一种基于BPA数据的静态安全最优校正分析方法

苏维波，冯彦维，阳育德

（1.广西电网公司钦州供电局，广西钦州 535000；2.广西大学电气工程学院，广西南宁 530000）

电力系统预防性静态安全最优校正是保证电力系统可靠、安全、稳定运行的重要措施。校正计算的结果可以为电力系统制定运行方式和系统规划设计提供理论依据。通过对电力系统进行静态安全分析得到预想事故故障集，针对故障集内的预想故障调整当前系统运行状态，使得故障集内的预想事故发生时系统仍然可以保持在一个安全状态下，各系统状态参数没有越限，从而防止事故扩大。

BPA格式数据是一种描述电力系统模型的格式，与之对应的是电力系统计算分析软件-PSDBPA程序[1]，PSD-BPA是中国电力科学研究院开发的PSD电力系统软件工具包当中的潮流及暂态稳定程序，该程序广泛应用于实际工程项目，在电网的规划、设计、科研及生产运行工作中发挥了重要作用。其中包含了多种计算功能，比如潮流计算、N-1模拟开断等电力系统常用计算。但是该程序并不包含优化计算功能，在对电力系统进行N-1模拟开断分析之后，如何调整当前系统状态从而消除不满足系统安全稳定运行的预想故障，电力工作者需要额外想办法进行计算。分析与校正还缺少一个全过程自动计算的方法，使得系统运行维护与设计人员往往需要耗费较多的时间和精力进行相关的工作，比如根据运行经验对系统进行调整，且需要反复进行调整，取得的效果并不一定令人满意。

本文描述了一种基于电力系统的BPA格式数据，运用电力系统计算分析软件PSD-BPA程序对电力系统进行安全稳定分析，筛选不满足N-1安全准则的预想故障，对需要进行校正的模拟开断线路，执行基于现代内点理论[2-3]的最优校正计算，将优化后的结果进行分析与比较，最后将结果回写到BPA格式数据当中的方法。回写后的BPA格式文件可以直接为电力系统的安全稳定运行与规划设计提供可靠的理论依据。

1 框架设计

本文所述方法把安全分析与校正计算相结合进行分析校正，基于BPA格式数据的框架设计为如下2大部分：由PSD-BPA程序完成潮流校验、系统等值、N-1开断模拟以及回写BPA文件；PSD-BPA程序不具备的最优校正计算部分则另外编写Matlab最优校正程序。分析校正流程图如图1所示。

图1 分析校正流程图Fig.1 Analysis and correction flow chart

2 数据接口

BPA格式数据可以非常详细地描述电力系统模型，但是对系统的描述没有进行严格的分块、分类存储，并且包含大量描述性语言。虽然PSD-BPA程序可以很好地识别和读取系统信息，但对于采用Matlab程序进行校正计算的方式来说，BPA格式数据并不适合读取。因此，需要设计一个BPA格式数据与自定义数据格式进行互相转换的接口。

数据接口模块实现数据的获取和回写功能。首先是BPA数据文件的等值和解析。使用BPA软件进行所需保留计算区域的网络边界等值，并对等值后系统进行潮流计算，对所得到的PFO文件中的输入数据部分进行解析，需要解析的数据卡包括：B卡、BC卡、BE卡、BQ卡、BS卡、BD卡、+A卡、L卡、T卡、E卡、R卡和LD卡等，从而得到最优安全校正计算所需要的网络数据、电网基本运行参数、发电机运行极限等。将这些数据形成自定义格式数据，自定义的数据格式根据系统原件以及数据类型分块保存，包括线路数据部分、变压器数据部分、节点功率部分、有功出力限制部分等。与数据解析相反的是，数据回写把优化计算后的校正结果，根据结果类型分别把发电机以及负荷、PV点电压的调整结果回写到BPA数据文件BQ卡以及B卡相应位置。

3 安全稳定分析

3.1 潮流校验

BPA数据文件由人工输入形成，并且系统模型的建立过程中会产生误差，BPA文件所描述的系统会有潮流计算不收敛的情况。因此，有必要对数据文件进行潮流校验，以求获得较精确的分析校正结果。

运用PSD-BPA软件的潮流计算功能，对BPA格式文件进行潮流计算，并根据计算得到的PFO文件判断潮流计算是否收敛，如计算结果显示收敛，则进入下一步计算，否则调整系统收敛后再进行潮流校验。

