基于MATLAB平臺的BPA數據快速準確轉換方法

覃海，黃育松，沈冠全，黃俊，鄭杰輝，李志剛

(1.貴州電網有限責任公司電力調度控制中心，貴陽 550002；2.華南理工大學電力學院，廣州 510640)

0 引 言

近年來，隨著我國提出的電力系統向大容量、遠距離、特高壓發展的口號，電網每年都會建設大量的基礎項目，此時對于各省電力調度機構來講，需要及時根據電網變化錄入各種新建基礎設備的參數信息，并對添加其他基礎設備之后的電網進行分析計算，以保證電力系統滿足安全、可靠、經濟運行的前提條件。PSD-BPA是南方電網總調、中調以及電科院用于電力系統的主要軟件[1-3]，PSD-BPA軟件是來源于美國的一款國際先進水平的電力系統分析軟件包，中國電力科學研究院在1983年將其引入國內后，經過開發與完善后，形成了適用于我國電力系統分析計算的中國版BPA[4-6]，經推廣。在電網調度運行、設計規劃、電力科學研究院等電網及科研機構得到了廣泛的應用，是現在我國電力系統分析計算的重要工具之一，現各級電網均有該地區完整而詳細的BPA電網數據。Matpower是一種電力系統進行潮流計算和最優潮流最為常用的開源軟件[7-9]。Matpower的設計理念是盡可能簡單易懂，它可以快速的執行常規潮流運算，如P-Q分解法、牛頓拉夫遜法、高斯-賽德爾法等，也可以執行最優潮流程序，因此已成為全球范圍類的高校及其他科研機構用于電網規劃與分析的重要研究與教學工具。MATLAB可以為Matpower提供進行潮流計算、電力系統分析計算的環境和平臺，例如無功優化。然而現有的電網數據一般都是BPA數據結構，在需要用MATLAB對實際電網進行分析計算的情況下，將面臨著BPA數據和Matpower數據不兼容的問題。當電網規模較小時，尚可人工進行數據轉換，但是隨著近年來各電網基礎建設項目的日益增多，電網結構數據越發復雜，這種人工轉換的方式顯然是費時費力，并且轉換的準確性也沒辦法保證。不僅如此，有關這兩種模型數據轉換方式的文獻也偏少。因此，為了提高MATLAB平臺對電力系統分析計算的效率，為電網分析提出有力依據，開發BPA-Matpower的快速轉換接口程序將變得愈發重要。

在詳細分析了BPA模型數據結構和Matpower模型數據結構之后，提出了BPA至Matpower快速準確轉換的接口方法。該接口方法在轉換過程考慮了邊界節點傳輸功率的方向與大小、電網直流線路傳輸功率的方向和大小以及并聯高壓電抗器對線路的功率補償，最后以從實際運行的大電網數據中分離出的74節點子系統A和1 209節點子系統B作為兩個算例，通過對轉換前后的潮流計算結果進行對比分析，驗證該轉換程序的準確性與有效性。

1 BPA及Matpower模型數據結構分析

要實現兩種模型數據的準確轉換，就必須對兩種模型數據在節點數據、變壓器數據、支路數據、發電機數據、負荷數據以及直流數據上的差異有著深入了解，以下先分別介紹這兩種模型數據結構。

1.1 BPA模型數據結構分析

BPA電網模型是根據實際電網模型抽象得到的，系統數據的建立或修改通過操作數據卡實現，主要數據卡可分為3類：區域控制卡、節點卡、支路卡，這三類卡還包括各種子卡型。電網的各種參數在數據卡中都有固定的位置。本方法在該轉換過程中需要對以下數據卡的信息進行讀取與轉換，各數據卡中的主要數據與其位置的對應關系如表1～表7所示[10-11]。

表1 區域控制數據卡的主要數據結構

表2 交流節點數據卡的主要數據結構

表3 直流節點數據卡的主要數據結構

表4 交流線路數據卡的主要數據結構

表5 直流線路數據卡的主要數據結構

表6 線路高抗數據卡的主要數據結構

表7 變壓器數據卡的主要數據結構

例如某電網實際BPA數據中，有：

(1)“B NF 4ANS51 525.AS -136 1.01”數據行含義是：基準電壓為525 kV的交流節點4ANS51，屬于AS片區，并聯導納無功負荷為-136 Mvar，節點電壓標幺值為1.01;

(2)“BQ 4LZg2 22.AS 50. 15. 660.400. 220. 0.97”數據行含義：是基準電壓為22 kV的發電機節點4LZg2，屬于AS片區，恒定有功負荷50 MW，無功負荷15 Mvar，最大有功出力660 MW，實際有功出力400 MW，最大無功出力220 Mvar，節點電壓標幺值為0.97;

(3)“L 4ANS51 525. 4AS51 525. 2240 .00015 0.0016 0.1143 16.1”數據行含義是：交流線路的起始節點為基準電壓525 kV的4ANS51節點，末端節點為基準電壓為525 kV的4AS51節點，線路的額定電流2 240 A，線路電阻的標幺值為0.000 15，線路電抗的標幺值為0.001 6，線路對地電納的標幺值為0.114 3，線路的長度為16.1 km；

