BPA電網(wǎng)模型自動(dòng)導(dǎo)入DIgSILENT的研究和開發(fā)

劉 慶,張東英，劉燕華，許曉艷，黃越輝

(1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

BPA是國(guó)內(nèi)擁有眾多用戶并具有廣泛影響的電力系統(tǒng)綜合仿真程序，國(guó)內(nèi)很多電力公司都采用BPA 進(jìn)行仿真計(jì)算[1-2]。在研究新能源或新設(shè)備并網(wǎng)問題時(shí)，需要在現(xiàn)有的大電網(wǎng)模型基礎(chǔ)上建立新元件模型，但BPA 不能修改和自定義元件模型。

大型集成化電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/PowerFactory 具有可靠靈活的系統(tǒng)建模能力[3]。該軟件不僅包含了其他電力系統(tǒng)仿真軟件中的潮流、短路、機(jī)電暫態(tài)、電磁暫態(tài)等分析功能，還具有很多獨(dú)特而實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。它是以圖形化操作和數(shù)據(jù)管理技術(shù)為支撐，便于調(diào)試和結(jié)果分析；具有風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等元件模型，也可由用戶自定義各種元件模型。國(guó)內(nèi)已有很多科研人員使用DIgSILENT建模和仿真，為電網(wǎng)分析、決策提供更有利的依據(jù)。文獻(xiàn)[4-7]均選擇DIgSILENT 作為研究風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行和控制的仿真平臺(tái)。

在DIgSILENT 中搭建實(shí)際大電網(wǎng)的模型，這個(gè)工作如果完全人工建模，工作量巨大。文獻(xiàn)[8]為了解決大電網(wǎng)海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中計(jì)算任務(wù)繁重、易出錯(cuò)等問題，開發(fā)了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度。

但是由于DIgSILENT 采用圖形化操作模式，不能像BPA 那樣只依靠數(shù)據(jù)文件就可進(jìn)行仿真，而需要在仿真之前將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)地填入到電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ偷母鱾€(gè)元件中。對(duì)于規(guī)模較大的電網(wǎng)，元件的對(duì)應(yīng)以及數(shù)據(jù)手動(dòng)導(dǎo)入的過程往往工作量大、出錯(cuò)率高。實(shí)現(xiàn)一種BPA 轉(zhuǎn)DIgSILENT 工具軟件是必要的。本文針對(duì)該問題，研究了一種BPA-DIgSILENT 模型數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入的通用方法，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 一次設(shè)備模型參數(shù)由BPA 轉(zhuǎn)DIgSILENT 的轉(zhuǎn)換公式

BPA 數(shù)據(jù)是基于卡片格式的，主要的潮流數(shù)據(jù)卡片可以分為五類，分別為區(qū)域控制數(shù)據(jù)卡、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)卡、支路數(shù)據(jù)卡、變壓器卡及數(shù)據(jù)修改卡[9-11]。而DIgSILENT 采用的是分層的面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫，潮流數(shù)據(jù)填入各個(gè)代表元件的圖形中儲(chǔ)存為對(duì)象，同時(shí)數(shù)據(jù)也可通過DIgSILENT 提供的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行導(dǎo)入和導(dǎo)出[12-14]。表1總結(jié)了常用一次設(shè)備的BPA-DIgSILENT 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系。其中SB、UB是系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量和基準(zhǔn)電壓，SNT、UNT是變壓器的額定容量和額定電壓，SNG、M、T分別為發(fā)電機(jī)的額定容量、發(fā)電機(jī)動(dòng)能、發(fā)電機(jī)加速時(shí)間常數(shù)。

表1 BPA-DIgSILENT 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 1 BPA-DIgSILENT data conversion relationship

