適用于交直流互聯(lián)電網(wǎng)的動態(tài)等值軟件設(shè)計*

劉 平，王長香，門 錕，趙利剛，武志剛，黃冠標(biāo)，朱 林

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510080）

適用于交直流互聯(lián)電網(wǎng)的動態(tài)等值軟件設(shè)計*

劉 平1，王長香2，門 錕2，趙利剛2，武志剛1，黃冠標(biāo)1，朱 林1

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州 510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510080）

提出了一種適用于交直流互聯(lián)電網(wǎng)的動態(tài)等值軟件設(shè)計方法。首先，深入研究了交直流互聯(lián)電網(wǎng)動態(tài)等值中的關(guān)鍵問題；然后按照功能需求，以模塊獨立、數(shù)據(jù)交換分離、靈活擴(kuò)層的設(shè)計思路搭建了軟件框架；最后采用面向?qū)ο蟮脑y(tǒng)一建模技術(shù)開發(fā)出了可與多種電力系統(tǒng)分析軟件交互的、易于擴(kuò)展的新型動態(tài)等值軟件，并通過實際運行數(shù)據(jù)檢驗了所開發(fā)軟件的有效性。

動態(tài)等值；直流系統(tǒng)；統(tǒng)一建模；軟件開發(fā)

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)正朝著大規(guī)模交直流互聯(lián)的趨勢發(fā)展，對其動態(tài)行為進(jìn)行分析是電力工作者的研究重點，但這項工作費時費力。因此，可進(jìn)行大規(guī)?；営帜芡瑫r保留原有系統(tǒng)動態(tài)特性的動態(tài)等值工作將突顯出重要的現(xiàn)實意義。

在動態(tài)等值常用的方法中，同調(diào)等值法物理透明度大，理論成熟，適合大規(guī)模非線性系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定分析。該方法主要包括同調(diào)發(fā)電機(jī)判別、等值發(fā)電機(jī)參數(shù)聚合及網(wǎng)絡(luò)化簡等方面的內(nèi)容，為大多動態(tài)等值軟件所采用。目前廣泛使用的動態(tài)等值軟件，包括美國電科院的DYNEQ、安大略水電局的DYNRED以及中國電科院的PS? DEP，都是依托同調(diào)等值法設(shè)計與開發(fā)[1-2]。近些年來眾多學(xué)者在電網(wǎng)動態(tài)等值方法上仍有持續(xù)深入的研究，提出許多有效的方法來改善等值效果[3-10]，具有重要的借鑒價值。

傳統(tǒng)的動態(tài)等值軟件只重點關(guān)注于交流系統(tǒng)在故障前后的相似性，甚少考慮直流系統(tǒng)在動態(tài)等值過程中的處理方法。同時，在等值過程中對于等值效果的檢驗問題上也鮮有總結(jié)。此外，傳統(tǒng)等值軟件多是算法種類固定且基于面向過程所開發(fā)，執(zhí)行效率較低，難以滿足目前大規(guī)模系統(tǒng)等值精確性和快速性的要求，軟件的封閉性不利于以后功能的擴(kuò)展和維護(hù)。

本文將直流系統(tǒng)的處理納入到交直流互聯(lián)電網(wǎng)的動態(tài)等值過程中，提出了相應(yīng)的化簡與檢驗原則，以確保等值系統(tǒng)具有較好的等值效果和精度。本文所開發(fā)的新型等值軟件，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)對電力系統(tǒng)元件軟件的統(tǒng)一建模，并利用插件技術(shù)提供多種算法作為支撐，從而使軟件更具有通用性及可擴(kuò)展性，大大提高了執(zhí)行效率和精度。最后以南方電網(wǎng)某年含多回直流的運行方式為例，結(jié)合本文提出的直流系統(tǒng)處理方法、化簡與效果檢驗準(zhǔn)則進(jìn)行等值處理，并與PSDEP等值結(jié)果及原始系統(tǒng)進(jìn)行對比，驗證所開發(fā)軟件的有效性。

