用于优化软件的BPA双向数据接口设计

李凌，刘铸峰，王德付，刘鹏飞，王亚龙，祝靖

（1.广西电网公司电力调度控制中心，广西南宁 530023；2.广西大学电气工程学院，广西南宁 530004）

PSD-BPA软件源于美国，后经中国电力科学研究院引进消化，形成中国版的BPA软件，简称BPA。由于中国电力科学研究院的推广，BPA在我国电力系统得到广泛应用，目前南方电网及相关电力科学研究院和设计院使用的仿真软件主要是PSD-BPA[1]。一般地，使用BPA时，存在着如下一些问题：

1）数据卡片填写不便，BPA数据采用文本字符串的数据卡形式存储，用户对数据修改比较费力，且修改过程一般伴有计算，数据填写易于出错。用程序自动生成BPA数据格式则能够避免一部分上述问题。

2）数据信息面临信息孤岛问题，常用电力系统分析软件众多[2]，经常需要对不同电力系统软件间的数据进行交换，电网运行规划计算中，为了提高经济效益，需要使用优化程序对运行方式进行优化计算，但由于数据格式的不兼容，手动迁移数据耗费大量人力。

实际工作中有必要实现BPA与其他各类软件之间的接口，有不少学者进行了这方面的探索，例如有对BPA与PSS/E进行接口开发的尝试[3]，也有对BPA与办公软件Excel对接的接口研究[1]。

本文讲述的是一种采用表格映射的接口实现方法，考虑现有电网较多地采用数据库管理数据事实，用这一方法能够较好地融入电网现有系统，利用数据库技术，该方法可用于实现BPA数据与其他格式数据的接口转换功能，并且基于该方法，实现了BPA数据与优化软件数据的对接，从而在使用优化软件时提高工作效率。

所提方法可归结为3步：原始、目标数据格式表格化；表格映射；生成目标数据。

1 原始数据和目标数据表格化

习惯做法是，用表格形式记录数据，对于接口的实现，采用类似的思路：首先将数据表格化，随后通过表格与表格之间的映射实现转换，即首先将BPA数据与目标数据进行表格化处理，形成关系数据表，进而专注于表格之间的映射过程以实现数据交换，如图1所示。

图1 原始数据和目标数据表格化Fig. 1 Form the tables from original and target data

对BPA而言，表格的分类依据BPA规则与用户自定义规则，表格中的各行数据对应相应的BPA数据卡片记录，表格各列属性对应相应卡片的各种信息属性。同样地，对目标数据而言，表格的分类依据目标数据规则与自定义规则。自定义规则不能影响原软件对数据的读取计算。

表格化以后的数据存在于多张分类的表中，分类依据数据模型及数据结构而定，表格之间有关系约束，能够保持数据一致，依据关系型数据库有着严格的数据一致性，数据能做到不易出错。

通过表格化过程，形成了BPA数据的数据库和目标数据的数据库。一般地，BPA数据的信息量不等于目标数据的信息量，因此，还需要形成其他的数据库表格。

1.1 BPA数据表格

BPA数据表是由BPA卡片数据通过定义规则形成。为实现这部分程序，依据数据卡片的格式定义，表格的生成规则可以固定或者非固定。这里的固定和非固定的含义用BPA中的B卡来解释如下：

1）固定的方式。B卡的格式如表1所示，要形成以“所有者”、“节点名”、“分区”……为列字段的表格，可以用默认规则（B卡的定义）把表格生成的程序固定，这源于B卡格式固定不会改变。

表1 B卡定义Tab. 1 The definition of B card

2）非固定的方式。为了有较好的扩展性，程序读取用户可修改生成规则来实现BPA数据的表格化，即所谓的“非固定”。生成规则中，基本数据卡片部分与潮流手册[4-8]所说的卡片定义严格一致，其他扩展部分自定义。采用非固定的生成规则能有较好的扩展性和迁移性：可以充分利用BPA如注释规则等特点，在BPA潮流数据中，利用注释规则，可以用小数点加上特殊标志符，自定义扩充的数据记录方式（例如自定义“.G……”记录表示什么型号的发电机），从而可以动态地扩充数据记录，规则迁移也较容易实现[9-10]。

表格化的数据内容反向生成BPA文件过程遵循生成规则，反向进行，即生成一一对应的字符串记录，写入BPA文件，并且考虑编码方式（ASCII码而非Unicode码），编程容易实现。

