基于MATLAB平台的BPA数据快速准确转换方法

覃海，黄育松，沈冠全，黄俊，郑杰辉，李志刚

(1.贵州电网有限责任公司电力调度控制中心，贵阳 550002；2.华南理工大学电力学院，广州 510640)

0 引 言

近年来，随着我国提出的电力系统向大容量、远距离、特高压发展的口号，电网每年都会建设大量的基础项目，此时对于各省电力调度机构来讲，需要及时根据电网变化录入各种新建基础设备的参数信息，并对添加其他基础设备之后的电网进行分析计算，以保证电力系统满足安全、可靠、经济运行的前提条件。PSD-BPA是南方电网总调、中调以及电科院用于电力系统的主要软件[1-3]，PSD-BPA软件是来源于美国的一款国际先进水平的电力系统分析软件包，中国电力科学研究院在1983年将其引入国内后，经过开发与完善后，形成了适用于我国电力系统分析计算的中国版BPA[4-6]，经推广。在电网调度运行、设计规划、电力科学研究院等电网及科研机构得到了广泛的应用，是现在我国电力系统分析计算的重要工具之一，现各级电网均有该地区完整而详细的BPA电网数据。Matpower是一种电力系统进行潮流计算和最优潮流最为常用的开源软件[7-9]。Matpower的设计理念是尽可能简单易懂，它可以快速的执行常规潮流运算，如P-Q分解法、牛顿拉夫逊法、高斯-赛德尔法等，也可以执行最优潮流程序，因此已成为全球范围类的高校及其他科研机构用于电网规划与分析的重要研究与教学工具。MATLAB可以为Matpower提供进行潮流计算、电力系统分析计算的环境和平台，例如无功优化。然而现有的电网数据一般都是BPA数据结构，在需要用MATLAB对实际电网进行分析计算的情况下，将面临着BPA数据和Matpower数据不兼容的问题。当电网规模较小时，尚可人工进行数据转换，但是随着近年来各电网基础建设项目的日益增多，电网结构数据越发复杂，这种人工转换的方式显然是费时费力，并且转换的准确性也没办法保证。不仅如此，有关这两种模型数据转换方式的文献也偏少。因此，为了提高MATLAB平台对电力系统分析计算的效率，为电网分析提出有力依据，开发BPA-Matpower的快速转换接口程序将变得愈发重要。

在详细分析了BPA模型数据结构和Matpower模型数据结构之后，提出了BPA至Matpower快速准确转换的接口方法。该接口方法在转换过程考虑了边界节点传输功率的方向与大小、电网直流线路传输功率的方向和大小以及并联高压电抗器对线路的功率补偿，最后以从实际运行的大电网数据中分离出的74节点子系统A和1 209节点子系统B作为两个算例，通过对转换前后的潮流计算结果进行对比分析，验证该转换程序的准确性与有效性。

1 BPA及Matpower模型数据结构分析

要实现两种模型数据的准确转换，就必须对两种模型数据在节点数据、变压器数据、支路数据、发电机数据、负荷数据以及直流数据上的差异有着深入了解，以下先分别介绍这两种模型数据结构。

1.1 BPA模型数据结构分析

BPA电网模型是根据实际电网模型抽象得到的，系统数据的建立或修改通过操作数据卡实现，主要数据卡可分为3类：区域控制卡、节点卡、支路卡，这三类卡还包括各种子卡型。电网的各种参数在数据卡中都有固定的位置。本方法在该转换过程中需要对以下数据卡的信息进行读取与转换，各数据卡中的主要数据与其位置的对应关系如表1～表7所示[10-11]。