1 交直流互聯(lián)電網(wǎng)動態(tài)等值關(guān)鍵問題分析

1.1 直流系統(tǒng)的等值處理

直流輸電系統(tǒng)的等值處理是交直流互聯(lián)電網(wǎng)動態(tài)等值中的新問題。對于直流的處理，可以根據(jù)直流整流站、逆變站的特性，由潮流計算求出直流整流站和逆變站的節(jié)點功率后進(jìn)行恒等功率變換。整流站則從交流系統(tǒng)吸收功率，相當(dāng)于是在該節(jié)點掛有負(fù)荷，因此可將其等效為PQ節(jié)點，負(fù)荷的大小則為相應(yīng)的直流功率；逆變站向交流系統(tǒng)輸送功率，因此可將其等效為慣性時間常數(shù)較大的發(fā)電機(jī)節(jié)點，發(fā)電機(jī)出力值則為直流功率。

這種依托功率的直流處理方案可將含有直流的交直流互聯(lián)電網(wǎng)等值轉(zhuǎn)化為純交流電網(wǎng)等值，顯著降低等值工作的難度。但這種處理方案會降低區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的整體性，對研究局部的地區(qū)電網(wǎng)較為有效。

也可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，即保留交流系統(tǒng)側(cè)與直流換流站聯(lián)接有換流變壓器的節(jié)點，在完成純交流電網(wǎng)等值后，再將相應(yīng)的直流模型重新加入。這種方案考慮到等值過程中交流主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與故障狀態(tài)下直流系統(tǒng)的動態(tài)，因而具有較好的等值效果。

1.2 交流系統(tǒng)的等值處理

發(fā)電機(jī)參數(shù)聚合是交流電網(wǎng)動態(tài)等值的核心內(nèi)容。發(fā)電機(jī)聚合通常采用的是尋優(yōu)方法來擬合原始的傳遞函數(shù)，因而在計算量、尋優(yōu)方向上有一定要求。需要指出的是，對于電磁回路的聚合也可以根據(jù)方程結(jié)構(gòu)的一致性用解析法求解[5-6]，故具有更快的解算速度。但這種方法僅適用于發(fā)電機(jī)四階和六階模型，但不適宜于五階模型。因此，選擇科學(xué)、合理、高效和易于實現(xiàn)的聚合算法對于動態(tài)等值軟件開發(fā)非常關(guān)鍵。

網(wǎng)絡(luò)化簡也是交直流電網(wǎng)動態(tài)等值的一項重要內(nèi)容。對于動態(tài)負(fù)荷與靜態(tài)負(fù)荷并存的情況，可先將動態(tài)負(fù)荷移至公共母線上，參考發(fā)電機(jī)聚合方式；靜態(tài)負(fù)荷則轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)ZIP模型，采用電流溝法或REI法合并。

1.3 等值化簡與檢驗準(zhǔn)則

為確保等值系統(tǒng)具有原系統(tǒng)的主要特征，需要明確合理的等值準(zhǔn)則，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的適度化簡。

通常，需要將500 kV及以上的主網(wǎng)絡(luò)和重要的節(jié)點（包括負(fù)荷節(jié)點、直流落點）予以保留；而發(fā)電機(jī)則結(jié)合實際的地理位置是否相近、電氣距離是否相近以及是否滿足同調(diào)性三方面的綜合要求進(jìn)行等值。

在等值效果檢驗上，本文認(rèn)為除了把三相故障作為等值效果檢驗原則以外，還需將其他故障條件考慮在內(nèi)，提出了表1所示的三條準(zhǔn)則來檢驗等值效果。

表1 等值效果檢驗原則

滿足潮流一致是動態(tài)等值的最基本條件，是進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定仿真比較的前提；短路容量校驗，一般可以選取等值前后關(guān)鍵節(jié)點母線、換流站母線等重要節(jié)點進(jìn)行考察；檢驗暫態(tài)效果，通常需在重要線路設(shè)置對稱故障、不對稱故障以及保留直流系統(tǒng)的單極閉鎖等故障后分別仿真，進(jìn)行充分比較分析。

若等值系統(tǒng)滿足上述三個檢驗準(zhǔn)則要求，則認(rèn)為該系統(tǒng)具有較好的等值效果。反之，則需要采取修改等值方案、檢查發(fā)電機(jī)同調(diào)劃分、調(diào)整等值系統(tǒng)參數(shù)，以獲得合理的等值效果。