BPA潮流程序有规则如下：

1）数据中，“（POWERFLOW，CASEID，……）”与“（END）”之间数据内容有效，它们之外的内容BPA忽略。

2）命名长度受限。如表2所示，短的命名导致信息含量受限。

表2 命名长度限制Fig. 2 Name length restrictions

为保证基本数据规则与自定义规则的一一对应的有效性，能够利用数字签名中的一些思想。

考虑简化的名字字典有限性验证：根据规则1、2，扩展自定义数据记录，如图2所示，提取BPA节点卡中的节点名，节点名排序，并且连接生成字符串，用字符串生成哈希数值，生成的哈希数值认为是排序后节点名生成字符串的指纹，对BPA某一节点的更名，哈希（Hash）值将应该改变，其中不考虑两个节点互换名字的情况（互换名字的情况时，哈希值不改变，但在BPA中互换节点名的情况一般不会出现）。对于区域、分区、所有者，它们的名字同节点名相似处理。

名字字典表写入BPA文件，方式是：用XML记录附加信息追加在BPA文件中“（END）”之后（规则2），追加的信息包括节点名、区域名、分区名、所有者名的字典键值对与它们的哈希值（上节所述），以及其他类型数据。自定义的数据与BPA潮流数在同一个文件中，数据有非易失性。

读取BPA文件，会遇到如下2种情况：

1）BPA文件未经过图2所示的处理，文件中“（END）”后面没有或有不识别的内容。

2）BPA文件被处理过，“（END）”之后有XML描述的名字字典。提取其中的节点名，排序生成字符串，生成哈希值，与XML中提取的哈希值对比，以哈希值是否一致，检测字典表是否有改动，如若字典表发生改变，程序额外处理（如更新、修复）形成新的节点名字典表。对于区域名、分区名、所有者名进行同样的处理。

变压器元件有双绕组和三绕组之分，三绕组变压器中性点的处理方法：一般地，若BPA中变压器卡片的漏抗值为负，则这张卡片的2个节点中有1个是中性点，遍历所有的T（包含TP）卡所形成的表格，查找出这2个节点中连接数正好等于3的节点，则这个点是变压器中性点，选出这类节点并形成三绕组变压器中性点表。

经过上述处理，BPA数据生成的数据库包括有区域表、节点类表、线路类表、变压器类表和名字字典表等。

1.2 目标数据表格

目标数据依据自身的分类、各记录的属性等形成数据库表格，或者可依据E-R模型建立数据库表格。如站点的出力、负荷、厂站名、地理位置、变压器容量、型号等，将它们分类记录在不同的表格中，目标数据（这里指优化系统数据格式，见图3）表格的格式依据优化程序所需的数据格式确定，能够通过简单的编程实现相互转化。一般地，使用表格映射形成数据接口的方法亦能够用于BPA与其他数据模型之间进行数据交换，例如可用于CIM数据[7-8]，如图4所示。可以实现如文献[5]所说的BPA到CIM的映射。

图3 优化软件包括的数据Fig. 3 The main data of the OPF software

图4 转换成CIM模型数据Fig. 4 Converting to CIM data

2 数据表格之间的映射

在建立1.1节、1.2节中所描述的表格之后，实现数据间的交互只需专注于表格与表格之间的映射，BPA文件中导出数据过程为：从BPA的数据表格到目标数据表格的映射；数据导入BPA文件的过程为从目标数据表格到BPA数据表格的映射。

表格间的映射过程包括：创建表、筛选表、筛选字段、表与表之间的数据对应赋值等内容，映射包括一对一、多对一、一对多3种，表格之间的映射需要熟悉源、目标数据之间数据模型的关系。映射过程采用数据库技术，也即接口的实现依赖于对数据库的编程，如图5所示。

表格映射的过程中可加一些功能，如提示添加实际中文站名、形成BPA节点名，其中BPA节点名采用汉字拼音压缩方法[1]规范命名，形成良好的节点名字典表，区域名、分区名类似。映射过程中可以对节点表、变压器表、线路表等表中的编号进行节点编号优化[1]，以便于加快优化程序的计算速度。实现过程基于对数据库，接口的实现过程能够规范数据管理，简化转化过程。

图5 用数据库编程实现表格映射Fig. 5 Manipulating the tables by database technology

3 BPA数据与电力系统优化软件接口

电力系统中广泛使用BPA，其计算快速稳定，但BPA中没有集成最优潮流的计算模块，因此，建立BPA数据与最优潮流计算系统的接具用有现实意义。电网运行方式规划制定过程需要使用BPA来计算潮流情况。通过建立优化软件与BPA的接口，优化软件可直接读取BPA数据进行优化，并将优化结果生成新的BPA数据，从而取得优化效果，整个数据转换过程仅需用户少量控制操作，无需人工移植数据，避免了因信息孤岛而引起增加的工作量。

现代电力系统中的优化方法多采用现代内点法，潮流优化软件需要的数据包括目标函数、等式约束、不等式约束。其中，目标函数可变，等式约束一般为潮流方程，不等式约束即电压、电流、功率等的上下限值约束。典型的数据格式如图3所示。