BPA格式数据在PSD-BPA程序中的潮流控制语句为：

（POWERFLOW，CASEID=潮流方式名，PROJECT=工程名）

/MVA_BASE=基准容量

/P_OUTPUT_LIST，FULL

/RPT_SORT=ZONE

/P_ANALYSIS_RPT，LEVEL=4

/OVERLOAD_RPT，TX=80，LINE=90

/NEW_BASE，FILE=文件名

/PF_MAP，FILE=文件名

3.2 系统等值

如今电网逐步形成巨大的互联系统，以求提高电能质量和获得较好的供电可靠性，系统规模一般比较庞大，系统规模反映在BPA文件上就是巨大的数据量。由于系统分析的时候是分区进行的，因此，有必要采用等值的方法缩小系统规模，仅保留所关注区域即可。

如果原始的BPA信息足够完整的包含分区信息，可以运用PSD-BPA程序的系统等值功能方便的把大系统等值成为所需要分析计算的小规模系统。

在此，需要编写BPA系统等值文件，其控制语句语句如下：

（POWERFLOW，CASEID=文件名，PROJECT=工程名）

/OLDBASE，FILE=文件名.BSE

/P_INPUT_LIST，FULL

/P_OUTPUT_LIST，FULL

/P_ANALYSIS_REPORT，LEVEL=4

/REDUCTION

>RETAIN_GEN=OFF<

>SAVE_BASES=ALL<

>SAVE_ZONES=需要等值的分区号（格式如：A B C D）<

（END）

等值完成后生成PFO类型文件。利用该文件进行获得前述的用于校正计算的自定义格式数据。

3.3 N-1开断模拟

采用PSD-BPA程序的N-1开断模拟功能，筛选出等值系统中不满足N-1安全准则的线路。

BPA格式数据在PSD-BPA程序中的N-1开断模拟控制语句为：

（POWERFLOW，CASEID=潮流方式名，PROJECT=工程名）

/OUTAGE_SIM

>OLDBASE，FILE==文件名（如A.BASE）<

>OVERLOAD，ZONES=指定要检验是否过负荷的分区以及电压等级（如：A B C，BASES=230.，230.）<

>OUTPUT_SORT=指定输出表的种类（如：

OUT_OVER）<

（END）

该语句可以在指定的分区内由程序自动轮流开断元件，得到过载和节点电压越限情况，进行N-1安全校核分析。

4 最优校正控制

最优校正控制是静态安全校正计算的核心。这一部分计算采用由Matlab编程软件所编写的计算程序执行。求解静态安全校正问题的本质也是最优潮流问题，传统的最优求解模型可以表示为[4-6]：

其中，目标函数f（c0，x0）可以表示发电费用最低、系统有功损耗最小、负荷改变量最小等。

等式约束方程hk（c0，xk）是系统的潮流方程，k=0时，表示预想故障前系统的潮流方程，k=1，…，Nc时，表示预想事故发生后的潮流方程。不等式约束包含系统控制变量c0以及状态变量xk的上下限约束。其中，控制变量c0在预想故障发生前后的潮流方程中表示同一个个控制量，状态变量xk在控制变量c0下满足各个系统状态下潮流方程的因变量。

现代内点算法由于其收敛速度快、精度高、具有多项式时间特性，可以方便地处理各类约束条件，而成为当前开发实用化最优潮流程序的首选算法。PSD-BPA程序执行N-1开断模拟所采用的算法为补偿法，补偿法不需要修改网络的导纳阵进行潮流计算，而是当网络中支路开断的情况下，可以认为该支路为被开断，而在其2端节点处引入某一待求的功率增量或电流增量（或称补偿功率或补偿电流）来模拟支路的开断，计算速度快。

本文方法采用现代内点法并结合补偿法求解上述最优校正模型[7-10]。目标为发电机机组有功出力改变最小或相关负荷改变量最小。在优化过程中，首先采用发电机机组出力改变最小作为目标函数，可调变量为发电机机组有功以及无功出力。优化校正完成后，如果通过调整机组出力无法使得设定的预想故障发生后仍满足安全稳定要求，则调整目标函数为相关负荷改变量最小，同时可调变量为系统的有功负荷。一般选择模拟断线两端节点所连接的负荷为可调负荷，通过调整负荷的方式减小预想事故发生后的过负荷线路上流过的功率，从而使得优化结果满足安全稳定运行的要求。

5 BPA回写

该方法的最终结果是生成校正后的BPA格式数据文件。校正计算完成后生成自定义的结果文件，并把其中文件中的控制变量部分通过数据接口回写到原BPA格式数据对应的位置。回写内容包括可调发电机有功出力回写到可调发电机BQ卡上的“实际有功出力”位置，各发电机机端电压回写到所有发电机BQ卡的“安排的电压阀值”位置，节点负荷功率回写到B卡的“恒定有功负荷”位置。