2 軟件架構(gòu)

2.1 基本框架

本文所開發(fā)的動態(tài)等值軟件（Dynamic Equiv?alent Software，以下簡稱DES）的系統(tǒng)框架如圖1所示。核心功能模塊由C#編寫而成，主要功能上由同調(diào)識別、同調(diào)發(fā)電機(jī)聚合以及網(wǎng)絡(luò)化簡三部分組成。這三部分功能各自實現(xiàn)的算法種類繁多，為方便用戶選擇，不同的算法以Fortran編寫成插件的形式嵌入到相應(yīng)的功能中，同時配以接口實現(xiàn)Fortran和C#的混合編程，可在不影響程序主體功能上更新、增加、刪除插件。

另外程序還包含統(tǒng)一元件模型庫和稀疏矩陣求解庫，兩者囊括了等值計算過程中需要用到的元件模型、網(wǎng)絡(luò)信息以及利用稀疏矩陣求解的算法。

此外，在程序的執(zhí)行中采用并行的方法對每一步的過程信息進(jìn)行實時監(jiān)控，包括發(fā)生的錯誤信息，對元件模型缺省處理，必要的計算過程及結(jié)果信息，并以日志的形式進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便用戶及時掌握等值過程信息。

圖1 動態(tài)等值程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 數(shù)據(jù)交換

同調(diào)算法的實現(xiàn)需要依賴已有的網(wǎng)架拓?fù)鋮?shù)、系統(tǒng)潮流以及穩(wěn)定數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)的格式隨著所使用的電力系統(tǒng)分析軟件的不同而不同。為使等值程序能從不同類型的軟件中獲取所需數(shù)據(jù)，因而構(gòu)造數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和數(shù)據(jù)輸出接口以統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)與動態(tài)等值程序的數(shù)據(jù)交換。

PSD-BPA是目前國內(nèi)廣泛采用的電力系統(tǒng)分析軟件，其數(shù)據(jù)特點是以卡片形式記錄復(fù)雜的潮流模型和穩(wěn)定模型，軟件設(shè)計時考慮了數(shù)據(jù)兼容與轉(zhuǎn)換的要求，設(shè)計思路如圖2所示。

2.3 可擴(kuò)展性

前述已提到各功能模塊算法以及元件模型的種類較多且在不斷更新。為使等值軟件能適應(yīng)日后技術(shù)的發(fā)展和需要，使用插件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序開發(fā)，增強(qiáng)軟件的擴(kuò)展能力[12-13]。模塊為例的插件體系。該插件體系主要有插件管理程序、插件接口程序以及各插件程序組成。

圖2 PSD-BPA與動態(tài)等值程序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口示意圖

在插件體系下，化簡的算法、非線性負(fù)荷折算、直流系統(tǒng)特殊處理、潮流偏差校正等功能是作為插件程序獨立存在，所以不存在功能間的交互影響。

插件接口程序則是插件管理程序與插件程序的交互媒介，可在系統(tǒng)動態(tài)插入或刪除插件時實現(xiàn)智能識別，提供有效的通信機(jī)制使插件與插件管理程序協(xié)調(diào)工作，自動調(diào)用。

而插件管理程序為插件程序創(chuàng)建運行環(huán)境和分配相應(yīng)的資源空間，根據(jù)功能模塊的需要或用戶的要求進(jìn)行插件的調(diào)用。

圖3 網(wǎng)絡(luò)化簡模塊的插件體系

3 基于面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模

傳統(tǒng)的等值程序設(shè)計思路是以結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計為主。實際上軟件需適應(yīng)需求變化而改變，使得其整體結(jié)構(gòu)也隨之改變，這嚴(yán)重制約了軟件的維護(hù)和擴(kuò)展。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法對電力系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過封裝可以隱藏模型的內(nèi)部細(xì)節(jié)，有效減少外部的干預(yù)和代碼間的依賴程度，利用繼承提高了代碼的重用性，也有利于程序的擴(kuò)展[14-16]。

不同電力系統(tǒng)分析軟件的數(shù)據(jù)格式不盡相同，采用的模型也存在差異。如PSD-BPA軟件對線路模型包括了對稱線路模型、不對稱線路模型、變壓器或移相器等模型。使用元件統(tǒng)一模型可有效解決等值軟件與多種電力系統(tǒng)分析軟件間的兼容需求。

