QS文件狀態估計數據模型的比較分析

肖 洋,肖 明，馬勇飛，夏 潮，李志強，張紫薇，顏 偉

(1．中國電力科學研究院有限公司，北京100192；2．國網青海省電力公司電力科學研究院，西寧810001；3．重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室, 重慶 400044)

0 引 言

電網在線數據存儲在調度自動化系統D5000中，其中QS文件對應的是狀態估計后的電網運行數據斷面，其包括了電網設備的穩態運行數據、計算拓撲數據和設備歸屬數據，是研究和反演實際電網運行狀態的重要素材[1-2]。如果需要對數據進行潮流計算并在此基礎上進行評估與優化控制，則必須明確QS文件數據對象的元件模型。但國內網級調度控制中心(簡稱網調)和各省級電網調度控制中心(簡稱省調)直接輸出的QS文件數據對象的屬性和所采用的元件模型與PSASP中的標準模型[3-6]存在一定差別，忽略模型上的差異將導致潮流計算結果與采集數據結果不一致，從而使得相關電力系統評估結果有誤甚至優化控制效果無法達到預期[7]。目前，隨著電力系統信息化程度的不斷加深，對數據交換和共享的標準化、規范化的要求也越來越迫切[8-9]，但關于QS文件數據模型的分析還未見有相關研究，為電網的信息化建設，QS文件數據的共享帶來了一定障礙。

因此，該文基于電力系統公用數據模型(common information model，CIM)[10-12]，對網調QS文件和PSASP中的數據結構和數據模型分別進行了對比分析，明確了QS文件數據結構下交流線路、雙繞組變壓器、三繞組變壓器的具體模型，并通過抽樣和整體驗證兩種方式，以實際的QS文件數據驗證模型的準確性，為進行潮流計算和交直流系統控制參數、控制策略的評估提供了準確的研究對象。

在QS文件數據中，包含了線路、變壓器、發電機、負荷、串補、并補等數據對象，該文僅對線路、雙繞組變壓器、三繞組變壓器這三個主要的數據對象展開解析，其余數據對象的模型較簡單不再展開說明。

1 數據模型和數據結構的對比分析

1.1 交流輸電線路模型

PSASP中輸電線路的等值電路如圖1所示，為π型等值電路。

圖1中:R*+jX*為線路阻抗參數，B*為線路對地導納(文中所有上標“*”均代表標幺值)，Pi+jQi是流出節點i的功率，Pj+jQj是流出節點j的功率,P′i+jQ′i、P′j+jQ′j是計算過程中的中間變量。

從數據模型方面來說，網調 QS 數據中交流輸電線路有兩種模型，分別是500 kV以下的普通輸電線路模型和500 kV及其以上的超高壓輸電線路模型。網調QS數據中500 kV以下的普通輸電線路模型和PSASP中的標準模型基本一致，如圖1所示。網調QS數據中500 kV及其以上的超高壓輸電線路的等值電路如圖2所示。

圖1 PSASP中輸電線路等值電路Fig.1 Transmission line equivalent circuit in PSASP

圖2 網調QS文件數據中500 kV及其以上的超高壓輸電線路等值電路Fig.2 Equivalent circuits of ultra-high voltage transmission lines of 500kV and above in the QS file data of domestic network-level dispatch control centers

網調QS文件數據中500 kV及其以上的超高壓輸電線路等值電路中可能含有并補(Compensator-P)和串補(Compensator-S)，在數據對象ACline中，其兩側功率的狀態估計值不僅僅是線路本身流出其拓撲節點的功率，還包含了串補和并補補償無功后的線路兩側功率。具體來說，如圖2所示，即網調QS文件數據中認為拓撲節點1～6是一條復合線路，其ACline中給出的功率并不是流出節點3、4的功率，而是流出節點1、6的功率。

圖2是一個通用的等值電路，實際計算時，QS文件數據中500 kV及其以上的超高壓輸電線路包含的并補和串補數量并不是固定的，線路所連接的并補和串補名與線路名相關，可以通過名稱來查找。

1.2 雙繞組變壓器模型

PSASP中雙繞組變壓器的等值電路采用如圖3所示的Γ型等值電路。

圖3 PSASP中雙繞組變壓器等值電路Fig.3 Dual-winding transformer equivalent circuit in PSASP

其阻抗參數為兩側繞組阻抗歸算至同一側的等值阻抗(一般將其歸算至低壓側)，該等值阻抗是總阻抗而不是某一側的阻抗。值得注意的是，在該模型中雙繞組變壓器的對地激磁支路應連接在低壓側，且支路導納數值為負。

PSASP中，雙繞組變壓器和三繞組變壓器屬于兩個不同的數據對象，但對于網調QS文件而言，雙、三繞組變壓器同屬于一個數據對象Transformer。因此，網調QS文件中的變壓器模型均于下節說明。

