面向諧波分析的電力系統數字仿真系統研究

2018-03-06 11:05:24王同勛周勝軍李亞瓊

計算機工程與科學 2018年2期

王同勛，李寒，周勝軍，李亞瓊，談萌

(1.全球能源互聯網研究院先進輸電技術國家重點實驗室,北京 102211;2.北方工業大學計算機學院,北京 100144;3.大規模流數據集成與分析技術北京市重點實驗室,北京 100144)

1 引言

在我國，電力系統規模持續擴大，電力系統規劃運行及控制日漸復雜。隨著計算機技術的發展，采用計算機輔助電力系統仿真分析已在電力行業得到認可、應用和逐步推廣。這類將計算機技術和電力技術相結合的軟件系統被稱為電力系統數字仿真系統。本文將電力系統數字仿真系統定義為以支持電力系統物理過程的數學建模，運用適當的數值計算方法編制電力系統模擬程序，并在計算機上進行實驗、分析并反饋分析結果為目標的軟件系統[1]。

隨著電力電子技術的飛速發展和各種非線性設備的廣泛應用，電力系統中的諧波源迅速增加，給電力系統的安全、經濟運行帶來了嚴重影響，諧波問題已受到世界范圍內的普遍關注。諧波分析已成為電力系統分析的一項重要內容，用以研究電力系統規劃和運行中與諧波有關的各種問題。諧波分析指根據給定的電網結構和參數以及負荷、諧波源、濾波器等元件的運行條件，通過諧波潮流計算確定系統中諧波電流的分布以及各節點電壓和電流波形畸變程度，或通過計算網絡的阻抗頻率分析來判斷系統是否臨近諧波諧振狀態以及如何減小系統諧振發生的可能性[2]。

由于諧波已成為國內外電力行業普遍關注和迫切要解決的問題，為了更有效地發現諧波源并進行后續治理，電力系統數字仿真系統被運用于諧波分析。目前，較為常用的電力系統數字仿真軟件有ETAP(Electrical Transient Analysis Program)、PSASP(Power System Analysis Software Package)、EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC system)、NETOMAC(NEtwork TOrsion MAchine Current)等[3]。盡管上述電力系統數字仿真系統能夠較全面地覆蓋電力行業的絕大多數常用分析模型，但也各有側重。在完成諧波相關的分析時，都是基于電力系統數字仿真系統的諧波分析模塊實現的，諧波源類型和諧波分析模型種類均不完善，且在擴展性方面存在不足。針對該問題，本文設計了一種面向諧波分析的電力系統數字仿真系統，該系統不僅能夠覆蓋絕大多數諧波源和諧波分析模型，還具有良好的擴展性，并在系統操作的便捷性、建模和分析結果的直觀性方面具有一定優勢。

2 相關工作

在電力系統的設計、分析和研究過程中，由于經濟性、安全性和可能性等原因，在實際系統上進行試驗和研究，常常會遇到困難，有些困難甚至是不可能解決的。因此，研究人員往往需要借助電力系統數字仿真軟件進行相關試驗來代替實際系統上的試驗，以輔助生產和決策。電力系統數字仿真一般包括三項任務：第一項任務是建立被仿真系統的統一數學描述，即數學模型；第二項任務是針對不同形式的數學模型設計相應的算法，編制計算程序和數字仿真過程，使數學模型成為存在于數字計算機中的“活的數學模型”；第三項任務是在計算機上模擬實際系統完成各種試驗和研究項目，并對結果進行分析和評價。