1.2 基于DGS 的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出

DGS 是DIgSILENT 的標(biāo)準(zhǔn)雙向接口，專門用于DIgSILENT 與其他應(yīng)用程序之間的大批量數(shù)據(jù)交換。運(yùn)用DGS 可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）從DIgSILENT 導(dǎo)出電網(wǎng)模型、元件參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)圖形數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果至外部數(shù)據(jù)源，通過分析DGS 導(dǎo)出文件，還可以得到元件與元件之間的連接關(guān)系。

（2）通過DGS 接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DIgSILENT中，該功能提供以下兩種方法。

一種是將完整的電網(wǎng)數(shù)據(jù)（包括拓?fù)湫畔?、類型信息、圖形信息和網(wǎng)絡(luò)元件數(shù)據(jù)）導(dǎo)入到DIgSILENT 的新建項(xiàng)目中，對(duì)應(yīng)DGS 的每一行數(shù)據(jù)在該項(xiàng)目中都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象與之對(duì)應(yīng)，在這種情況下，DIgSILENT 可以自動(dòng)生成完整的電網(wǎng)模型。但是由于BPA 的數(shù)據(jù)不包含電網(wǎng)模型的圖形信息，因此只能放棄這種方法。

另一種是將DGS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到一個(gè)已建立的DIgSILENT 項(xiàng)目中，該項(xiàng)目已完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷拇罱?，即該?xiàng)目已包含了電網(wǎng)模型的拓?fù)湫畔⒑蛨D形信息，導(dǎo)入的數(shù)據(jù)通常是網(wǎng)絡(luò)元件數(shù)據(jù)以及元件的類型信息。由于 DGS 接口是通過元件的DIgSILENT 屬性來識(shí)別元件的，因此，運(yùn)用這種方法導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)，必須先給網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲懈鱾€(gè)元件的Foreign Key 屬性賦值，元件的Foreign Key 屬性類似于元件名稱，是一個(gè)元件區(qū)別于其他元件的標(biāo)識(shí)。本文利用第二種方法實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)導(dǎo)入功能。

1.3 BPA 模型導(dǎo)入DIgSILENT 的工作步驟

由于不能在兩種軟件間轉(zhuǎn)換圖形數(shù)據(jù)，因此必須先在DIgSILENT 中創(chuàng)建電網(wǎng)元件和接線的圖形對(duì)象，然后再將相同元件的模型數(shù)據(jù)由BPA 導(dǎo)入DIgSILENT 中。

BPA 模型導(dǎo)入DIgSILENT 需要以下步驟：

（1）檢查DIgSILENT 中創(chuàng)建的元件模型名稱與BPA 中的是否一致，給用戶錯(cuò)誤提示，直到所有錯(cuò)誤都修改后才能繼續(xù)下面步驟?？上葟腄IgSILENT 導(dǎo)出包含電網(wǎng)模型的DGS 文件，解析出元件模型名稱和元件間連接關(guān)系；然后解析出BPA 模型文件中的相關(guān)數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行對(duì)比分析。

（2）檢查DIgSILENT 中創(chuàng)建的電網(wǎng)拓?fù)溥B接與BPA 中的是否一致。也是通過解析對(duì)比DGS 文件和BPA 模型文件實(shí)現(xiàn)。

（3）按照自定義的命名規(guī)則，給DIgSILENT中所有元件的Foreign Key 屬性定義并填入唯一的值。

（4）將BPA 數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為DGS 文件。

（5）在DIgSILENT 中導(dǎo)入DGS 文件，實(shí)現(xiàn)批量給元件模型賦值。

1.4 BPA 模型自動(dòng)導(dǎo)入DIgSILENT 的技術(shù)方案

根據(jù)1.3 節(jié)所述，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)該工作流程可有以下兩種技術(shù)方案。

方案一是所有自動(dòng)流程全部采用DIgSILENT提供的編程語言DPL 實(shí)現(xiàn)。

DPL 程序在處理以下操作中有較明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）實(shí)現(xiàn)DIgSILENT 內(nèi)部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出；（2）訪問或更改的DIgSILENT 內(nèi)部對(duì)象。