(4)“LD XR-POS 210. 1 BA-POS 199.3000 12.15R1500. 500. 15. 18. 980”數據行含義是：直流線路起始節點為210 kV的XR-POS，末端節點為199 kV的BA-POS，線路額定電流為3 000 A，線路傳輸功率為1 500 MW;

(5)“L+ 4LIP51 525. GUILIN51 525.2 136. 109.”數據行含義是線路高抗的起始節點4LIP51節點消耗136 Mvar無功，末端節點GUILIN51消耗109 Mvar無功;

(6)“T 4PDz2 38.5 4PD11 115.31.5 .0104 .3387 38.5 121.0”數據行含義是：變壓器的起始節點為基準電壓38.5 kV的4PDz2節點，末端節點是基準電壓為115 kV的4PD11節點，變壓器的容量為31.5 MVA，由銅耗引起的等效電阻標幺值為0.010 4，漏抗標幺值為0.338 7，節點1的固定分接頭為38.5 kV，節點2的固定分接頭為121 kV。

1.2 Matpower模型數據結構分析

Matpower是以矩陣形式來保存電網數據的，共由三種矩陣[12]所構成，分別是節點矩陣，發電機矩陣，支路矩陣，各個矩陣的數據結構形式如表8～表10所示。

表8 節點矩陣數據結構

表9 發電機矩陣數據結構

表10 支路矩陣數據結構

以Matpower的30節點模型為例，節點矩陣的第七行：“7 1 22.8 10.9 0 0 1 1 0 135 1 1.05 0.95”，表示該節點的節點編號為7，類型為1(PQ節點)，有功負荷22.8 MW，無功負荷為10.9 Mvar，并聯電導和電納為0，電壓幅值的標幺值為1，相角為0，電壓的上限為1.05，下線為0.95。

2 BPA-Matpower數據轉換方法

2.1 BPA-Matpower的數據結構處理操作要點

由前面對BPA和Matpower模型數據結構的分析，可以看出這兩種數據結構不僅在形式上，而且在存儲方式上均存在較大的差異，因此在進行數據轉換時有如下需要注意的要點：

(1) BPA節點數據卡只含有節點的名稱，而沒有節點的編號順序，而Matpower節點矩陣中只有節點的編號，需要建立節點名稱與節點編號的一一對應關系;

(2) BPA節點數據卡分為很多種，在轉換過程中需要格外注意數據卡的類別，采用不同的轉換方法，如B節點數據卡、BD節點數據卡(直流節點)對應于Matpower節點矩陣中type-1、BQ節點數據卡對應于Matpower節點矩陣中type-2、BS節點數據卡對應于Matpower節點矩陣中type-3;

(3) BPA區域控制數據卡對控制的區域都進行了分區，而且每個節點都有對應的分區，可利用分區名對所需要的節點數據、發電機數據、變壓器數據、線路數據進行精確篩選，提高數據的提取速度;

(4) BPA模型數據會有直流節點數據卡，需要尋找連接該直流節點的直流線路，將直流線路上傳輸的功率轉換成該節點的負荷功率，而Matpower的負荷功率都是直接寫在節點矩陣中;

(5) 當所提取區域的BPA模型數據中沒有平衡節點時，我們需要從對應的區域控制數據卡中提取出該區域的區域緩沖節點名，將該節點當做平衡節點，實際區域電網也是用區域緩沖節點當做平衡點計算潮流，再由提取出來的節點名稱匹配到對應節點序號，修改節點類型;

(6) BPA和Matpower線路都是采用π型等效電路，但區別在于BPA線路數據卡中的線路導納標幺值是線路總導納標幺值的一半，所以在轉換到Matpower中的支路矩陣時要乘以2;

(7) BPA中含有很多雙回線，而且雙回線的參數一般還是有些差別，轉換成支路矩陣時需要進行一定的區別，在將解析的BPA潮流結果文件中線路傳輸功率匹配到對應線路時，可以作為辨別方法;

(8) BPA把發電機節點用節點數據卡表示，線路數據卡和變壓器數據卡分開表示，并且線路中用并聯高抗線路數據卡(L+卡)來表示并聯高壓電抗器，Matpower則把發電機節點用單獨的發電機矩陣表示，線路和變壓器都寫入支路矩陣中，而且不存在高抗線路的數據，因此得對高抗線路卡做相應的轉換，需要將高抗線路前后側的高抗容量轉換成前后側節點對應的Matpower節點數據中的Bs列;

(9) 對于所提取區域的對外聯絡線上功率也要找到對應的區域內落點，將線路上傳輸的功率等效轉換到該節點矩陣中的Ps，Qs列。

2.2 BPA-Matpower的數據轉化流程圖

本數據轉化接口是基于MATLAB平臺進行設計開發的，首先是讀取BPA的.dat潮流數據文件，接下來開始識別所需要得到的基準功率信息和區域信息包括平衡節點和區域分區名，并根據得到的區域分區名對初始的BPA數據進行精確篩選，得到該區域下的所有節點、線路、變壓器等有效數據卡，實現高效的提取技術。

