基于Power World的電網穩定性可視化分析

孫惠娟，彭春華，廖成

(華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013)

基于Power World的電網穩定性可視化分析

孫惠娟，彭春華，廖成

(華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013)

為了快速直觀地掌握電力系統運行發展狀態，應用新型的面向對象的電力系統分析和計算程序Power World對電網安全穩定性進行了可視化分析。以IEEE30節點系統為仿真對象，基于Power World對系統進行了N－1故障計算和對各節點進行了QV曲線分析，并對系統從正常運行到發生大面積電壓崩潰的整個發展過程實現了動態仿真，通過分析尋找出系統的薄弱環節并提出了電網的改善措施。研究結果表明:性能優越的Power World可為電網穩定性分析提供一個新的思路與方法。

電力系統;Power World;穩定性分析;可視化

隨著我國電力市場化、地區能源結構不平衡和新技術的不斷涌現，使得電網愈加復雜，數據激增，經濟性與電網調度所帶來的各種約束條件使電網常處于穩定極限附近運行，近年來世界上許多國家電力系統陸續發生的電網失穩崩潰事故則更加深刻地說明電網穩定性分析的重要性。對于電網調度員與系統設計人員來說，找到一種直觀有效的方法來展示大量而枯燥的電網數據與系統穩定性隱患，從而準確地分析系統存在的缺陷與定位事故情況下系統的運行方式，為進一步采取切實可行的優化網絡方案和控制措施來保證電網運行的安全性與充裕性顯得格外重要，而原有EMS(能量管理系統)中的數據交互方式已難以滿足實際要求。因此，如何利用現有的系統分析技術、數值分析理論以及計算機數據處理和顯示技術構成新的電網運行穩定性分析可視化平臺，已成為亟待解決的問題［1－3］。為此，本文將結合實際的電網系統數據，應用新型的面向對象的電力系統分析和計算程序Power World來對電網穩定性進行可視化分析，為電網安全運行提供有效的指導。

1 Power World簡介

Power World由美國Illinois大學的T.J.Overbye教授和M.J.Laufenberg博士開發，不僅集電力系統潮流計算、靈敏度分析、靜態安全分析等多種龐大復雜功能于一體，并利用數據挖掘技術實現了強大豐富的三維可視化顯示技術［4］。其核心是一個功能強大的潮流計算軟件，可有效求解多達100 000個節點的大型復雜電力系統。同時它通過彩色的單線圖來模擬實際的系統，通過廣泛應用動畫和圖形功能，使發電機、線路、變壓器的投切只需要點擊鼠標即可完成。Power World主要模式為編輯模式與運行模式。在編輯模式中，可以創建新的實例，創建修改單線圖等;運行模式則主要用于解決潮流計算與系統仿真等。除了潮流計算，程序還集成了以下主要功能:

(1)最優潮流分析

最優潮流分析提供常規最優潮流計算、考慮各種運行約束和經濟約束的最優潮流計算以及相關參與最優潮流的系統各種原件參數的設定和修改。

(2)電壓穩定性分析

電壓安全性和穩定性分析工具以內置的牛頓－拉夫遜法進行潮流計算為基礎，允許用戶在某特定傳輸容量下求解多重潮流解，從而得到給定節點的PV或QV曲線與相關數據。

(3)事故分析

事故分析工具箱提供的功能不僅可以分析電力系統基本示例的拓撲關系，而且可以分析系統的各種穩態和暫態事件的結果。

(4)等高線功能

Power World利用地理中等高線的概念，用一系列的色譜表示電壓的高低，從而將枯燥的電壓數據轉化成直觀的色彩畫面，有助于從整體上去觀察和發現全網的薄弱環節。

同時，Power World將電力系統與地理信息系統進行了有機結合。通過地理信息系統支持功能，可確定系統中各節點和變電站對象的緯度/經度坐標，然后根據對象坐標自動將它們插入到系統圖中;可在系統中直接導入ESRI格式地理信息形狀文件數據以簡化系統圖的創建，并能在圖上顯示實時天氣信息;圖形中地理邊界可由Power World邊界庫或用戶自定義邊界文件自動插入，而Power World邊界庫包含了全世界的地理邊界;畫面背景連線可轉化為輸電線路、變電站或節點，并允許作為傳輸單元導入形狀文件，然后轉換成模型化地理信息系統對象。此外，軟件還支持經濟調度、可用傳輸容量計算、無功優化、三維視圖等功能，能夠滿足用戶各種需求。