回写完成后，再次利用PSD-BPA程序对回写后的BPA格式文件进行潮流计算，只有潮流计算收敛才输出BPA文件，否则重新调整系统设置，再次执行最优校正计算。

6 测试算例

本文采用Visual Studio C#及Matlab进行编程，实现本文所述方法的潮流计算、N-1开断模拟以及N-1最优校正控制的一体化操作。

选取某省级电网进行算例分析，该系统包含958个节点、502条线路，104台发电机，215台有载调压变压器以及183个无功补偿点。

系统中，A站 ～B站线路和C站 ～D站线路共同为C站所在区域供电。C站负荷通过C站 ～D站线路和C站 ～B站线路实现双电源供电。对该系统进行N-1模拟开断计算。结果显示，A站 ～B站线路断开后，导致C站 ～D站线路发生过流现象。C站 ～D站线路断开后，导致C站 ～B站线路发生过流现象，如表1所示。

首先，对A站 ～B站线路开断进行优化校正，消除越限现象。

选取预想故障线路所在区域内的发电机组作为可调机组进行联合优化。该区域内包含C1和C22个电厂，分别有1台和4台机组。优化后模拟开断线路电流结果如表2所示。

表2 优化后模拟开断线路电流情况Tab.2 Line current of simulated breakingafter optim ization

可以看到，校正前的越限线路电流占额定电流比由113.0%降到99.9%，电流越限现象得到了消除。优化后，电厂C1的发电机组有功出力由35 MW减少为2.8 MW，电厂C2的4台发电机组则各自由30 MW增加至38 MW。如表3所示。

通过优化校正控制，预防性的消除了N-1线路故障，使得A站 ～B站线路在运行过程中退出后，系统不发生线路过流现象。

其次，对C站 ～D站线路开断进行优化校正，消除越限现象。

选取预想故障线路所在区域内的发电机组作为可调机组进行联合优化。由于预想故障线路以及由其引起的过负荷线路与A站 ～B站线路处于同一个区域内，所以同样选择C1和C22个电厂的5台机组作为可调机组。

优化后，电厂C1的1台发电机有功出力由35 MW调整为29.9 MW。电厂C2的4台发电机有功出力各自由优化前的30 MW调整为25.07 MW。如表4所示。

表3 优化前后可调机组有功、无功出力情况Tab.3 The adjustable generators’active and reactivepower before/after optim ization

表4 优化前后可调机组有功、无功出力情况Tab.4 The ad justable generators’active and reactivepower before/after optim ization

调整发电机组出力进行优化后，模拟开断线路电流结果如表5所示。

表5 发电机组优化后模拟开断线路电流情况Tab.5 Line current of simulated breaking afteroptim ization of generating units

可以看到，调整发电机组出力调整后，过流线路电流有所下降，但是未能满足安全运行的要求。说明无法通过调整发电机机组出力调整潮流分布使该系统完全校正到安全稳定运行状态。因此，需要调整优化策略。

不调节发电机组出力，通过调整负荷以负荷变化量最小作为目标函数进行优化。根据网络拓扑关系分析，选取C站有功负荷作为可调变量。优化后，C站有功负荷由优化前的245 MW降到193.45 MW。如表6所示。

通过对C站的有功负荷进行调整，降低了线路负载，从而消除了线路过流现象，模拟开断C站 ～B站的过流线路优化后电流情况如表7所示。

表6 优化后负荷调整情况Tab.6 Load after optim ization

表7 负荷优化后模拟开断线路电流情况Tab.7 Line current of simulated breaking after loads optim ization

通过2个算例可以看到，本方法通过联合采用PSD-BPA程序以及基于现代内点法编写的Matlab程序，分别进行基于N-1安全标准的静态安全分析以及预防性安全校正，不但消除了系统的潜在安全隐患，而且使得原过流线路电流值控制在额定电流的极限，线路的电能传送能力得到了很好的利用，保证了系统安全性，收到了很好的效果。

7 结语

本文阐述了一种结合PSD-BPA以及Matlab编程的电力系统安全分析以及校正方法。通过建立安全校正模型，围绕BPA格式数据进行分析计算，把以往无法直接完成的安全分析与安全校正计算有机的结合在一起，并运用现代内点法对其进行求解。对于以BPA格式作为电力系统系统描述语言的电力部门来说提供了一种方便快捷、稳定可靠的分析校正方法，减轻了运行维护以及规划设计人员不必要的工作量，使得电网安全稳定运行方式的制定变得简单易行，全面提高电网运行的安全稳定性。

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