這里以線路模型為例，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行統(tǒng)一建模，將各種線路模型的特征結(jié)合在一起，如圖4所示。該統(tǒng)一線路模型可通過改變兩端理想變壓器變比或是兩端母線的對地導(dǎo)納參數(shù)即可模擬普通支路、變壓器支路、線路高抗等不同的線路模型。

圖4 等值程序用于描述不同類型線路的通用模型

采用線路兩端的節(jié)點名稱作為關(guān)鍵字，即可快速調(diào)用和操作對應(yīng)的數(shù)據(jù)，而無需關(guān)注具體的線路類別。類似地，其他模型可以按照具有相同特性來定義新的類。還可利用繼承的方式，來派生更多模型類，如圖5所示的發(fā)電機(jī)模型Generator類可以派生出Exciter、Governor等更多的類。

圖5 簡化的電力系統(tǒng)主要元件類視圖

4 案例分析

本文以南方電網(wǎng)某年豐大運行方式下的系統(tǒng)為案例進(jìn)行了主網(wǎng)的動態(tài)等值化簡，以檢驗所設(shè)計軟件的有效性。該運行方式含有513臺發(fā)電機(jī)，2 648個交流節(jié)點，5回直流輸電線路。綜合考慮同調(diào)性及各發(fā)電機(jī)電氣距離的遠(yuǎn)近，將510臺原始發(fā)電機(jī)聚合為38臺等值發(fā)電機(jī)。保留5回直流線路及相連接的交流節(jié)點，除個別帶有重要負(fù)荷的低電壓等級節(jié)點外，化簡主干網(wǎng)500 kV以外電壓等級的節(jié)點，剩余372個節(jié)點，消去規(guī)模為85.9%。如表2和表3所示為等值前后系統(tǒng)部分節(jié)點和線路潮流比較。表4則為等值前后系統(tǒng)的三相短路容量對比。

通過表2～4，可以看出等值系統(tǒng)與原始系統(tǒng)相比，在關(guān)鍵節(jié)點和重要線路的潮流偏差都滿足潮流一致的準(zhǔn)則，主要母線的三相短路容量偏差在10 MVA以內(nèi)。

為了更好地驗證所開發(fā)軟件的等值效果，將其與PSDEP等值軟件在PSD-BPA環(huán)境下分別與原系統(tǒng)暫態(tài)性能的比較。需要說明的是PSDEP無法完整保留直流系統(tǒng)，可采用本文所提方案。

表2 等值前后系統(tǒng)母線電壓比較

表3 等值前后系統(tǒng)線路潮流比較

表4 等值前后系統(tǒng)短路容量比較

在天廣直流設(shè)置雙極閉鎖故障，驗證處理直流系統(tǒng)方案的有效性，其暫態(tài)仿真結(jié)果如圖6?？梢奃ES等值后母線電壓暫態(tài)過程的幅值波動均能保持在0.015p.u.以內(nèi)，而線路的有功功率也能與原始系統(tǒng)較好吻合，振蕩特性基本一致。可見，本文提出的直流處理方案合理。

圖6 設(shè)置直流閉鎖故障后的暫態(tài)仿真曲線

圖7 設(shè)置三相故障的暫態(tài)仿真曲線

在PSD-BPA環(huán)境下分別對等值前后系統(tǒng)設(shè)置三相故障、不對稱故障，進(jìn)行暫態(tài)性能綜合對比。圖7為安高線發(fā)生三相故障時等值前后系統(tǒng)中肇慶站點母線電壓和梧州-羅洞線路功率的相關(guān)曲線?？梢钥闯?，兩者均都能較好的逼近原始系統(tǒng)的動態(tài)特性。

在安高線安順母線側(cè)設(shè)置A相故障，等值前后系統(tǒng)母線電壓和線路功率曲線如圖8所示。從圖8可以看出，PSDEP等值系統(tǒng)的暫態(tài)曲線與原系統(tǒng)在故障后5 s內(nèi)有較大區(qū)別，尤其是前2 s的振蕩擺幅偏大。相比之下DES能更好地與原始系統(tǒng)動態(tài)特性保持一致。