圖1展示了采用Power World構建的IEEE 30節點系統在運行模式下的三維視圖。圖中采用了黑白色譜，白色表示電壓偏高，黑色表示電壓偏低;并用運動箭頭和立體柱狀圖直觀地展現了系統各部分的功率傳輸狀態，這樣用戶可一目了然地掌握全網的潮流分布。

新中國成立以后，我國開始建立農業技術推廣體，到目前為止，已經建立起了具有較為明確農業技術推廣職能的省、市、縣、鄉四級農業推廣體系。董金和[4]、夏刊[5]、顧紅[6]認為，我國的農技術推廣服務體系發展歷程有以下四個發展階段。

圖1 Power World運行界面

2 電網穩定性分析

2.1 電壓不穩定現象

電力系統中電壓失穩與電壓崩潰是失去電壓穩定性具體的物理現象。對于靜態電壓穩定性，主要是由以下2個方面引起的:

(1)負荷持續增加，系統無功儲備緊張，傳輸線潮流接近極限，系統無功的不足難以維持節點電壓水平。

(2)系統發生擾動或設備發生故障后，相關設備動作引發電壓崩潰。主要情況有:失去重要的發電機組，重載線路跳閘引起負荷轉移后發生的輸電線路相繼跳閘，有載調壓變壓器的負調壓作用引發無功缺額進一步擴大等。

2.2 電壓穩定性分析模型

對于如圖2所示的簡單電力系統，電源電壓為ES，變壓器的非標準變比為k，輸電線路的阻抗為ZL∠θ，負荷阻抗為ZD∠φ。當k=1時，負荷獲得的功率或輸電線路傳輸的功率可表示為［5］

由式(1)進一步可導出式(2):

考慮到q=p·tgφ，則由式(2)可得到負荷節點在恒定功率因數下的PV曲線，或得到恒定P下的QV曲線，可通過所得曲線判斷系統的電壓穩定性。圖3為一PV曲線示意圖，可見在正常負荷水平下系統存在2個電壓運行點:高值電壓U1和低值電壓U2。一般情況下，系統穩定運行于高壓U1處，當負荷逐漸加重，運行點向拐點B靠近并最終達到B點，如果負荷持續加重，則會導致分歧，出現電壓崩潰。拐點B表明系統能夠傳輸的功率存在一個極值Pmax。QV曲線可參見圖5，曲線上升過程表明增加注入負荷母線的感性無功功率可使節點電壓升高，說明此時系統是電壓穩定的;反之，曲線下降過程表明系統是電壓不穩定的;在曲線最低點為臨界運行點。對于大型電力系統，可通過一系列的潮流計算得到指定節點的QV曲線，但如采用常規潮流模型計算，不僅非常耗時，且在臨界點附近一般難以收斂，不易得到分析穩定性的有用信息［6］。而Power World則為電壓安全性和穩定性分析提供了有力工具。

圖2 簡單電力系統示意圖

圖3 PV曲線

3 應用與分析

3.1 電網靜態安全性分析

電力系統安全穩定控制的目的是實現在正常運行和偶然事故情況下都能保證電網各運行參數均在允許范圍內，安全、可靠地向用戶供給質量合格的電能。系統規劃人員在進行發電系統和輸電系統規劃時，應用靜態安全分析考慮各種可能的設備開斷情況，評估其后果是否滿足安全性的要求，并根據結果增加一些冗余設備或調整計劃減少中斷供電的可能性。Power World靜態安全分析組件可根據需求選擇全網或局部進行N－1故障計算，或對指定的切除方案進行計算，能快速地檢查在給定元件故障條件下系統的狀態，指出系統運行的薄弱環節，為電網運行、規劃提供依據。

