电力系统BPA与PSS/E潮流数据转换研究

国建宝，李兴源，李 宽，王 峰

(1．中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东广州510663; 2．四川大学电气信息学院，四川成都 610065)

电力系统BPA与PSS/E潮流数据转换研究

国建宝1，李兴源2，李 宽2，王 峰2

(1．中国南方电网超高压输电公司检修试验中心，广东广州510663; 2．四川大学电气信息学院，四川成都 610065)

中国电力科学研究院引进开发的BPA仿真程序及德国西门子公司开发的PSS/E电力仿真程序，在电力系统数字仿真中得到了广泛应用。PSS/E仿真程序以其强大的仿真计算功能得到国内许多研究机构青睐，完成BPA程序到PSS/E程序数据的转换具有实际工程意义。本文采用Fortran语言编写转换程序，并以IEEE300节点纯交流输电系统、IEEE四机两区域交直流并联模型以及南网2013丰大系统模型作为实际仿真算例。仿真结果表明，本文提出的转换思路能有效完成BPA到PSS/E潮流数据的转换。

交直流电力系统;BPA仿真软件;PSS/E仿真软件;潮流数据转换

1 引言

随着电网规模不断扩大，高压直流输电在中国的广泛发展［1-4］，尤其是大电网的互联为电力系统的可靠运行带来了严峻挑战［5］。为保证电力系统安全、可靠和经济运行，需在电力系统规划、分析与运行时实际考察电力系统的静态特性与动态特性，这就需要一种可靠准确的电力仿真软件来对实际电网进行模拟仿真，为电力系统规划设计提供基础，且为电力系统的调度与安全可靠运行提供依据［6］。

BPA(Bonneville Power Administration)［7-9］电力系统分析程序是中国电力科学研究院1980年左右从美国BPA引进的电力系统分析软件包。BPA仿真程序可用于短路电流计算和电网静态等值分析，具有计算规模大、计算速度快、稳定性好、功能强等优点，且BPA配备有较完善的辅助工具，在电力系统调度规划、生产运行以及科研部门得到了广泛应用。

PSS/E(Power System Simulator for Engineering)［10-12］是由德国Siemens公司开发的大型电力系统仿真软件。PSS/E仿真软件具有输入数据方式简单、系统模型完整、分析计算功能多样性、仿真计算结果输出透明性与完整性等特点。且PSS/E仿真程序具有灵活的自定义功能，超大规模系统计算快速准确，PSS/E在国内已得到越来越多的应用。

BPA是具有广泛影响的电力系统综合仿真程序，为实现BPA与PSS/E程序间交换和共享数据，比较仿真结果，并进一步对电网安全分析、可靠调度提供理论依据，实现BPA到PSS/E的数据转换是必要的。两种仿真软件中潮流数据的有效转换是电力仿真计算的基础。本文分析了两种仿真软件潮流数据的差别，并利用Fortran语言编写转换程序。通过IEEE300节点、IEEE四机两区域以及南网2013丰大方式算例进行仿真，结果表明，编写转换程序能有效完整地实现潮流数据的转换。

2 BPA和PSS/E交流节点数据转换

2.1 BPA和PSS/E潮流数据描述

(1)BPA潮流数据

BPA数据是基于卡片形式填写，主要的潮流数据可分为区域控制数据卡、节点数据卡、线路卡、变压器卡及数据修改卡五类。对于先后顺序没有明确要求，但节点数据卡需排在前面，即需先定义节点类型，然后再添加其他数据卡项。潮流数据最终保存为．dat格式。

(2)PSS/E潮流数据

PSS/E潮流数据保存为．raw格式，在PSS/E的潮流数据中一共有19个部分组成，分别为母线数据、负荷数据、固定并联导纳负荷数据、发电机数据、支路数据、变压器数据、区域数据、传统直流数据、柔性直流数据、变压器阻抗校正数据、多端直流数据、多段线路数据、分区数据、区域间交换数据、所有者数据、FACTS控制器数据、可调并联导纳数据、通用网元设备数据、感应电动机数据，且这19个数据段的顺序不可颠倒。不同的系统网络所需求的数据形式不同，但母线、负荷、发电机、线路以及变压器数据为必需数据。

两种仿真软件的数据格式有很大不同，BPA数据格式要求较为简单，PSS/E的数据格式需严格按照PSS/E软件标准来填写。要完成有效的数据转换，需分别研究两种仿真软件每组数据所代表的量，然后根据软件的标准格式对应转换。

2.2 交流节点类型的转换

BPA潮流计算程序中，定义了13种交流节点类型，而常用的交流节点仅有B卡、BE卡、BS卡、BQ卡、BC卡。

PSS/E定义了4种类型的节点，这四种节点类型分别为:1-负荷母线(无发电机边界条件);2-发电机母线或电厂节点;3-平衡节点;4-孤立节点。BPA和PSS/E节点类型的对应关系如表1所示。

