QS文件狀態(tài)估計數(shù)據(jù)模型的比較分析

肖 洋,肖 明，馬勇飛，夏 潮，李志強(qiáng)，張紫薇，顏 偉

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

0 引 言

電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)存儲在調(diào)度自動化系統(tǒng)D5000中，其中QS文件對應(yīng)的是狀態(tài)估計后的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)斷面，其包括了電網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)態(tài)運行數(shù)據(jù)、計算拓?fù)鋽?shù)據(jù)和設(shè)備歸屬數(shù)據(jù)，是研究和反演實際電網(wǎng)運行狀態(tài)的重要素材[1-2]。如果需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計算并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行評估與優(yōu)化控制，則必須明確QS文件數(shù)據(jù)對象的元件模型。但國內(nèi)網(wǎng)級調(diào)度控制中心(簡稱網(wǎng)調(diào))和各省級電網(wǎng)調(diào)度控制中心(簡稱省調(diào))直接輸出的QS文件數(shù)據(jù)對象的屬性和所采用的元件模型與PSASP中的標(biāo)準(zhǔn)模型[3-6]存在一定差別，忽略模型上的差異將導(dǎo)致潮流計算結(jié)果與采集數(shù)據(jù)結(jié)果不一致，從而使得相關(guān)電力系統(tǒng)評估結(jié)果有誤甚至優(yōu)化控制效果無法達(dá)到預(yù)期[7]。目前，隨著電力系統(tǒng)信息化程度的不斷加深，對數(shù)據(jù)交換和共享的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的要求也越來越迫切[8-9]，但關(guān)于QS文件數(shù)據(jù)模型的分析還未見有相關(guān)研究，為電網(wǎng)的信息化建設(shè)，QS文件數(shù)據(jù)的共享帶來了一定障礙。

因此，該文基于電力系統(tǒng)公用數(shù)據(jù)模型(common information model，CIM)[10-12]，對網(wǎng)調(diào)QS文件和PSASP中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型分別進(jìn)行了對比分析，明確了QS文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)驗證模型的準(zhǔn)確性，為進(jìn)行潮流計算和交直流系統(tǒng)控制參數(shù)、控制策略的評估提供了準(zhǔn)確的研究對象。

在QS文件數(shù)據(jù)中，包含了線路、變壓器、發(fā)電機(jī)、負(fù)荷、串補(bǔ)、并補(bǔ)等數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對象展開解析，其余數(shù)據(jù)對象的模型較簡單不再展開說明。

1 數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)，B*為線路對地導(dǎo)納(文中所有上標(biāo)“*”均代表標(biāo)幺值)，Pi+jQi是流出節(jié)點i的功率，Pj+jQj是流出節(jié)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(shù)據(jù)模型方面來說，網(wǎng)調(diào) QS 數(shù)據(jù)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(wǎng)調(diào)QS數(shù)據(jù)中500 kV以下的普通輸電線路模型和PSASP中的標(biāo)準(zhǔn)模型基本一致，如圖1所示。網(wǎng)調(diào)QS數(shù)據(jù)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(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)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(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)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(bǔ)(Compensator-P)和串補(bǔ)(Compensator-S)，在數(shù)據(jù)對象ACline中，其兩側(cè)功率的狀態(tài)估計值不僅僅是線路本身流出其拓?fù)涔?jié)點的功率，還包含了串補(bǔ)和并補(bǔ)補(bǔ)償無功后的線路兩側(cè)功率。具體來說，如圖2所示，即網(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)中認(rèn)為拓?fù)涔?jié)點1～6是一條復(fù)合線路，其ACline中給出的功率并不是流出節(jié)點3、4的功率，而是流出節(jié)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(shù)據(jù)中500 kV及其以上的超高壓輸電線路包含的并補(bǔ)和串補(bǔ)數(shù)量并不是固定的，線路所連接的并補(bǔ)和串補(bǔ)名與線路名相關(guān)，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(shù)為兩側(cè)繞組阻抗歸算至同一側(cè)的等值阻抗(一般將其歸算至低壓側(cè))，該等值阻抗是總阻抗而不是某一側(cè)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(yīng)連接在低壓側(cè)，且支路導(dǎo)納數(shù)值為負(fù)。

PSASP中，雙繞組變壓器和三繞組變壓器屬于兩個不同的數(shù)據(jù)對象，但對于網(wǎng)調(diào)QS文件而言，雙、三繞組變壓器同屬于一個數(shù)據(jù)對象Transformer。因此，網(wǎng)調(diào)QS文件中的變壓器模型均于下節(jié)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(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)中，極差可正可負(fù)，部分省調(diào)QS文件數(shù)據(jù)中可能未直接給定變比標(biāo)幺值，需要利用銘牌參數(shù)計算。