電力系統數字仿真系統是仿真技術與計算機技術在電力行業相結合的產物，已成為保障電力系統規劃、調度和運行的最有效工具[4]。電力系統數字仿真系統最早出現在20世紀50～60年代。受限于計算機的低運算性能和高昂的價格，早期的電力系統數字仿真系統并未得到應用和推廣。隨著計算機技術的迅猛發展，電力系統數字仿真系統在20世紀80年代取得長足發展。目前，主流的電力系統數字仿真系統已多達幾十種，這些電力系統數字仿真系統的功能各具側重。ETAP是由美國OTI(Operation Technology Inc.)公司研發的電力電氣分析、電能管理的綜合分析軟件系統[5]，主要面向發電、輸配電和工業電氣系統提供分析功能。EMTDC是由加拿大巴尼托巴水電局研發，由曼尼托巴高壓直流輸電研究中心完善的電力系統仿真分析軟件[6]，主要關注交直流電力系統的分析。NETOMAC是德國西門子輸配電集團研發的電力系統分析軟件，主要用于支持電力系統的機電和電磁的暫態現象和穩態運行的時頻域仿真[3]。BPA(Bonneville Power Administrator)是美國邦納維爾電力局研發的電力系統分析軟件包[7]，主要用于支持潮流和穩態計算。在我國，電力系統數字仿真系統起步較晚。到目前為止，僅有中國電力科學研究院研發的綜合電力系統分析程序PSASP[8]和基于美國BPA程序的中國版PSD(Power System Department)-BPA在電力行業得到普遍的應用。PSASP能夠支撐絕大多數電力行業的計算模型，并采用圖形化的輸入和輸出方式，但在支持新型諧波源和諧波分析模型方面存在局限性。PSD-BPA主要用于潮流和暫態穩定程序分析，與PSASP相似，對諧波分析的支持存在不足。由上述分析可知，盡管已存在了多種電力系統數字仿真系統，但這些背景和使用目的均不相同的電力系統數字仿真系統各有側重，其諧波分析功能的完整性、可擴展性和開放性均不完善，尚不存在專門針對諧波分析的電力系統數字仿真系統。

在電力系統數字仿真領域，電力系統可視化也是電力系統數字仿真系統的核心問題。傳統的可視化系統生成和發布圖形數據的方式主要有兩類，分別是位圖圖像和JAVA Applet[9]。由于位圖圖像的屬性相對固定且不具有可交互性，已不再滿足規模龐大，且時變的現代電力仿真需求。在基于Java Applet的可視化系統方面，盡管JAVA Applet能夠支持用戶的交互操作，但其可操作性、可重用性和效率方面都存在不足。由此可知，電力系統可視化技術在可交互性和靈活性方面都面臨著挑戰。SVG (Scalable Vector Graphics)是一種基于XML的圖像文件格式。它支持可縮放矢量圖形，在圖像縮放時質量不會受到影響[10]。與JavaScript等網絡腳本語言相配合，還具有良好的交互性。文獻[11]研究表明，SVG能夠滿足圖形網絡在可視化呈現和交互方面的需求。建立電力元件庫是基于SVG的電網信息可視化方法的前提。文獻[12]對SVG格式的電力圖元庫進行研究，提出了基于SVG的電力圖形構造方式和屬性定義方法。然而，該方法的應用和推廣受限于GML(Geography Markup Language)的普及情況。為了支持電網的可視化建模，在構建的SVG電力元件庫的基礎上，將進一步構建完整的單線圖。文獻[13]探討了基于SVG的單線圖的構建問題，提出基于SVG的電網數據可視化圖形描述方案，并將其應用于電網數據可視化系統設計。該方案僅考慮了電網數據的可視化，未涉及交互問題。文獻[14]使用Web發布SVG單線圖，該方法能夠較好地呈現電網結構，但在單線圖的可交互性方面存在局限性。在圖形的可交互性方面，文獻[9]采用Ajax(Asynchronous JavaScript and XML)技術支持數據的動態刷新，該方法能夠呈現時變數據，但未探討該方法在電力行業的應用。文獻[15]將SVG和Ajax技術運用于電力行業，提出的電網分析與輔助決策支持系統利用DOM(Document Object Model)實現單線圖與用戶的交互，能夠支持時變數據的動態刷新，但不支持用戶對SVG的操作。

綜上所述，專用于諧波分析的電力系統數字仿真系統和電力系統的可視化已成為電力系統數字仿真領域的關鍵問題。因此，本文對面向諧波分析的電力系統數字仿真系統展開研究，并通過融合SVG及其相關技術有效支撐單線圖的可視化建模和仿真分析結果的可視化呈現。

3 面向諧波分析的電力系統數字仿真系統框架

面向諧波分析的電力系統數字仿真系統的核心功能是可視化建模、諧波仿真模型的計算、結果的可視化呈現。綜合考慮系統的實用性、擴展性和技術可行性，系統被劃分為兩個子系統，分別是可視化建模子系統和諧波分析子系統，圖1所示為系統架構。其中，單線圖指為了清晰地反映接線情況，采用一根線表示連接三根線的電網圖。

