基于数据库的电力系统规划与可靠性评估数据平台开发

陈明帆，石佳，宁光涛，高玉洁，别朝红

（1.海南电网公司，海南海口 570204；2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，陕西 西安 710049）

电力系统规划及可靠性分析对电网的投资、运行、效益等方面有着重要意义。随着电网的发展及多类型新能源的接入，电力系统规划及可靠性分析评估日趋复杂，现有的电力系统分析软件已难以满足现代电力系统规划在更全面、更科学、更高效等方面的需求。

科学的规划及可靠性评估需建立在对海量原始数据处理分析的基础上，如何对数据进行快速贮存、修改、运算及分析，如何提高规划及可靠性的评估效率，如何提高规划的科学性是现代电力系统规划需迫切解决的问题，是促进电力规划设计往更科学、更高效方向发展的关键问题。因此，形成一套电力系统规划与可靠性评估的数据平台是十分必要的[1-6]，其可大大提高电力系统规划人员的工作效率，并为之提供更加全面、科学、准确的数据及分析结果。

目前部分软件如电力系统分析综合程序PSASP，BPA程序等可以进行电力系统规划分析，但集规划和可靠性评估于一体的成熟软件尚未出现[7-9]。文献[10]针对中高压配网设计综合规划平台，详细阐述了我国规划使用软件平台的发展历程，并给出相关定义以及设计步骤。文献[11]对比了B/S和C/S两种模式下平台开发的特点，综合两者长处，深入探讨了图形处理平台的设计。随着科学技术的发展，互联网的应用日渐频繁，文献[12]将关注点放在了网络上，基于互联网进行电力系统规划平台的开发，采用ADO方式链接数据源，用数据库和XML文件来存储中转数据。

虽然众多高校和企业关注大型电力系统可靠性评估软件的研发，但注重的是在建模、算法、采用的指标及计算规模上的改进创新，这些软件程序减少了用户的计算量及操作强度，但现仍缺乏合理的数据平台在电力规划及可靠性方面来统一电力系统数据信息的收集、校核及分析，且能兼容现有电力系统分析软件通信接口，以保留原有规划的持续性，提高电力规划效率及科学性。

本文完成了统一数据平台的搭建，采用C/S模式进行系统的开发，并在此基础上实现了功能模块的调试和软件接口的研发。文中所指的数据平台是基于某种计算机语言开发的操作界面，可以对固定格式的数据进行解析处理，链接数据库进行存储，与其他功能程序模块留有接口，可以按照用户要求进行拓展的平台。具有统一数据标准，功能全面，扩充方便的数据平台可以为电力系统规划及可靠性评估带来便捷，从而提高规划人员的工作效率。

1 总体框架设计

电力系统主要采用表格法进行规划计算，目前常用的工具为Excel软件和自带的VBA编程语言，这种方法的效率较为低下，需要耗费工作人员大量的时间和精力去储存和修改数据，而且VBA语言已不再大范围的使用，因此有必要对其更新。由于电力系统的记录多达上万条，Excel表单存储数据量有限，所以本文采用Access数据库作为数据源。首先，作为专业的数据库，Access便于存储数十万条数据，从而确保了原始数据的准确存储，其次，关系型数据库易于通过项目一对多的关系建立表格之间的联系，形成表格网结构，用以模拟实际生产模型。同时该数据库操作简便，被广泛使用，适于开发。

BPA软件被广泛应用于电力系统分析计算中，BPA数据文件中存放有可靠性计算所需要的大量数据信息，如发电机组、输电系统、无功补偿设备等电力设备参数和运行方式数据，通过数据平台的BPA转换接口，可以实现海量数据有选择性的读取与输出，见图1。

图1 数据平台框架结构Fig.1 The structure of data platform

基于Visual C++语言开发，相比于VBA语言通俗易懂，为后续开发提供便利。通过建立单文档工程，利用C++中Microsoft Foundation Classes（MFC）基本类库形成数据平台操作框架，通过Active Data Objects（ADO）方式链接数据库，使用SQL语句操控数据，得到用户所需类型。添加灵活的ActiveX控件用于显示、编辑，使输入输出更为便捷，方便用户的操作。同时留有文件数据读取的接口，截取所需类型的数据并输出到指定格式的文件中，在后续运算时调用。

2 数据整合

数据平台的基础是规划和可靠性计算的原始数据，数据库中表格的项目和分类需要根据数据特征来设计。该平台充分考虑各类电站设备的特点以及其在系统中的位置与作用，将相同类别的数据融合在同一张数据表中，利用表格间项目的映射关系，通过网架和线路参数构建系统的模型，实现电网系统的模型表格化。为了保证所建数据库覆盖面广，设计合理，有必要对数据类型作一解释说明。