DPL 的缺點(diǎn)是：不能像C 語言那樣實(shí)現(xiàn)比較靈活和通用的功能，DPL 的開發(fā)環(huán)境不能像C 語言那樣提供調(diào)試功能。因此，DPL 適用于程序代碼較短的功能，不適于開發(fā)大型或復(fù)雜的功能。

綜上所述，用DPL 可方便實(shí)現(xiàn)1.3 節(jié)工作步驟中的DGS 文件導(dǎo)入和導(dǎo)出、批量給元件的Foreign Key 屬性賦值（實(shí)質(zhì)也是導(dǎo)入DGS 文件）等功能。但其中的解析和對(duì)比DGS 和BPA 數(shù)據(jù)文件、自動(dòng)生成Foreign Key 名稱、BPA 轉(zhuǎn)換為DGS 文件等功能，如果采用DPL 實(shí)現(xiàn)，不但程序復(fù)雜、難以維護(hù)，而且也很難實(shí)現(xiàn)通用。

方案二是將DPL 實(shí)現(xiàn)困難的功能采用VC6.0實(shí)現(xiàn)，DPL 實(shí)現(xiàn)方便的功能還用DPL，最后用VC實(shí)現(xiàn)整體功能流程的控制。該方案的技術(shù)難點(diǎn)是：

（1）如何用VC 主動(dòng)調(diào)用DPL 程序。由于DPL程序只能在DIgSILENT 環(huán)境中使用，一般是需要人工操作觸發(fā)DPL 程序執(zhí)行。本文采用VC 中的窗口控制功能，模擬人工操作，自動(dòng)觸發(fā)DPL。

（2）DPL 程序執(zhí)行結(jié)束后，如何及時(shí)通知VC主程序，以便主程序執(zhí)行下一步功能。本文采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）實(shí)現(xiàn)，DPL 支持DDE 功能。

2 BPA 模型轉(zhuǎn)DIgSILENT 的工具軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)BPA 模型自動(dòng)導(dǎo)入DIgSILENT，構(gòu)建了三個(gè)功能模塊，分別是母線名稱校驗(yàn)?zāi)K、Foreign Key 生成和導(dǎo)入模塊、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure drawing

（1）母線名稱校驗(yàn)?zāi)K

該模塊用于校驗(yàn)BPA 和DIgSILENT 兩個(gè)軟件中電網(wǎng)模型的母線名稱是否一致。母線是電網(wǎng)的核心元件，其他元件通過母線連于電網(wǎng)。若兩個(gè)軟件中的母線名稱能夠一致，就可以以母線為核心搜索分析其他元件是否一一對(duì)應(yīng)。保證元件能夠一一對(duì)應(yīng)是實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入的關(guān)鍵。

通過執(zhí)行DPL1 可將DIgSILENT中的電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ蛯?dǎo)出為DGS 文件，將其與BPA 文件對(duì)比分析，可判斷DIgSILENT 電網(wǎng)模型中母線的名稱是否填寫正確。

（2）Foreign Key 生成和導(dǎo)入模塊

該模塊首先對(duì)BPA 和DIgSILENT 進(jìn)行以母線為核心的搜索和對(duì)比分析，檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠裾_，然后定義了一套Foreign Key 命名規(guī)則，通過執(zhí)行DPL2將生成的Foreign Key屬性值賦給DIgSILENT中的每個(gè)元件及元件類型。

（3）數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入模塊

該模塊將BPA 數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為DGS 文件，然后執(zhí)行DPL3 將DGS 文件導(dǎo)入DIgSILENT 中，自動(dòng)更新元件模型參數(shù)。