網(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)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(dǎo)納。

2 QS文件數(shù)據(jù)模型驗證方法

該文以網(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)的元件模型為基礎(chǔ)總結(jié)其驗證方法。線路功率的參考方向均以流出節(jié)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(bǔ)和并補(bǔ)，故先假設(shè)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(shù)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(bǔ)和串補(bǔ)，并補(bǔ)和串補(bǔ)名與線路名相關(guān)，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?fù)涔?jié)點1的電壓、功率及線路參數(shù)計算節(jié)點2的功率，用節(jié)點2電壓、計算功率、線路參數(shù)計算節(jié)點3的功率，用節(jié)點3電壓、計算功率、線路參數(shù)計算節(jié)點4的電壓、功率，并將計算出的節(jié)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(fù)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(rèn)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(shù)計算低壓端的電壓和功率，并和直接從數(shù)據(jù)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(shù)計算中性點電壓、功率，中性點電壓計算值應(yīng)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(yīng)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(yīng)用實際QS文件數(shù)據(jù)驗證模型正確性

以實際網(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)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(jìn)行模型校核。

3.1 交流輸電線路模型

3.1.1 抽樣驗證

從網(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)如表1所示。

表1 交流輸電線路原始數(shù)據(jù)Table 1 Raw data of ACline

首先進(jìn)行500 kV以下普通輸電線路模型抽樣驗證，驗證結(jié)果如表2所示。

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

通過抽樣驗證可以發(fā)現(xiàn)線路j端電壓幅值、功率的計算值和原始值的差在10-6數(shù)量級，可認(rèn)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(fù)合線路，有2串補(bǔ)2并補(bǔ)，并補(bǔ)和串補(bǔ)的信息如表3、表4所示，驗證結(jié)果如表5所示。

表3 抽樣復(fù)合線路并補(bǔ)信息Table 3 Sampling composite line shunt compensationinformation

表4 抽樣復(fù)合線路串補(bǔ)信息Table 4 Sampling composite line series compensation information

表5 抽樣復(fù)合線路模型測試驗證結(jié)果Table 5 Sample composite line model test validation results

3.1.2 整體驗證

國調(diào)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(biāo)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(bǔ)、串補(bǔ)的復(fù)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(jié)果分析

抽樣驗證中電壓幅值差均在10-6(p.u.)數(shù)量級，有功差值和無功差值都在±0.02 (p.u.)以內(nèi)。整體驗證中，電壓、功率的不合格率均為0。因此，可以認(rèn)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(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)中獲取的雙繞組變壓器的原始數(shù)據(jù)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(jié)果見表7。

表6 雙繞組變壓器原始數(shù)據(jù)Table 6 Raw data of double winding transformer

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

3.2.2 整體驗證

國調(diào)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(biāo)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(jié)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(shù)量級；整體驗證中，電壓、功率的不合格率均為0。因此，可認(rèn)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(wǎng)調(diào)QS文件數(shù)據(jù)中獲取的三繞組變壓器的原始數(shù)據(jù)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(jié)果見表10。

表8 三繞組變壓器原始數(shù)據(jù)1Table 8 Raw data 1 of three-winding transformer

表9 三繞組變壓器原始數(shù)據(jù)2Table 9 Raw data 2 of three-winding transformer 單位：標(biāo)幺值

表10 三繞組變壓器模型測試驗證結(jié)果Table 10 Three winding transformer model test verification results 單位：標(biāo)幺值

3.3.2 整體驗證

國調(diào)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(biāo)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(jié)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(shù)量級；整體驗證中，電壓、功率的不合格率均為0。因此，可認(rèn)為三繞組變壓器模型驗證正確。

4 結(jié) 語

該文通過對實際網(wǎng)調(diào)QS文件和PSASP中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及元件模型的對比分析，詳細(xì)說明了QS文件數(shù)據(jù)中線路、雙繞組變壓器、三繞組變壓器和PSASP中數(shù)據(jù)模型的區(qū)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(shù)據(jù)的共享提供了基礎(chǔ)；另一方面，可以通過模型的比對發(fā)現(xiàn)狀態(tài)估計的數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，進(jìn)一步提高狀態(tài)估計的可靠性和精度，從而為后續(xù)進(jìn)行潮流計算與無功優(yōu)化提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使得基于此模型實現(xiàn)的高級應(yīng)用具有工程實用價值。值得注意的是，省調(diào)和網(wǎng)調(diào)、省調(diào)和省調(diào)之間QS文件數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也會有一定不同，在利用實際數(shù)據(jù)進(jìn)行潮流計算與無功優(yōu)化之前需要先行驗證數(shù)據(jù)模型。