5 結(jié)論

本文將直流系統(tǒng)的等值處理方式納入了交直流互聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)等值范疇，提出了保留直流系統(tǒng)的等值化簡方案，明確了電網(wǎng)化簡與檢驗準(zhǔn)則，通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行電力系統(tǒng)元件統(tǒng)一模型的軟件建模，設(shè)計開發(fā)了高效、易于維護(hù)和擴(kuò)展的適用于交直流互聯(lián)系統(tǒng)的動態(tài)等值軟件。以南方電網(wǎng)某年豐大運行方式為例，與PSDEP和原系統(tǒng)進(jìn)行了等值效果比較。計算機(jī)仿真結(jié)果表明了所開發(fā)的軟件具有良好的等值效果。

［1］ PRICEWW，HURYSZBJ，HIRSCHPM. Large-scale system testing of a power system dynamic equivalencing program［J］.IEEE Trans on Power Sys?tems，1998，13（3）：768-774.

［2］許劍冰，薛禹勝，張啟平，等.電力系統(tǒng)同調(diào)動態(tài)等值的述評［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（14）：91-95.

［3］CHOW J H．Power system coherency and model reduc?tion［M］.New York：Springer，2013.

［4］彭偉，徐泰山.電力系統(tǒng)動態(tài)等值中發(fā)電機(jī)的選擇方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（14）：48-52.

［5］OURARI M L，DESSAINT L A，DO V Q.Dynamic equivalent modeling of large power systems using struc?ture preservation technique［J］.IEEE Trans on Power Systems，2006，21（3）：1284-1295.

［6］ZIN A A M，KOK B C，MUSTAFA M W，et al．Time domain dynamic aggregation of generating unit based on structure preserving approach［C］.Proceedings of Pow?er Engineering Conference，2003.

［7］趙書強(qiáng)，常鮮戎，潘云江.電力系統(tǒng)同調(diào)機(jī)群識別的一種模糊聚類方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（04）：10-13.

［8］楊靖萍.大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)動態(tài)等值方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［9］胡杰.電力系統(tǒng)動態(tài)等值參數(shù)聚合［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

［10］岳程燕.大規(guī)模電力系統(tǒng)動態(tài)等值中聚合問題的研究［D］.北京：中國電力科學(xué)研究院，2007.

［11］倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［12］徐宏興.插件體系結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)方法研究［D］.成都：四川大學(xué)，2005.

［13］高慧萍，呂俊.插件式開發(fā)技術(shù)研究與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2009，30（16）：3805-3807.

［14］NEYER A，WU F F，IMHOF K，Object-oriented pro?gramming for flexible software：example of a load flow［J］.IEEE Trans on Power Systems，1990，5（3）：689-696.

［15］HAKAVIK B，HOLEN A T．Power system modelling and sparse matrix operations using object-oriented pro?gramming［J］.IEEE Trans on Power Systems，1994，9（2）：1045-1051.

［16］陸進(jìn)軍，黃家裕.基于面向?qū)ο蠓椒ǖ碾娏ο到y(tǒng)潮流計算程序［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2000，12（06）：53-56.

A Software Design of Dynamic Equivalent for AC/DC Interconnected Power Grid

LIU Ping1，WANG Chang-xiang2，MEN Kun2，ZHAO Li-gang2，WU Zhi-gang1，HUANG Guan-biao1，ZHU Lin1
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou510641，China；2.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid，Guangzhou510080，China）

This paper proposes a new software design method of dynamic equivalents for AC/DC interconnected power grid.First，some critical issues of dynamic equivalents for AC/DC interconnected power grid have been intensively investigated.Then，considered the function requirements，it builds a general framework for the dynamic equivalents software，which follows the design routine of separateness of modules and data switching and flexible extensibility.Finally a new software tool for dynamic equivalents is developed with OOP technics and unified modeling and a case has been studied to validate the performance of the newly developed software.

dynamic equivalent；DC system；unified modeling；software development

TM727

：A

：1009－9492(2014)11－0001－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.001

劉 平，男，1990年生，廣東佛山人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

朱 林，男，1979年生，博士，副教授。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制。

(編輯：阮 毅)

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）基金資助項目（編號：2012AA050209）

2014－07－28