電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算和可視化技術(shù)研究

梁曉偉，朱琳艷，胡呂龍，王 凱，丁建順

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司營銷服務(wù)中心，安徽 合肥 230088；2.國網(wǎng)合肥供電公司，安徽 合肥 230088)

用戶異常用電事件對電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來一定的不確定影響，為了更好的保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，迫切需要及時(shí)了解電力系統(tǒng)的潮流狀態(tài)。

已有的潮流計(jì)算仿真器通常需要準(zhǔn)備完整描述節(jié)點(diǎn)潮流的IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件[1]。但是這樣的具有IEEE通用數(shù)據(jù)格式的節(jié)點(diǎn)潮流文本難以從電力系統(tǒng)中自動生成[2]。此外，潮流數(shù)據(jù)過于抽象，對電力系統(tǒng)調(diào)度人員直觀掌握電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)幫助有限[3-4]。

由于上述原因，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種能夠自動生成通用格式的節(jié)點(diǎn)潮流數(shù)據(jù)、具有可視化功能的潮流計(jì)算仿真器。該仿真器具有從現(xiàn)有的電力系統(tǒng)中自動生成IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件的功能，并在該文本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對電力系統(tǒng)的潮流進(jìn)行仿真計(jì)算，并在電力系統(tǒng)總線圖中對潮流大小和方向進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示電力系統(tǒng)的潮流動態(tài)的功能，為電力系統(tǒng)的調(diào)度人員直觀了解的電網(wǎng)潮流分布提供幫助。

1 潮流計(jì)算仿真器的總體設(shè)計(jì)

所提出的仿真器可以通過潮流計(jì)算可視化分支間的功率流量。潮流計(jì)算由IEEE通用數(shù)據(jù)格式的節(jié)點(diǎn)潮流數(shù)據(jù)文本驅(qū)動，該文本從電力系統(tǒng)中自動讀取。其中可視化引擎是用C語言編寫的OpenGL和OpenCV庫[5-7]。

圖1顯示了所提出的潮流計(jì)算仿真器的構(gòu)造。該仿真器由3個(gè)引擎組成：潮流計(jì)算引擎、可視化引擎和系統(tǒng)文件生成引擎[8-10]。

圖1 潮流仿真器的結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of power flow simulator

潮流計(jì)算引擎有兩個(gè)功能。首先，計(jì)算引擎計(jì)算潮流功率大小。自動生成的通用格式文本數(shù)據(jù)由母線數(shù)據(jù)段和分支節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)段組成[11-12]。圖2顯示了一個(gè)母線數(shù)據(jù)部分。

圖2 IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件中的部分總線數(shù)據(jù)Fig.2 Partial bus data in IEEE common data format file

圖2中總線類型編號定義如表1所示。

表1 總線類型Tab.1 Bus type

計(jì)算引擎從上述通用格式的文本數(shù)據(jù)中讀取有功和無功負(fù)載(MW、MVAR)，發(fā)電量(MW、MVAR)和電壓，并計(jì)算功率潮流的大?。痪唧w結(jié)果如圖3所示

圖3 計(jì)算后的通用格式的部分節(jié)點(diǎn)潮流數(shù)據(jù)Fig.3 Power flow data of some nodesin general format after calculation

可視化引擎有3個(gè)功能[13-14]：

(1)提供自定義的電力系統(tǒng)單線圖功能。該功能使用戶能夠手動制作所需的電力系統(tǒng)單線圖；

(2)可視化引擎能夠?qū)崟r(shí)渲染電力系統(tǒng)的潮流分布狀態(tài)。可視化引擎通過讀取通用格式文件中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)部分的列14或16來獲得潮流信息?？梢暬婺軌蝻@示有功功率大小，并在每個(gè)分支節(jié)點(diǎn)處用箭頭表示潮流走向；

(3)從通用數(shù)據(jù)格式文件自動輸出系統(tǒng)圖。

系統(tǒng)文件生成引擎可以在可視化引擎中從用戶繪制的系統(tǒng)圖生成具有通用數(shù)據(jù)格式的文本文件。該引擎從用戶繪制的系統(tǒng)圖中識別母線的數(shù)量和每個(gè)連接節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)[15]。通過使用從系統(tǒng)文件生成引擎獲得的通用數(shù)據(jù)格式文件，計(jì)算引擎可以計(jì)算任何系統(tǒng)配置下的功率流量。由此可以看出，引擎之間的接口是通用數(shù)據(jù)格式文件，這是本文提出仿真器的重要基本概念[16]。

2 潮流仿真器的功能設(shè)計(jì)

2.1 IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件的生成

所提出的仿真器可以從系統(tǒng)文件引擎的系統(tǒng)圖生成符合IEEE通用數(shù)據(jù)格式的文本文件；生成通用數(shù)據(jù)格式文件的流程如圖4所示。

圖4 生成通用數(shù)據(jù)格式文本流程Fig.4 Process of generating text in common data format

如果沒有IEEE常用數(shù)據(jù)格式文件，用戶自定義電力系統(tǒng)圖；圖5顯示了電力系統(tǒng)的繪圖窗口。

圖5 電力系統(tǒng)圖繪制窗口Fig.5 Power system diagram drawing window

由圖5可知，用戶可以通過從“按鈕區(qū)域”選擇元素并在“繪圖區(qū)域”中部署元素來繪制系統(tǒng)圖。通過在母線之間拖動來繪制饋線，母線連接狀態(tài)可以被自動識別。此外，在母線周圍部署的發(fā)電機(jī)和負(fù)載也被自動識別；完成系統(tǒng)圖繪制后，通過輸入?yún)?shù)生成常用數(shù)據(jù)格式文件。

