電力系統的潮流計算和可視化技術研究

梁曉偉，朱琳艷，胡呂龍，王 凱，丁建順

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

用戶異常用電事件對電力系統的運行帶來一定的不確定影響，為了更好的保障電力系統的穩定、高效運行，迫切需要及時了解電力系統的潮流狀態。

已有的潮流計算仿真器通常需要準備完整描述節點潮流的IEEE通用數據格式文件[1]。但是這樣的具有IEEE通用數據格式的節點潮流文本難以從電力系統中自動生成[2]。此外，潮流數據過于抽象，對電力系統調度人員直觀掌握電力系統的整體運行狀態幫助有限[3-4]。

由于上述原因，本文提出并實現了一種能夠自動生成通用格式的節點潮流數據、具有可視化功能的潮流計算仿真器。該仿真器具有從現有的電力系統中自動生成IEEE通用數據格式文件的功能，并在該文本數據的基礎上對電力系統的潮流進行仿真計算，并在電力系統總線圖中對潮流大小和方向進行可視化呈現，最終實現動態顯示電力系統的潮流動態的功能，為電力系統的調度人員直觀了解的電網潮流分布提供幫助。

1 潮流計算仿真器的總體設計

所提出的仿真器可以通過潮流計算可視化分支間的功率流量。潮流計算由IEEE通用數據格式的節點潮流數據文本驅動，該文本從電力系統中自動讀取。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算仿真器的構造。該仿真器由3個引擎組成：潮流計算引擎、可視化引擎和系統文件生成引擎[8-10]。

圖1 潮流仿真器的結構Fig. 1 Structure of power flow simulator

潮流計算引擎有兩個功能。首先，計算引擎計算潮流功率大小。自動生成的通用格式文本數據由母線數據段和分支節點數據段組成[11-12]。圖2顯示了一個母線數據部分。

圖2 IEEE通用數據格式文件中的部分總線數據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

計算引擎從上述通用格式的文本數據中讀取有功和無功負載(MW、MVAR)，發電量(MW、MVAR)和電壓，并計算功率潮流的大??；具體結果如圖3所示

圖3 計算后的通用格式的部分節點潮流數據Fig.3 Power flow data of some nodesin general format after calculation

可視化引擎有3個功能[13-14]：

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

(2)可視化引擎能夠實時渲染電力系統的潮流分布狀態?？梢暬嫱ㄟ^讀取通用格式文件中的節點數據部分的列14或16來獲得潮流信息。可視化引擎能夠顯示有功功率大小，并在每個分支節點處用箭頭表示潮流走向；

(3)從通用數據格式文件自動輸出系統圖。

系統文件生成引擎可以在可視化引擎中從用戶繪制的系統圖生成具有通用數據格式的文本文件。該引擎從用戶繪制的系統圖中識別母線的數量和每個連接節點的狀態[15]。通過使用從系統文件生成引擎獲得的通用數據格式文件，計算引擎可以計算任何系統配置下的功率流量。由此可以看出，引擎之間的接口是通用數據格式文件，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計

2.1 IEEE通用數據格式文件的生成

所提出的仿真器可以從系統文件引擎的系統圖生成符合IEEE通用數據格式的文本文件；生成通用數據格式文件的流程如圖4所示。

圖4 生成通用數據格式文本流程Fig.4 Process of generating text in common data format

如果沒有IEEE常用數據格式文件，用戶自定義電力系統圖；圖5顯示了電力系統的繪圖窗口。

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

由圖5可知，用戶可以通過從“按鈕區域”選擇元素并在“繪圖區域”中部署元素來繪制系統圖。通過在母線之間拖動來繪制饋線，母線連接狀態可以被自動識別。此外，在母線周圍部署的發電機和負載也被自動識別；完成系統圖繪制后，通過輸入參數生成常用數據格式文件。

2.2 電力系統潮流狀態圖的生成

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

圖6 自動繪制的潮流分布狀態圖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行移動調整。

2.3 潮流計算

通過潮流計算得到電力系統中功率輸送的方向和大小。在包括n個母線的電力系統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條母線間的導納。有效功率Pi和無功功率Qi可以描述為：

(2)

根據式(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)求解以獲得每個母線的有效功率、無功功率、電壓和電流角度。

2.4 時變潮流的可視化

電力系統潮流狀態是基于IEEE通用數據格式文件計算的[17-18]。該文件由系統文件引擎生成，由用戶在計算引擎中編寫。在可視化引擎中實現了潮流計算結果的可視化，箭頭的厚度表示潮流的數值，箭頭方向表示潮流流向。

該仿真器可實現對可再生能源模擬系統的時變功率流的可視化，該仿真器根據風速計算風力功率。當用戶輸入IEEE通用數據格式文件時，用戶輸入的風力數據如表2所示。

表2 風力數據Tab.2 Wind power data

當用戶繪制顯示的系統圖時，也會每次輸入風速,獲得了風力發電機組的發電總量。

(4)

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

因為可再生能源的生成是隨時變化的，因此需要對母線數據部分的第9列所記錄的數據實時更新。本文所設計的仿真器通過生成或者讀取IEEE通用數據格式文件更新和顯示潮流數據的變化。此外，為了區分風力發電和正?；鹆Πl電，風力發電機標志也被標識在潮流分布圖上。

3 仿真測試

圖7顯示了一個IEEE通用數據格式文件，它由系統文件生成引擎根據用戶繪制的電力系統圖自動生成。

圖7 仿真器生成的IEEE通用數據格式文件Fig.7 IEEE common data format file generated by emulator

由圖7可知，繪制的系統圖遵循IEEE14總線系統。對圖7中數據進行分析可以看出，生成的IEEE通用數據格式文件與IEEE 14總線系統相同，這顯示了系統文件生成引擎的運行可靠性。

圖8顯示了14個風力發電系統的模擬計算結果；其中風力數據如表2所示。

圖8 預定義電力系統的功率流的結果Fig.8 Results of power flow of predefined power system

通過對圖8中的t=t1和t=t2的計算結果進行比較，可以確定在風速發生劇烈變化的情況下潮流方向會隨之發生變化；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的變化。圖9顯示了用戶自定義的電力系統圖的潮流計算結果。

圖9 用戶定義電力系統的潮流計算結果Fig.9 Power flow calculation resultsof user-defined power system

通過圖9用戶能夠直觀發現電力系統潮流的變化。圖8、圖9表明了可視化引擎可以實現用戶友好的潮流分布。

4 結語

本文提出并實現了潮流計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圖中自動生成IEEE通用數據格式文件的功能。此外，潮流仿真器還具有從IEEE通用數據格式文件自動顯示電力系統潮流分布圖，對電力系統中的潮流方向和大小進行可視化的渲染。仿真結果表明，該潮流仿真器實現了準確的IEEE通用數據格式文件和直觀的潮流狀態圖。