該BPA和Matpower潮流格式數據接口轉換程序的具體流程和結果對比程序流程如圖1、圖2所示。

圖1 BPA-Matpower數據轉換接口流程圖

圖2 BPA潮流數據結果和Matpower潮流數據結果對比流程圖

3 基于實際電網數據的算例分析

3.1 74節點子系統A的數據轉換與對比

以74節點子系統A的BPA電網數據為例來驗證該接口程序轉換數據的準確性。

該子系統A的電網數據匯總如下：包括74個關鍵節點，6個發電機節點，87條線路。由于篇幅限制，在此僅展示部分比較數據，如表11、表12所示。

表11 子系統A的部分節點電壓數據

表12 子系統A的部分發電機電壓數據

從表11、表12的負荷節點、發電機節點信息可以看出，在該片區內，包含各種電壓等級的負荷節點、發電機節點，和實際的電網情況很接近。首先，我們通過該接口程序從實際大電網中提取出該片區數據，再進行轉換，然后對轉換前后的兩種數據相應節點，相應線路潮流信息進行對比分析，比較兩種數據的轉換誤差。從表11可以看出，BPA和Matpower計算的每個對應節點電壓都相當接近，誤差很小。不僅如此，表12還顯示BPA和Matpower計算的平衡節點有功，無功輸出更是幾乎一樣，說明了轉換的準確性。

BPA的潮流計算結果和Matpower的潮流計算結果在節點電壓，線路功率傳輸的對比如圖3～圖6所示。

圖3 子系統A的74個節點電壓對比圖

圖4 子系統A的74個節點電壓的電壓偏差對比圖

由圖3、圖4該片區電網的BPA節點電壓數據和Matpower節點電壓數據對比圖可以看出，兩種方法轉換的節點電壓誤差都很小，大部分節點電壓誤差都在±0.002以內，極少數電壓偏差達到0.008，所有的節點電壓誤差都在可接受范圍內。

圖5 子系統A的87條線路傳輸有功偏差對比圖

圖6 子系統A的87條線路傳輸無功偏差對比圖

由圖5、圖6該片區電網的BPA潮流數據和Matpower潮流數據對比圖可以得到，該片區的87條線路上傳輸的有功功率和無功功率偏差都分別小于0.5 MW和2 Mvar，基本上可以忽略不計。

通過對小片區上節點電壓和線路傳輸功率的比較，可以得出以下結論：該轉換技術在對小片區轉換上有著良好的有效性以及優越的等值轉換性能。

3.2 1 209節點子系統B的電網數據轉換與對比

以1 209節點子系統B的BPA電網數據為例來進一步驗證該接口程序轉換數據的準確性。

該子系統B的電網數據匯總如下：包括1 209個節點，95個發電機節點，1 563條線路數，由于篇幅限制，在此就只展示部分數據，如表13、表14所示。并對轉換后的Matpower潮流數據和BPA潮流數據在節點電壓、線路功率傳輸兩個方面進行對比分析，如圖7～圖9所示。

表13 子系統B的部分節點電壓數據

表14 子系統B的部分發電機電壓數據

圖7 子系統B的1 209個節點電壓對比圖

圖8 子系統B的1 209個節點電壓的電壓偏差對比圖

圖9 子系統B的1 563條線路傳輸有功偏差對比圖

由圖7～圖9可以看出該轉換技術不僅對小片區轉換有著較好的有效性，而且對于整個大區域乃至省級電網都有著幾乎等值的轉換效果，超過95%的節點電壓偏差都在±0.02以內，極個別點由于是該省電網梯級水電站節點，導致節點電壓有所偏大。超過95%的線路有功傳輸偏差在±5 MW以內，與對應線路上傳輸的功率相比，幾乎可以忽略不計。

由圖4、圖8的對比，圖5和圖9的對比可以看出，隨著電網規模的增大，轉換前后的潮流計算結果差別略微增大，但是都在較小的可接受范圍內。

通過對電網所有節點電壓和線路傳輸功率的比較，可以得出以下結論：該轉換技術在對大電網轉換上同樣有著良好的等值轉換性能。

總而言之，轉換后，兩種潮流計算的結果基本一致，細微的差別可能是節點較為特殊、處理邊界節點不合理以及軟件計算原理的不同所導致的，比如圖8節點編號在1 200左右的節點，都是些靠近電網直流線路邊界直流節點的交流節點，而對邊界直流線路上傳輸的功率，我們采用的方法是直接找到直流線路在電網的落點，轉換成對應節點的負荷，該等效較為粗糙，由于該直流線路上傳輸的功率都在上千MW，對周圍節點電壓大小影響較為明顯，這是導致周圍節點電壓偏差較大的主要原因,這也說明了我們轉換數據的準確性。

4 結束語

設計了一種能夠準確將BPA數據轉換到Matpower數據的接口，實現了BPA數據仿真程序的擴展，使得以后可以基于MATLAB平臺對實際的電力系統進行實時仿真，成為連接BPA和MATLAB的一種有效快捷的轉換工具。