在此以IEEE 30節點系統為例，首先根據地理信息系統GIS建立仿真模型如圖1所示，然后運行Power World靜態安全分析組件對全網進行N－1計算，在事故定義對話框中選取切除單個線路、變壓器或發電機作為檢驗事故，總計加入59個事故。在運行模式下打開靜態安全計算組件，設置元件監視電壓高為1.10 p.u，低為0.97 p.u，線路極限電流為額定電流。可得部分運行結果如表1所示。

可見除去最后一個事故造成越限較嚴重外，其它事故導致越限均不高，都在合理的線路過載范圍內。而當28號節點與27號節點之間的變壓器線路斷開后，將造成7處元件越限，具體越限結果見表2所示。

由表2可知，28號節點與27號節點之間的變壓器線路斷開后將造成2條輸電線路過載，5個節點電壓偏低。因為這些節點所帶負荷遠離發電機，而其主要功率傳輸靠28號與27號節點相連線路。當失去這條線路后，其傳輸的功率轉移到22號于24號節點線路和24號與25號連接線路，造成這兩條線路過載，且負荷得到不到足夠的功率支持，造成了電壓降低。

若在28號節點與27號節點之間在增加一回線路，再次進行仿真得表3結果?？梢娋W絡改善后當該2回輸電線路中的任意一回斷開后，不會造成系統元件發生越限事故，其它元件結果基本不變，可顯著提高系統的穩定性。

表1 IEEE30節點系統靜態安全分析結果

表2 事故(TR00028－00027C1)具體越限

表3 IEEE30節點改善系統靜態安全分析結果

3.2 QV曲線分析

因PV曲線與QV曲線分析原理相似，在此僅以QV曲線分析為主。在對系統進行電壓穩定性分析時，Power World可模擬在所選節點加入一臺虛擬同步調相機并不斷改變其無功輸出以得到該節點的QV曲線。運行QV分析后，程序可以自動得到各個節點QV曲線。QV曲線可表示節點電壓隨節點負荷的魯棒性，同時表示負荷節點電壓和需要補償的無功功率的關系。調度人員可以根據結果及時調整系統發電機無功出力、無功補償等維持電壓穩定，而設計人員可以發現系統的薄弱環節，從而改善系統結構。

圖4展示了21號節點的QV曲線分析運行過程中系統單線圖的變化，動態顯示了系統從初期局部電壓下降(圖4(a))到系統發生大面積崩潰(圖4(b))的發展過程，圖中色譜等高線深色區域表示電壓失穩區。通過實時仿真顯示，可以很清晰直觀地了解一次電壓崩潰的完整動態過程以及相關元件的各種狀態。

通過QV曲線分析可計算出各節點的臨界電壓(拐點)及無功裕度等數據，可得本系統的臨界節點是1號節點，其臨界電壓為0.9 p.u，無功裕度為124.75 Mvar;弱節點是10號節點，其臨界電壓為0.632 7 p.u，無功裕度為137.85 Mvar(該節點已裝設無功補償設備，可適當提高無功補償設備的補償度);30號節點的臨界電壓為0.528 0 p.u，無功裕度僅為34.22 Mva且遠離電源，并由前面的靜態安全分析可知，當其相鄰線路開斷后(LN00027－00030C1事故)會導致電壓偏低，因此可考慮在30號節點添加無功補償設備。節點1和節點30的QV曲線如圖5所示。

圖4 QV分析時單線圖顯示

圖5 QV曲線

綜上分析可知，影響系統電壓穩定的節點一般主要有兩種:

(1)重負荷節點和離電源較遠(即與之相聯支路的R和X較大)節點;