表1 BPA与PSS/E节点类型对照表Tab．1 Bus type comparison of BPA and PSS/E

在BPA中，对于B卡，要判断该节点是否为发电机节点，如果是，对应的PSS/E节点类型设为2，否则设为1。

2.3 变压器模型的对比和转换

BPA中只有双绕组变压器模型，三绕组变压器通过设置虚拟节点转换成三个双绕组变压器来计算。PSS/E中既给出了两绕组变压器，也给出了三绕组变压器。变压器数据转换关系如表2所示。

表2 变压器数据转换关系Tab．2 Convert regulation of transformer data

2.4 发电机和负荷数据的转换

BPA中B卡的48～52列所填写的数字根据节点类型的不同含义也有所不同，对于PQ节点(B卡、BC卡)，该数据项填写发电机安排的无功出力值，对于其他节点填发电机无功出力的最大值。

PSS/E发电机数据项需填写实际无功出力QG、最大无功出力QT和最小无功出力QB，在将BPA数据转换为PSS/E数据时，应根据BPA的节点类型来填写相关数据。发电机数据转换关系如表3所示。

表3 发电机数据转换关系Tab．3 Convert regulation of generator data

BPA的负荷数据则在节点卡中填写，通过交流节点数据卡(B卡)定义恒功率负荷、并联导纳负荷。PSS/E有专门的负荷卡，卡项包括恒功率负荷、恒电流负荷和恒阻抗负荷。

BPA中的恒功率负荷转到PSS/E专门的负荷卡里，并联导纳负荷转到PSS/E的Fixed Shunt数据里。负荷数据转换关系如表4所示。

表4 负荷数据转换关系Tab．4 Convert regulation of load data

2.5 输电线路数据的转换

在BPA中，输电线路数据包括对称线路卡(L卡)，不对称线路卡(E卡)以及线路高抗参数卡(L +卡)。

PSS/E里有专门的输电线路数据对应BPA的L卡和E卡，而BPA里的L+卡需转换到PSS/E的Fixed Shunt卡里。Fixed Shunt数据转换关系如表5所示。

表5 Fixed Shunt数据转换关系Tab．5 Convert regulation of Fixed Shunt data

需注意的是，BPA中的L+卡要拆分为两个节点数据转换到PSS/E的Fixed Shunt里。且BL数据项正值表示容性负荷，负值表示感性负荷，与BPA的B卡数据相同，但与BPA的L+卡数据相反。

输电线路数据转换关系如表6所示。

表6 输电线路数据转换关系Tab．6 Convert regulation of branch data

3 BPA与PSS/E直流数据转换

BPA中直流线路数据由交流节点数据卡B、两端直流节点数据卡BD、两端直流线路数据卡LD、换流变压器T及其控制数据卡R组成。直流数据中每一个桥阀需要一个变压器，这些变压器并联地连接于交流网络，一般总是将它们等值为一个变压器。

PSS/E中的换相电阻(RCR)和换相电抗(XCR)数据需由BPA中发电机数据的铜损等效电阻和漏抗转换而来。对应关系如式(1)和式(2)所示:

式中，RCR和XCR分别为换流站的换相电阻和换相电抗;R和X分别为BPA数据中换流变压器铜损等效电阻和漏抗;NB为换流阀个数;U2为换流变阀侧电压基准值;SBASE为系统容量。

直流数据转换关系如表7所示。

表7 直流数据转换关系Tab．7 Convert regulation of HVDC data

4 仿真算例

采用Fortran语言编写BPA转PSS/E程序，并将IEEE300节点纯交流模型、IEEE四机两区域交直流并联模型及南网2013丰大实际系统模型作为仿真算例，验证转换程序的准确性。

4.1 IEEE300纯交流模型

IEEE300节点纯交流系统BPA和PSS/E潮流计算结果如表8所示。

表8 IEEE300节点系统潮流计算结果比较Tab．8 Load flow comparison of IEEE300 system

由表8可知，对于纯交流系统模型，BPA和PSS/E两种仿真软件的计算结果有微小差别，主要是由于BPA和PSS/E对潮流结果取的有效位数不同导致的，BPA数据的有效位数比 PSS/E少了一位。

4.2 IEEE四机两区域交直流并联模型

IEEE四机两区域交直流并联系统BPA和PSS/ E潮流计算结果如表9所示。

表9 IEEE四机两区域统潮流计算结果比较Tab．9 Load flow comparison of IEEE AC/DC system

由表9可知，对于交直流并联模型，转换程序可实现两种仿真软件的准确转换，BPA和PSS/E计算结果有微小差异，这是由两种仿真软件保留有效数位不同造成的。由表8和表9对比分析可知，算例节点多少也会造成差异的大小不同，节点越多，两种仿真软件仿真结果相差越大。