2.1 规划数据

根据系统规划和实际电网报告的分析，该平台的基本数据有以下4部分：

1）机组信息：考虑电网中各类型电源，包括火电、水电、风电、光伏、抽水蓄能、核电机组等，每种机组根据其不同特性参数单独制表，抽象为点来表征实际各电站。

2）系统数据：相同类型的机组在不同电站有共享的特性，对这些特性统一建表。例如相同型号的火电机组有相同的煤耗率和碳排放指标。水电机组关心的是其所在处的水文特性，包括丰水年，平水年和枯水年机组的预想出力，平均出力和强迫出力。风电机组和光伏机组分别关联电站的风速和光照历史数据表格。系统设备数据由线路和变压器两张表来反映，可视为连接点的直线。

3）负荷数据：由典型日、月、年负荷曲线3张表格构成，用于负荷预测，协助用户了解电网或者地区的负荷需求。

4）网架：通过该表中的节点编号项目可以将各机组，线路以及变压器等设备集合成网，实现实际电网的表格模型化。

2.2 可靠性数据

该平台可靠性功能模块基于BPA程序数据类型开发。依照BPA程序使用手册，其数据卡共有4类19种卡片，分别为区域控制、节点数据、支路数据及节点数据修改卡，由这些卡片组成了基础数据库。每行BPA数据一定对应于一种卡片，按说明格式对其截取，获得系统的信息数据。

1）区域控制卡：以A，I为起始字母，记录分区信息和区域之间的交换功率。

2）节点数据卡：以B，X为标志，按照节点类型分为交流，直流和电抗电容器，记录节点负荷，电压，无功出力等数据。

3）支路数据卡：由交流线路，直流线路，变压器和移相器等设备信息组成，包括连接的节点名称，电压等级和阻抗，导纳等，线路信息以L起始。

4）节点数据修改卡：对系统发电出力，负荷，分区等信息进行修正。

本文所用到的可靠性数据主要来源于节点数据和支路数据卡，比如节点名称，节点类型，机组最大和实际有功出力，线路以及变压器连接节点名和阻抗等信息。

3 数据平台操作界面

利用VC++建立单文档工程以搭建数据平台操作界面，如图2所示。

使用MFC构建操作界面，该平台菜单栏主要由以下模块构成：文件打开，原始数据，计算统计和结果等，具体操作步骤在第4节进行说明。具体分为两栏，上层为菜单栏，下层为快捷键，如图3所示。

图2 数据平台操作主界面Fig.2 The main interface of data platform

图3 菜单栏与快捷键Fig.3 M enu bar and shortcut keys

3.1 数据库链接

在数据库中建立电力系统数据库实例[13]，创建原始表格来存放数据，其中网架数据表如表1所示，通过表格间字段的一对多关系，形成表与表之间的联系，即由数据表格构成电网模型。

表1 网架数据表Tab.1 Grid data

用户进入平台界面后，链接已有数据库完成数据源的连接，在原始数据模块可以查看，修改数据库中电网机组，负荷及网架等原始数据。

3.2 功能模块

该数据平台已开发的基本功能有BPA程序格式可靠性数据转换，电力电量平衡计算，系统机组信息统计以及可靠性评估计算模块接口，以上功能在成熟软件中鲜有应用。

针对不同功能模块，利用灵活多变的SQL语句获得对应的数据集，进行计算分析。考虑实际电力系统规划运行总结的原理规则设计算法，添加对话框提示用户输入计算所需系数，提高软件的可视化与灵活性[14-15]。采用表格输出形式，用以显示计算统计部分的结果，可以对其中数据修改，删除，提取。

3.2.1 BPA数据转换接口

电力系统可靠性评估包含大量系统信息，如机组额定容量、线路阻抗、变压器参数等等，多以BPA程序的数据格式储存在文本文件中。因此该平台开发了BPA数据转换接口，用以快速准确的查询与保存所需信息。

平台的数据转换接口任务是读取系统卡片的信息。通过对每种卡片定义结构体数组，根据数据的格式说明，对数组成员进行划分和定义，可以在平台内部进行调用。将数据保存至平台内的数组中，并能提取与可靠性有关数据，例如节点名称、发电机组的最大有功出力、实际有功出力、输电线路的两端节点名和阻抗等接口程序需要的数据信息，并能对其进行更改、比较、删除等操作，最后生成用户程序需要的数据格式文件。

用户可以在数据文件调用窗口中，选择该终端中满足条件的文本文件进行读取转换。得到的可靠性数据暂时保存在平台内部的结构体数组中，并能以如下两种方式显示：一是在数据平台界面上显示，可将查询到的数据填充到表格相应项目中，形成新的数据库文件；二是生成结果文本文件，数据具体输出格式可由用户指定。获得的数据文件可作为可靠性评估模块的输入文件。