Figure 1 Framework of the harmonic analysis oriented power system digital simulator圖1 面向諧波分析的電力系統數字仿真系統的架構

可視化建模子系統主要負責提供電網標準圖元；支持基于圖元的單線圖的可視化建模；生成并保存面向建模的數據模型。

諧波分析子系統主要負責接收單線圖中元件的計算參數；支持各類諧波計算功能的選擇；支持面向建模的數據模型向面向計算的數據模型的轉換；執行諧波分析；保存計算結果；采用二維可視化方式呈現計算結果，如折線圖、柱狀圖等。

4 可視化建模子系統

可視化建模子系統主要由五個部分構成，分別是電力元件庫、圖元屬性編輯模塊、單線圖繪制模塊、數據轉換模塊和存儲系統。從整個子系統的角度，用戶通過拖拽電力圖元庫中的圖元繪制單線圖，單線圖中元件的屬性可編輯，且單線圖的結果和元件屬性均保存在數據庫中，諧波分析子系統通過數據庫與可視化建模子系統進行交互。圖2為可視化建模子系統的工作流程。

Figure 2 Workflow of the visual modeling subsystem圖2 可視化建模子系統的工作流程

可視化建模子系統采用瀏覽器嵌入RCP(Rich Client Platform)技術平臺的方式實現。其中，RCP和Eclipse的圖形編輯框架GEF(Graphical Editor Framework)用于支持單線圖的繪制和圖形編輯，瀏覽器用于呈現單線圖和支撐元件屬性的編輯。

4.1 電力元件庫

SVG是W3C推出的一種開放標準的文本式矢量圖形描述語言，是IEC61970標準推薦的電力系統圖形交互的標準格式[16]。然而，SVG本身并不具有電力屬性，所以需要將SVG與電力系統圖形的特性相結合，設計能夠描述電力系統元件的SVG腳本。從諧波分析的需求出發，本文采用SVG描述基本的諧波相關的電力元件，元件的設計符合電力行業標準，并為每個元件設置諧波分析所必須的屬性。圖3所示為電力元件的主要組成部分，分別是元件圖元、元件屬性、元件數據。

Figure 3 Components of electric element圖3 電力元件的組成部分

元件圖元體現元件的幾何特性，包含圖形樣式和坐標位置等信息，如諧波源、二繞組變壓器和負載等。圖4所示為電壓源和二繞組變壓器的圖元。

Figure 4 Graphics of the voltage source and the two-winding transformer圖4 電壓源和二繞組變壓器的圖元

元件屬性是元件基本屬性、計算屬性和拓撲屬性的集合，如名稱、描述、相別和基準電壓等，其存在形式是元件表的屬性。表1為電壓源表，包含4個基礎屬性、4個計算屬性和1個拓撲屬性。

Table 1 Voltage source table

元件數據是元件實例的屬性值，包含基礎數據、拓撲數據和計算數據。基礎數據指元件的基本描述信息，包括編號、名稱、描述等。基礎數據中的編號是唯一，且由系統自動生成，名稱和描述信息可根據實際情況由用戶輸入。拓撲數據來源于單線圖。計算數據來源于用戶輸入。在電力系統仿真的過程中，仿真分析常需重復進行，為了區分多次仿真的輸入數據，系統采用時間戳屬性對數據組加以標記。為了方便計算，將采用當前時間相對于1970年1月1日0點的毫秒數作為時間戳。

4.2 單線圖的交互

在可視化建模子系統中，除了構建單線圖之外，還需要與單線圖進行交互，包括單線圖的呈現和元件屬性的變更。鑒于電力元件庫采用SVG技術，單線圖的交互亦以SVG技術為基礎。

(1) 單線圖的呈現。

面向諧波分析的電力系統數字仿真系統采用瀏覽器支持SVG單線圖的呈現。目前，絕大多數常用的瀏覽器都支持SVG圖形顯示，以下為二繞組變壓器實例的SVG腳本。為了呈現整個單線圖，元件的SVG腳本可采用〈embed〉、〈object〉或者〈iframe〉標簽嵌入HTML或其他網頁文檔。

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