1.3 三繞組變壓器模型

PSASP中三繞組變壓器的等值電路如圖4所示，類似于星型電路，含有一個中性點。

圖4 PSASP中三繞組變壓器等值電路Fig.4 Three-winding transformer equivalent circuit in PSASP

值得注意的是，在PSASP中，變壓器極差均為正，但在網調QS文件數據中，極差可正可負，部分省調QS文件數據中可能未直接給定變比標幺值，需要利用銘牌參數計算。

網調QS文件數據中三繞組變壓器模型和PSASP中三繞組變壓器模型基本一致，不同之處主要在于忽略了激磁導納。

2 QS文件數據模型驗證方法

該文以網調QS文件數據的元件模型為基礎總結其驗證方法。線路功率的參考方向均以流出節點為正。

2.1 交流輸電線路模型

由于并不是所有500 kV及其以上線路都含有串補和并補，故先假設所有交流輸電線路的模型都和500 kV以下普通輸電線路模型一致，篩選出誤差較大的線路，再利用500 kV以上的超高壓輸電線路模型驗證。

2.1.1 500 kV以下普通輸電線路模型

驗證思路：通過線路i端電壓、功率及線路參數計算線路j端的電壓、功率，并和從ACline中直接獲取的j端電壓、功率相比較，從而驗證普通線路模型的正確性。

具體的驗證方法：

(1)

2.1.2 500 kV以上超高壓輸電線路模型

500 kV以上的超高壓輸電線路模型中含并補和串補，并補和串補名與線路名相關，這里分析一條線路并畫出等值電路，可以此驗證整個分析思路與方法的正確性。

驗證思路：通過拓撲節點1的電壓、功率及線路參數計算節點2的功率，用節點2電壓、計算功率、線路參數計算節點3的功率，用節點3電壓、計算功率、線路參數計算節點4的電壓、功率，并將計算出的節點4的電壓、功率和從QS文件中直接獲取的j端電壓、功率相對比，從而驗證該復合線路模型的正確性。500 kV以上超高壓輸電線路抽樣線路等值電路如圖5所示。

圖5 500 kV以上超高壓輸電線路抽樣線路等值電路Fig.5 Sampling line equivalent circuits for ultra-high voltage transmission lines above 500 kV

具體驗證方法：

通過1端算4端(認為功率的參考方向是從1端流向4端)：

(2)

(3)

2.2 雙繞組變壓器模型

驗證思路：通過雙繞組變壓器高壓端的電壓、功率和阻抗參數計算低壓端的電壓和功率，并和直接從數據對象Transformer中獲取的低壓端電壓、功率相比較，從而驗證雙繞組變壓器模型的正確性。

具體驗證方法：

2.3 三繞組變壓器模型

驗證思路：通過三繞組變壓器高、中、低壓端電壓、功率和變壓器參數計算中性點電壓、功率，中性點電壓計算值應該都相等，故求其差值相互比較；高、中、低三端計算出的中性點功率相加應為0，求其和并與0比較，從而驗證三繞組變壓器模型的正確性。

具體驗證方法：

(5)

3 應用實際QS文件數據驗證模型正確性

以實際網調QS文件數據驗證交流輸電線路、雙繞組變壓器、三繞組變壓器模型的正確性，分別通過抽樣驗證和整體驗證兩種方式進行模型校核。

3.1 交流輸電線路模型

3.1.1 抽樣驗證

從網調QS文件數據中抽取了ACline中各個不同電壓等級的線路作為樣本，其交流輸電線路的原始數據如表1所示。

表1 交流輸電線路原始數據Table 1 Raw data of ACline

首先進行500 kV以下普通輸電線路模型抽樣驗證，驗證結果如表2所示。

表2 500 kV以下普通輸電線路的模型驗證結果Table 2 Model validation results for common transmissionlines up to 500 kV

通過抽樣驗證可以發現線路j端電壓幅值、功率的計算值和原始值的差在10-6數量級，可認為其模型正確。

500 kV及其以上超高壓輸電線路模型抽樣驗證：圖5中1 000 kV線路即為圖5所示抽樣復合線路，有2串補2并補，并補和串補的信息如表3、表4所示，驗證結果如表5所示。

表3 抽樣復合線路并補信息Table 3 Sampling composite line shunt compensationinformation

表4 抽樣復合線路串補信息Table 4 Sampling composite line series compensation information

表5 抽樣復合線路模型測試驗證結果Table 5 Sample composite line model test validation results

3.1.2 整體驗證

國調ACline線路共20 728條。去掉i端和j端均為死島(即島號為“-1”)且i端和j端斷路器有一端或者兩端均斷開(即i端和j端開斷標志為“1”)的線路后，還剩下的ACline線路共18 707條。因此，共計算18 707條線路。其中653條是含并補、串補的復合線路。