(2)帶有較重負荷的發電機節點。如1號節點，其為系統主要出力發電廠，切除后將會造成系統較大的有功和無功的缺額。

3.3 電力系統教學與培訓

Power World融合了多種可視化手段來展現電力系統的關鍵電氣信息，包括動畫潮流、等高線、三維視圖、動態縮放餅圖、高亮突顯功能、地理信息功能等。能夠將潮流、功率等抽象的電氣量以及電力系統的動態過程以圖形的方式形象地展現出來，且有良好的交互性。用戶可利用Power World方便而直觀地模擬出復雜而抽象的電力系統，如采用動畫潮流不僅可表征數據流動的方向，同時還可給出線路負載的直觀感覺，借助線路餅圖的自動變色及放大功能則可方便地獲取具體的越限信息等。對于初學者更好地理解電力系統相關概念非常有效，是極好的教學輔助手段，同時也是學術研究人員深入發掘數據規律的有益工具;此外，其簡捷的操作方式和身臨其境的模擬環境，以及可方便讀取實時或歷史斷面數據功能，不僅有助于理解系統變化過程的各個細節，同時還可訓練利用計算機仿真來解決問題的能力，使得Power World在電力系統運行人員仿真培訓方面也得到了廣泛應用［7］。

4 結語

電壓穩定性并不是電網中一個孤立的技術問題，而是在系統各個層面互相關聯，既取決于電網結構的科學性，也與電網能否正常運行、是否有足夠的備用容量有關，在規劃中保證電源的合理分布、保證系統充足的無功備用、采取合理的運行方式等都可以提高系統的穩定性。Power World通過加強數據綜合與可視化表達手段以及顏色與3D顯示技術，為從整個電力系統的角度來觀察、分析和處理系統問題提供了一個新的思路與方法，有助于快速掌握系統變化狀態從而為電網安全運行和拓撲結構的改進提供有效的指導。此外，Power World也為電力系統教學和培訓提供了一個良好的可視化平臺。

［1］劉嬈，李衛東，呂陽.電力系統運行狀態可視化技術綜述［J］.電力系統自動化，2004，28(8):92－99.

［2］韓禎祥，呂捷，邱家駒.科學計算可視化及其在電力系統中的應用前景［J］.電網技術，1996，20(7):22－27.

［3］OVERBYE T J，WEBER J D.Visualizing the electric grid［J］.IEEE Spectrum，2001，38(2):52－58.

［4］OVERBYE T J，SUN Y，KLUMP R P，Weber J D.Interactive 3D visualization of power system information［J］.Electric Power Components＆Systems，2003，31(12):1 205－1 215.

［5］王錫凡.現代電力系統分析［M］.北京:科學出版社，2003.

［6］劉寶柱，齊鄭，李渤龍，等.基于支路潮流可行解域的在線實時電壓穩定性分析［J］.中國電機工程學報，2008，28(10): 63－68.

［7］覃惠玲，張菁，MARK LAUFENBERG.Power World功能在電力系統中的應用［J］.廣西電力，2009，32(5):12－15.

(責任編輯 劉棉玲)

Visualization Analysis of Power System Stability Based on Power World

Sun Huijuan，Peng Chunhua，Liao Cheng

(School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China)

In order to quickly and intuitively grasp the operation state of power system，a new type of object－oriented power system analysis and the calculation program Power World are applied to analyze visually security and stability of grid.With IEEE 30－bus system as the simulation object，based on Power World，N－1 fault calculation and various nodes of the QV curve are analyzed，and a dynamic simulation of the entire developing process of the system from the normal operation to voltage collapse occurred in a large area is conducted.The weak links in the system is found through the analysis，and ultimately measures are put forward to improve the power grid.The study results show that Power World can provide a new way of thinking and methods of analyzing power system stability.

power system;Power World;stability analysis;visualization

TM761

A

1005－0523(2010)04－0057－06

2010－03－22

江西省自然科學基金項目(2009GZS0016);江西省教育廳科技基金項目(GJJ10455)

孫惠娟(1982－)，女，碩士，助教，研究方向為電力系統可視化分析與計算、電力通信等。