4.3 南网2013丰大实际模型

南网2013丰大实际系统模型共有6050个节点，7条直流。BPA和PSS/E潮流计算结果如表10 所示。

表10 南网实际数据潮流计算结果比较Tab．10 Load flow comparison of Southern Power Grid system

由表10可知，南网2013丰大实际系统的BPA和PSS/E计算结果有微小差异，差异处于可接受范围之内。

南网数据中，7条直流的整流和逆变的有功、无功潮流对比如表11和表12所示。

表11 直流整流侧潮流对比Tab．11 Load flow comparison of HVDC rectifier

表12 直流逆变侧潮流对比Tab．12 Load flow comparison of HVDC inverter

由表11和表12可知，直流系统能实现BPA到PSS/E的完整准确的数据转换。

5 结论

对于纯交流系统和交直流并联系统，BPA数据能准确地转为PSS/E数据，通过算例计算表明两者的潮流计算结果存在一定误差，误差主要来源于两个软件计算精度的不同，误差处于可接受范围之内。

通过南网2013丰大实际电网数据的转换，表明包含直流的BPA数据转换为PSS/E后潮流计算结果存在较小的偏差，偏差来源于两者在直流模型和计算方法上的差异。编写的转换软件可较为准确地将BPA潮流数据转换为PSS/E潮流数据，具有实际工程意义。

［1］赵婉君 (Zhao Wanjun)．高压直流输电工程技术(High voltage DC transmission technology)［M］．北京:中国电力出版社(Beijng:China Electric Power Press)，2011．

［2］汤广福(Tang Guangfu)．基于电压源换流器的高压直流输电技术 (High voltage direct current transmission technology based on voltage source converter)［M］．北京:中国电力出版社 (Beijng:China Electric Power Press)，2010．

［3］李少华，刘涛，苏匀，等 (Li Shaohua，Liu Tao，Su Yun，et al．)．±800 kV特高压直流输电系统解锁/闭锁研究 (Research on de-blocking/blocking operation in±800 kV UHVDC system)［J］．电力系统保护与控制 (Power System Protection and Control)，2010，38 (6):84-87．

［4］张志朝，刘涛，宋述波 (Zhang Zhichao，Liu Tao， Song Shubo)．云广特高压直流工程换流变分接头切换控制研究 (Research on switching control of converter transformer tap changer in Yun-Guang UHVDC project)［J］．电力系统保护与控制 (Power System Protection and Control)，2010，38(20):205-208．

［5］昆德 (Prabha Kundur)．电力系统稳定与控制(Power system stability and control)［M］．北京:中国电力出版社 (Beijng:China Electric Power Press)，2002．

［6］马龙义(Ma Longyi)．BPA与PSS/E仿真模型分析与转换研究 (Analysis and conversion of simulation models between BPA and PSS/E)［D］．广州:华南理工大学(Guangzhou:South China University of Technology)，2010．

［7］PSD-BPA暂态稳定程序用户手册4.0版 (Transient stability program user manual of PSD-BPA，4.0 edition)［K］．北京:中国电力科学研究院 (Beijing:China E-lectric Power Research Institute)，2007．

［8］PSD-BPA潮流程序用户手册4.0版 (Power flow program user manual of PSD-BPA，4.0 edition) ［K］．北京:中国电力科学研究院 (Beijing:China Electric Power Research Institute)，2007．

［9］苏黎，吴广宁，蒋伟，等 (Su Li，Wu Guangning，Jiang Wei，et al．)．基于 BPA的交直流系统稳定性仿真研究 (Simulation research on stability of AC/DC power system based on BPA)［J］．电力系统保护与控制 (Power System Protection and Control)，2009，37 (2):32-36．

［10］GUI users guide of PSS/E-33.1［K］．Siemens Power Transmission＆Distribution，Inc．，2011．

［11］Program application guide of PSS/E-33.1［K］．Siemens Power Transmission＆Distribution，Inc．，2011．

［12］Program operation manual of PSS/E-33.1［K］．Siemens Power Transmission＆Distribution，Inc．，2011．

Data conversion analysis of power flow data between BPA and PSS/E in power system

GUO Jian-bao1，LI Xing-yuan2，LI Kuan2，WANG Feng2
(1．China Southern Power Grid EHV Maintenance＆Test Center，Guangzhou 510663，China; 2．School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

BPA，a simulation program for power system which is introduced into china by China Electric Power Research Institute，and as well as the PSS/E，a similar program developed by Siemens，have been widely used in power system digital simulation．Owing to its powerful numerical computing capability，many research institutions show a particular favorite on PSS/E．There is a practical engineering significance to complete the data conversionfrom the BPA program to the PSS/E．This paper introduces a conversion program written with Fortran and takes IEEE 300-node pure AC system，IEEE 4-machine 2-area power system and the Fengda system of Southern Power Grid in 2013 as examples to ensure its validity．The result turns out that the conversion program can effectively complete the data conversion from BPA to PSS/E．

AC/DC power system;BPA(Bonneville Power Administration);PSS/E(Power System Simulator for Engineering);flow data conversion

TM743

:A

:1003-3076(2015)05-0063-07

2014-03-03

国家自然科学基金重点资助项目(51037003)、中国南方电网有限责任公司科技项目(K-GY2012-040)

国建宝(1981-)，男，山东籍，工程师，硕士，主要从事高压直流输电控制保护系统的检修维护工作;李兴源(1945-)，男，四川籍，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统稳定与控制、高压直流输电。