3 BPA 模型轉(zhuǎn)DIgSILENT 工具軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

該工具軟件的程序流程如圖2所示。該工具軟件采用VC6.0 作為開發(fā)平臺(tái)，主要的程序界面如圖3所示。首先點(diǎn)擊“選擇路徑”按鈕選擇待轉(zhuǎn)換的BPA 文件，然后依次點(diǎn)擊三個(gè)功能按鈕完成模型的自動(dòng)導(dǎo)入。輸出窗口用于顯示任務(wù)完成的進(jìn)展和出錯(cuò)提示信息。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart

圖3 系統(tǒng)主界面Fig.3 System main interface

4 軟件測(cè)試

為了驗(yàn)證BPA 模型轉(zhuǎn)DIgSILENT 工具軟件的功能，分別以IEEE 的3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和北京電網(wǎng)等值系統(tǒng)為例進(jìn)行軟件測(cè)試。測(cè)試步驟如下：（1）根據(jù)待轉(zhuǎn)換的 BPA 電網(wǎng)接線圖和數(shù)據(jù)文件在DIgSILENT 中搭建電網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?，并按照BPA 中的母線名給DIgSILENT 中的母線命名。（2）使用本文開發(fā)的工具軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及導(dǎo)入。（3）檢查兩個(gè)仿真軟件中的模型數(shù)據(jù)是否一致，對(duì)比分析潮流計(jì)算結(jié)果。

表2所示為3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在DIgSILENT 中直接建模和通過本文開發(fā)的工具軟件由BPA 模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入DIgSILENT 兩種數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式下3機(jī)9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在DIgSILENT仿真軟件中的潮流計(jì)算結(jié)果。由表2可見，兩種數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式下的潮流計(jì)算結(jié)果基本一致，微小的差異主要由于模型轉(zhuǎn)化過程中數(shù)據(jù)保留的有效位數(shù)不同所致。

表2 3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果比較Table 2 IEEE9 power flow calculation results comparison

表3為北京電網(wǎng)等值系統(tǒng)在BPA 和采用工具軟件轉(zhuǎn)換到DIgSILENT 中的潮流計(jì)算結(jié)果。

表3 北京電網(wǎng)潮流計(jì)算結(jié)果比較Table 3 Power flow calculation results comparison of Beijing grid

北京電網(wǎng)等值系統(tǒng)共有201 個(gè)節(jié)點(diǎn)，129 條線路，33 臺(tái)發(fā)電機(jī)，29 臺(tái)三繞組變壓器，111 臺(tái)雙繞組變壓器及26 臺(tái)電抗器，有功負(fù)荷10 944.06 MW，無功負(fù)荷2 408.37 Mvar。利用開發(fā)的工具軟件進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換成功后，分析兩個(gè)仿真軟件的潮流數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)電壓幅值最大相差0.02，相角最大相差0.08。表3列出節(jié)點(diǎn)電壓幅值相差最大的五個(gè)節(jié)點(diǎn)。誤差在允許的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證該工具軟件達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)語

本文用VC6 和DPL 開發(fā)的工具軟件實(shí)現(xiàn)了BPA 電網(wǎng)模型到DIgSILENT 的自動(dòng)轉(zhuǎn)換及自動(dòng)導(dǎo)入。用3 機(jī)9 節(jié)點(diǎn)算例和北京電網(wǎng)等值系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，表明該工具軟件極大地提高了使用DIgSILENT 進(jìn)行大電網(wǎng)建模的工作效率，促進(jìn)了DIgSILENT 在工程實(shí)用化方面的發(fā)展。

本文研究的VC6 和DPL 相結(jié)合的技術(shù)方案，還可用于實(shí)現(xiàn)諸如電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行決策等高級(jí)應(yīng)用功能。VC 作為主程序，根據(jù)決策過程的需要，主動(dòng)觸發(fā)DIgSILENT 進(jìn)行電網(wǎng)計(jì)算、輸入輸出需要的數(shù)據(jù)。此時(shí)，DIgSILENT 作為后臺(tái)電網(wǎng)計(jì)算模塊，能非常方便地與各類電網(wǎng)高級(jí)應(yīng)用集成在一起。

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