其中包含有：系统参数（节点数、变压器总数、基准容量、计算精度、目标函数模型等）；等式约束的数据（节点参数、线路参数、变压器参数、节点功率参数等）；不等式约束的数据（出力限制、电压限制、线路变压器功率限制、联络线功率限制等）；目标函数的数据（煤耗系数、负荷经济费用系数等）。

用变压器参数的转换过程来说明BPA数据与电力系统优化软件的数据接口实现，其中优化软件的数据文件中变压器参数格式如表3所示。

表3 变压器数据格式Tab. 3 Transformer data format

3.1 导出BPA数据过程

BPA中变压器数据格式导入优化软件的变压器数据格式，其表格映射如图6所示，接口执行如下步骤：遍历“T卡表”→遍历查询相关表格→映射添加到优化软件的“变压器表”中→生成优化软件可读取的变压器数据。

图6 BPA到潮流优化软件变压器数据的表格映射Fig. 6 Mapping for the transformer data in BPA files converting to OPF software

图6表述的是用BPA 的T卡、R卡对应的表格生成优化软件变压器参数表格，从左到右用表“①②③④”来表述其过程为：③依据VarTap生成④，①依据2端节点名查询节点编号表得到节点编号，将R、X、Tap2/Tap1的值分别赋值给在优化软件对应②表的R、X、K0。③中依据VarTap的值（0或1或2）确定Kmin与Kmax（依据VarTap选择Tap_max/Tap1与Tap_min/Tap1或者选择Tap_max/Tap2与Tap_min/Tap2），LTC抽头数对应赋与Taps，最后将②转换生成优化软件所需格式。类似地，节点、线路等数据转换过程与上述相近。最后接口导出过程可描述为：BPA数据生成表格→映射生成目标数据表格→转换成优化数据格式。

3.2 导入BPA数据过程

完成优化运算，优化结果导入BPA数据，其表格映射如图7所示，接口执行如下步骤：优化结果形成表格→遍历查询相关表格→导入BPA卡片对应的表格→形成BPA卡片数据。

图7表述的过程（同样从左到右用表“①②③”来描述）：优化结果修改优化软件的原始数据→形成②→程序遍历②→查询节点编号表得到节点名→查找节点名字典表得到BPA数据中的节点名→查询可变抽头表（见图6中的第4个表）得到可变抽头→依据②“是否可调”决定是否生成③→依据②的各个参数生成对应①、③表的相应值，其过程近似于图6的反向过程，最后将①、③表格生成对应的T卡、R卡数据，完成将数据导入到BPA文件。

如3.1、3.2小节所述，接口对变压器数据的双向转换过程结束。

BPA数据中三类卡片记录与潮流优化软件数据对应关系如表4—6所示。

图7 优化结果导入BPA文件的表格映射Fig. 7 Mapping for OPF results converting to BPA files

表4 交流节点卡与优化软件数据Tab. 4 Accompanying Tab. 1: the relationship between B cards and OPF software

表5 交流节点卡与优化软件数据Tab. 5 Accompanying Tab. 2 :the relationship between L cards and OPF software

表6 变压器卡与优化软件数据Tab. 6 Accompanying Table 5: the relationship between T cards（including TP Cards）and OPF software

对于其他的数据，通过类似变压器的转换过程，依据数据模型之间的关系使用数据库编程实现接口的双向转换。

4 实际网络测试

在自行开发的潮流优化软件上采用上述接口方法，实现了通过读取电网Oracle数据库数据，软件更新BPA数据，优化软件对某电网2011年枯小运行方式进行无功优化计算，接口转换该方式下的BPA数据文件到优化软件所定义的数据格式文件，优化分析计算结束后接口将优化结果生成新的BPA文件，新的BPA文件能够被PSD-BPA读取运算且潮流收敛、N-1校验通过，优化后电压处于合理范围，说明了接口方法及潮流优化软件的有较好的鲁棒性。测试结果如表7—8所示。

5 结论

电力系统需要使用比较多的分析计算软件，开发软件之间的接口，对多个分析计算软件的混合使用具有重要的意义，本文描述一种用表格映射的方法实现BPA数据与其他格式数据的接口交换，并且基于这一方法，实现了BPA与电力系统优化软件的双向数据接口转换。

表7 母线最高电压Tab. 7 The highest voltage of the bus bar

表8 部分220 kV等级母线电压Tab. 8 Parts of the 220 kV grade bus voltages

BPA数据与其他格式数据之间交互对应，可以通过表格映射的方法实现，这一方法专注基于数据库的编程，数据的管理相对规范，转换过程较为清晰，而且依据BPA的数据规则，能够获得一些扩展功能。

依据BPA数据与潮流优化软件数据中的共同性来定义表格中的映射规则，使得BPA数据能够较好的与优化软件对接，通过接口极大地提高工作效率。

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