1)有功功率P偏差絕對值超過0.02(p.u.)的線路(不合格)共0條。

2)無功功率Q偏差絕對值超過0.02(p.u.)的線路(不合格)共0條。

3)j端電壓U偏差絕對值超過0.005(p.u.)的線路(不合格)共0條。

3.1.3 驗證結果分析

抽樣驗證中電壓幅值差均在10-6(p.u.)數量級，有功差值和無功差值都在±0.02 (p.u.)以內。整體驗證中，電壓、功率的不合格率均為0。因此，可以認為整個交流輸電線路模型正確。

3.2 雙繞組變壓器模型

3.2.1 抽樣驗證

從網調QS文件數據中獲取的雙繞組變壓器的原始數據如表6所示，抽取了Transformer中各個不同電壓等級的變壓器作為樣本，其測試驗證結果見表7。

表6 雙繞組變壓器原始數據Table 6 Raw data of double winding transformer

表7 雙繞組變壓器模型測試驗證結果Table 7 Double-winding transformer model test verification results

3.2.2 整體驗證

國調中雙繞組變壓器共6 463臺。去掉高壓端和低壓端均為死島(即島號為“-1”)且高壓端和低壓端斷路器均斷開(即H端和L端開斷標志為“1”)的線路后，還剩下的雙繞組變壓器共3 806臺。因此，共計算3 806臺。

1)有功功率P偏差絕對值超過0.02(p.u.)的雙繞組變壓器(不合格)共0臺。

2)無功功率Q偏差絕對值超過0.02(p.u.)的雙繞組變壓器(不合格)共0臺。

3)低壓端電壓U偏差絕對值超過0.005(p.u.)的雙繞組變壓器(不合格)共0臺。

3.2.3 驗證結果分析

抽樣驗證中電壓幅值差、有功差值和無功差值均在10-6(p.u.)數量級；整體驗證中，電壓、功率的不合格率均為0。因此，可認為雙繞組變壓器模型驗證正確。

3.3 三繞組變壓器模型

3.3.1 抽樣驗證

從網調QS文件數據中獲取的三繞組變壓器的原始數據如表8、表9所示，抽取了Transformer中各個不同電壓等級的變壓器作為樣本，測試驗證結果見表10。

表8 三繞組變壓器原始數據1Table 8 Raw data 1 of three-winding transformer

表9 三繞組變壓器原始數據2Table 9 Raw data 2 of three-winding transformer 單位：標幺值

表10 三繞組變壓器模型測試驗證結果Table 10 Three winding transformer model test verification results 單位：標幺值

3.3.2 整體驗證

國調中三繞組變壓器共8 569臺。選擇高壓端、中壓端和低壓端均不為死島(即M、H和L端島號均不為“-1”)且高壓端、中壓端和低壓端斷路器均閉合(即M、H和L端開斷標志為“0”)的三繞組變壓器共1 455臺。因此，共計算1 455臺。

1)中性點有功功率P偏差絕對值超過0.02(p.u.)的三繞組變壓器(不合格)共0臺。

2)中性點無功功率Q偏差絕對值超過0.02(p.u.)的三繞組變壓器(不合格)共0臺。

3)中性點電壓幅值偏差:

①高壓端和中壓端推算到中性點的電壓幅值偏差絕對值超過0.005(p.u.)的三繞組變壓器(不合格)共0臺。

②中壓端和低壓端推算到中性點的電壓幅值偏差絕對值超過0.005(p.u.)的三繞組變壓器(不合格)共0臺。

③低壓端和高壓端推算到中性點的電壓幅值偏差絕對值超過0.005(p.u.)的三繞組變壓器(不合格)共0臺。

3.3.3 驗證結果分析

抽樣驗證中電壓幅值差、有功和無功差值均在10-6(p.u.)數量級；整體驗證中，電壓、功率的不合格率均為0。因此，可認為三繞組變壓器模型驗證正確。

4 結 語

該文通過對實際網調QS文件和PSASP中數據結構及元件模型的對比分析，詳細說明了QS文件數據中線路、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和PSASP中數據模型的區別，并通過抽樣驗證和整體驗證兩種方式校核了所述模型的正確性。一方面，為QS文件數據的共享提供了基礎；另一方面，可以通過模型的比對發現狀態估計的數據質量問題，進一步提高狀態估計的可靠性和精度，從而為后續進行潮流計算與無功優化提供良好的數據基礎，使得基于此模型實現的高級應用具有工程實用價值。值得注意的是，省調和網調、省調和省調之間QS文件數據的數據結構也會有一定不同，在利用實際數據進行潮流計算與無功優化之前需要先行驗證數據模型。