мощностей, если напряжения выражены в [кВ], а проводимости – в [См]?
4. Сколько элементов содержит матрица Якоби при решении уравне-
ний режима методом Ньютона, если число узлов с неизвестными напря­жениями равно десяти, а узлы, балансирующие по реактивной мощности, отсутствуют?
5. Назовите модификации метода Ньютона.
6. Что такое золотое сечение?
7. Почему матрица узловых проводимостей обычно является слабо
заполненной?
8. Сколько решений будут иметь уравнения режима при задании
нагрузок постоянными сопротивлениями?
9. Сформулируйте условия сходимости метода простой итерации для
уравнения с одним неизвестным.
10. Сформулируйте условия сходимости метода Зейделя.
11. Сформулируйте условия сходимости метода Ньютона для урав-
нения с одним неизвестным.
12. Сформулируйте условия сходимости метода Ньютона для систем
уравнений.
59

5. ОСОБЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Расчет особых режимов обычно представляет собой более сложную задачу по сравнению с расчетом нормальных режимов. Различные особые режимы часто требуют индивидуальных методов расчета и индивидуаль­ных форм записи уравнений. Однако такие режимы обычно «охватывают» сравнительно небольшие части электрической системы, поэтому число уз­лов при расчете особых режимов сравнительно невелико. Ниже рассмот­рены несимметричные и несинусоидальные режимы как наиболее харак­терные и часто встречающиеся.
5.1. РАСЧЕТ НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ
МЕТОДОМ ФАЗНЫХ КООРДИНАТ
Не симметрия режима трехфазных электрических сетей в той или иной степени имеет место всегда. Однако если составляющие обратной и нулевой последовательностей токов и напряжений малы, то режим счи­тается симметричным.
Практическим критерием симметрии режима может являться соответ­ствие коэффициентов обратной и нулевой последовательностей требова­ниям ГОСТ 32144-2013. Однако пределы этих коэффициентов, соглас­но ГОСТу, приняты исходя из технических условий работы электрообо­рудования, а не из допустимой погрешности расчета. По этой причине по­нятие «симметричный режим» с точки зрения ГОСТа может не совпадать с этим понятием с точки зрения расчета режима. Кроме того, сделать вы­вод о соответствии режима ГОСТу часто можно только после его расчета.
Не симметрия режима может иметь следующие причины:
1) неравномерное распределение нагрузок по фазам;
2) неодинаковые сопротивления (проводимости) разных фаз элемен-
тов сети (характерно для воздушных линий);
3) работа сети при одной или двух отключенных фазах какой-либо
линии.
60
Метод фазных координат заключается в том, что уравнения режима
нIA
U
нIB
U
нIC
U
н IIA
U
н IIB
U
н IIC
U
IA
S
IB
S
IC
S
IIA
S
IIB
S
IIC
S
I
A
I
I
B
I
IC
I
II
A
I
II
B
I
II
C
I
I
A
U
IB
U
IC
U
IIA
U
II
B
U
IIC
U
записываются через фазные токи и напряжения.
Рассмотрим двухцепную линию электропередачи. Схема замещения
для расчета несимметричных режимов (без учета емкостных проводимо­стей) показана на рис. 5.1. Известны фазные напряжения в начале линии
для цепей I, II: янными фазными мощностями
,
,
,
,
,
,
,
,
. Нагрузки заданы посто-
,
,
. Для линий из-
вестны комплексные сопротивления фаз Zф, а также взаимные индуктив­ные сопротивления. Электромагнитное взаимодействие разных фаз одной цепи характеризуют взаимные индуктивные сопротивления XAB, XBC, XAC. Остальные взаимные индуктивные сопротивления соответствуют элек­тромагнитному взаимодействию между фазами разных цепей. При этом в силу симметричного расположения цепей будем считать равными сле­дующие пары сопротивлений: X
AIBII
= X
BIAII
, X
AICII
= X
CIAII
, X
BICII
= X
CIBII
(приведенная ниже система уравнений записана с учетом этих равенств). Требуется определить токи в линии
напряжения в конце линии
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
и фазные
.
Рис. 5.1. Схема замещения двухцепной линии в несимметричном режиме
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]