2.2 電力系統(tǒng)潮流狀態(tài)圖的生成

如果用戶輸入IEEE常用數(shù)據(jù)格式文件，或如果用戶沒有輸入IEEE常用數(shù)據(jù)格式文件，則從電力系統(tǒng)圖中自動生成用數(shù)據(jù)格式文件，可視化引擎依據(jù)IEEE常用數(shù)據(jù)格式文件自動渲染出電力系統(tǒng)的潮流分布狀態(tài)；具體如圖6所示。

圖6 自動繪制的潮流分布狀態(tài)圖Fig.6 Power flow distribution state diagram automatically drawn

圖6中所示的符號與圖5中的符號相同，用戶可以通過拖動來對母線進(jìn)行移動調(diào)整。

2.3 潮流計(jì)算

通過潮流計(jì)算得到電力系統(tǒng)中功率輸送的方向和大小。在包括n個(gè)母線的電力系統(tǒng)中的母線電流被描述為：

(1)

式中：Vi為第i條母線處的電壓；Yij為第i條母線和第j條母線間的導(dǎo)納。有效功率Pi和無功功率Qi可以描述為：

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)，有效功率和無功功率也可被描述為：

(3)

在潮流仿真器采用牛頓迭代法對式(3)求解以獲得每個(gè)母線的有效功率、無功功率、電壓和電流角度。

2.4 時(shí)變潮流的可視化

電力系統(tǒng)潮流狀態(tài)是基于IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件計(jì)算的[17-18]。該文件由系統(tǒng)文件引擎生成，由用戶在計(jì)算引擎中編寫。在可視化引擎中實(shí)現(xiàn)了潮流計(jì)算結(jié)果的可視化，箭頭的厚度表示潮流的數(shù)值，箭頭方向表示潮流流向。

該仿真器可實(shí)現(xiàn)對可再生能源模擬系統(tǒng)的時(shí)變功率流的可視化，該仿真器根據(jù)風(fēng)速計(jì)算風(fēng)力功率。當(dāng)用戶輸入IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件時(shí)，用戶輸入的風(fēng)力數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 風(fēng)力數(shù)據(jù)Tab.2 Wind power data

當(dāng)用戶繪制顯示的系統(tǒng)圖時(shí)，也會每次輸入風(fēng)速,獲得了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電總量。

(4)

式中：v(t)是風(fēng)速隨時(shí)間變化的曲線；vci、vco和vr分別是切入風(fēng)速、切出風(fēng)速和額定風(fēng)速；Pwrated是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出功率[19-20]。

因?yàn)榭稍偕茉吹纳墒请S時(shí)變化的，因此需要對母線數(shù)據(jù)部分的第9列所記錄的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。本文所設(shè)計(jì)的仿真器通過生成或者讀取IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件更新和顯示潮流數(shù)據(jù)的變化。此外，為了區(qū)分風(fēng)力發(fā)電和正?；鹆Πl(fā)電，風(fēng)力發(fā)電機(jī)標(biāo)志也被標(biāo)識在潮流分布圖上。

3 仿真測試

圖7顯示了一個(gè)IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件，它由系統(tǒng)文件生成引擎根據(jù)用戶繪制的電力系統(tǒng)圖自動生成。

圖7 仿真器生成的IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件Fig.7 IEEE common data format file generated by emulator

由圖7可知，繪制的系統(tǒng)圖遵循IEEE14總線系統(tǒng)。對圖7中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，生成的IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件與IEEE 14總線系統(tǒng)相同，這顯示了系統(tǒng)文件生成引擎的運(yùn)行可靠性。

圖8顯示了14個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的模擬計(jì)算結(jié)果；其中風(fēng)力數(shù)據(jù)如表2所示。

圖8 預(yù)定義電力系統(tǒng)的功率流的結(jié)果Fig.8 Results of power flow of predefined power system

通過對圖8中的t=t1和t=t2的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，可以確定在風(fēng)速發(fā)生劇烈變化的情況下潮流方向會隨之發(fā)生變化；用戶在圖8中可直觀地從顯示的電源流中了解電源流狀態(tài)的變化。圖9顯示了用戶自定義的電力系統(tǒng)圖的潮流計(jì)算結(jié)果。

圖9 用戶定義電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算結(jié)果Fig.9 Power flow calculation resultsof user-defined power system

通過圖9用戶能夠直觀發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)潮流的變化。圖8、圖9表明了可視化引擎可以實(shí)現(xiàn)用戶友好的潮流分布。

4 結(jié)語

本文提出并實(shí)現(xiàn)了潮流計(jì)算的仿真及其可視化。所提出的潮流仿真器具有從用戶繪制的電力系統(tǒng)圖中自動生成IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件的功能。此外，潮流仿真器還具有從IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件自動顯示電力系統(tǒng)潮流分布圖，對電力系統(tǒng)中的潮流方向和大小進(jìn)行可視化的渲染。仿真結(jié)果表明，該潮流仿真器實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的IEEE通用數(shù)據(jù)格式文件和直觀的潮流狀態(tài)圖。