通过对海南电网的BPA数据进行转换测试，证实该接口稳定，读取速度快，多达14000多条的记录可以在2 s内完成选择性读取、存储和展示。遇到与格式说明不一致的数据，可以自动进行判别修改，并以正确的格式存储。使得在进行电力系统可靠性评估时可以快速准确的获取电网最新数据，大大提高了工作效率。

3.2.2 电力电量平衡

电力电量平衡是电力系统规划设计的重要组成，其根据系统负荷预测和机组出力的情况，得到连续多年的电力盈亏。在系统水电容量比重大的时候，需要进行电量平衡的分析[16-17]。

平台通过读取调用相关表格里涉及电力电量平衡计算的原始数据，如最大负荷，水火电出力以及各自备用容量等，在计算模块中处理分析，得到电网的电力电量平衡结果。为使平台更具有实用性通用性，计算的基本原则来源于实际电网运行报告的总结。在实际操作中，用户关注的年份有限，且在不同地区的电网运行中，备用的系数选取有差，因此用户可以根据系统的差异性，在图4对话框中输入关注的年份、备用系数和年利用小时数，得到5年的电力电量平衡结果。

图4 电力电量平衡计算对话框Fig.4 Electric power and quantity balance dialog

电力电量平衡计算模块将电网工作人员对大量数据的机械化重复性操作转化为计算机语言，同时充分考虑了实际电网规划中平衡计算的原则，将其程序化，使用者只需录入相关的参数，即可得到需要年份的平衡结果。

3.2.3 机组信息统计

为了合理安排生产计划，充分调用资源，规划人员需要了解电网的基本组成信息。从系统的机组信息中获取机组类型，机组容量以及台数等数据，整理后按照火电机组、水电机组、风电机组等类型展示各自的机组总台数、机组总容量以及各容量区间的台数分布。测试结果如图5所示。

图5 系统机组信息统计Fig.5 Power system unit information statistics

3.2.4 可靠性评估

在数据平台的基础上，开发了平台与可靠性评估功能模块的接口，用以连接成熟的计算程序。在平台中调用运行程序的可执行文件，进行电网的可靠性计算与分析。计算模块使用的原始数据来源于平台BPA数据转换接口生成的文本文件，已测试可以转换海南电网2011年夏大，夏小，冬大，冬小方式的BPA数据文件。用户在其中添加部分数据信息后，可以作为可靠性计算的输入文件。经过运算获得电网各节点的电力不足概率（LOLP），电量不足期望值（EENS）指标以及故障导致线路的切负荷次数与切负荷量等统计结果，分别存入数据库各结果表中，部分结果显示如图6。该模块体现了平台数据共享的特性，实现了数据平台的基本功能。

图6 可靠性计算结果表Fig.6 Reliability calculation result table

4 数据平台展示与特点

使用电力系统规划与可靠性评估数据平台的主要步骤如下。首先通过菜单“打开”按键，选择需要链接的数据库。在“原始数据”的下拉菜单中，可以选择原始数据表进行数据的查看和修改，单击其中的“BPA数据转换”进行可靠性数据转换，将用户所需的BPA数据存入数据库中，并形成指定格式的文本文件。之后根据用户所关心的功能模块进行选择，在“计算统计”菜单中可以进行电力电量平衡，机组信息的统计和可靠性计算。在“结果”下拉菜单中，查看各功能模块执行后的结果。用户终端只需安装数据库和平台的可执行文件，以上平台功能均可快速有效的实现。

目前尚未有完善的电力系统规划与可靠性决策软件投入现场使用，该领域的工作在国内外还处于起步阶段，本文开发的数据平台相比较于现有的规划运行软件，具有以下特点：

1）利用数据库专业的数据存储功能，在其中构建原始数据表格，充分考虑各类电站的特点，其在系统中的位置与作用。通过网架和线路参数构建系统的模型，填充系统数据使之完整。

2）基于C++语言开发C/S模式平台，适于单机操作，安装环境要求低，具备通用性。

3）可以根据实际情况更改电力电量平衡计算的部分系数，使软件更具灵活性。数据转换接口可以读取电网BPA格式的原始数据，并能按照用户的要求挑选出与规划，可靠性计算有关的数据，对其进行修改、整合、输出到指定格式文件，供可靠性程序接入后计算使用。

4）开发功能模块的接口，在平台中调用成熟的规划与可靠性计算程序，实现相关计算的无缝接入，为后期平台功能的完善奠定基础。

5 结论

本文基于广泛应用的数据库和高级语言开发了统一数据的数据平台，整合了电力系统规划与可靠性评估的基础数据，考虑了实际的电力系统运算原则，面向用户添加功能模块，在此基础上扩展了相关计算程序的接口，具有灵活的操作界面。其中的功能模块经过海南电网实际数据测试，证实该平台可以有效地提高使用者规划工作效率，具有良好的操作性和实践性，可以运用于电力工业规划及生产中。

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