表1 区域控制数据卡的主要数据结构

表2 交流节点数据卡的主要数据结构

表3 直流节点数据卡的主要数据结构

表4 交流线路数据卡的主要数据结构

表5 直流线路数据卡的主要数据结构

表6 线路高抗数据卡的主要数据结构

表7 变压器数据卡的主要数据结构

例如某电网实际BPA数据中，有：

(1)“B NF 4ANS51 525.AS -136 1.01”数据行含义是：基准电压为525 kV的交流节点4ANS51，属于AS片区，并联导纳无功负荷为-136 Mvar，节点电压标幺值为1.01;

(2)“BQ 4LZg2 22.AS 50. 15. 660.400. 220. 0.97”数据行含义：是基准电压为22 kV的发电机节点4LZg2，属于AS片区，恒定有功负荷50 MW，无功负荷15 Mvar，最大有功出力660 MW，实际有功出力400 MW，最大无功出力220 Mvar，节点电压标幺值为0.97;

(3)“L 4ANS51 525. 4AS51 525. 2240 .00015 0.0016 0.1143 16.1”数据行含义是：交流线路的起始节点为基准电压525 kV的4ANS51节点，末端节点为基准电压为525 kV的4AS51节点，线路的额定电流2 240 A，线路电阻的标幺值为0.000 15，线路电抗的标幺值为0.001 6，线路对地电纳的标幺值为0.114 3，线路的长度为16.1 km；

(4)“LD XR-POS 210. 1 BA-POS 199.3000 12.15R1500. 500. 15. 18. 980”数据行含义是：直流线路起始节点为210 kV的XR-POS，末端节点为199 kV的BA-POS，线路额定电流为3 000 A，线路传输功率为1 500 MW;

(5)“L+ 4LIP51 525. GUILIN51 525.2 136. 109.”数据行含义是线路高抗的起始节点4LIP51节点消耗136 Mvar无功，末端节点GUILIN51消耗109 Mvar无功;

(6)“T 4PDz2 38.5 4PD11 115.31.5 .0104 .3387 38.5 121.0”数据行含义是：变压器的起始节点为基准电压38.5 kV的4PDz2节点，末端节点是基准电压为115 kV的4PD11节点，变压器的容量为31.5 MVA，由铜耗引起的等效电阻标幺值为0.010 4，漏抗标幺值为0.338 7，节点1的固定分接头为38.5 kV，节点2的固定分接头为121 kV。

1.2 Matpower模型数据结构分析

Matpower是以矩阵形式来保存电网数据的，共由三种矩阵[12]所构成，分别是节点矩阵，发电机矩阵，支路矩阵，各个矩阵的数据结构形式如表8～表10所示。

表8 节点矩阵数据结构

表9 发电机矩阵数据结构

表10 支路矩阵数据结构

以Matpower的30节点模型为例，节点矩阵的第七行：“7 1 22.8 10.9 0 0 1 1 0 135 1 1.05 0.95”，表示该节点的节点编号为7，类型为1(PQ节点)，有功负荷22.8 MW，无功负荷为10.9 Mvar，并联电导和电纳为0，电压幅值的标幺值为1，相角为0，电压的上限为1.05，下线为0.95。

2 BPA-Matpower数据转换方法

2.1 BPA-Matpower的数据结构处理操作要点

由前面对BPA和Matpower模型数据结构的分析，可以看出这两种数据结构不仅在形式上，而且在存储方式上均存在较大的差异，因此在进行数据转换时有如下需要注意的要点：

(1) BPA节点数据卡只含有节点的名称，而没有节点的编号顺序，而Matpower节点矩阵中只有节点的编号，需要建立节点名称与节点编号的一一对应关系;

(2) BPA节点数据卡分为很多种，在转换过程中需要格外注意数据卡的类别，采用不同的转换方法，如B节点数据卡、BD节点数据卡(直流节点)对应于Matpower节点矩阵中type-1、BQ节点数据卡对应于Matpower节点矩阵中type-2、BS节点数据卡对应于Matpower节点矩阵中type-3;

(3) BPA区域控制数据卡对控制的区域都进行了分区，而且每个节点都有对应的分区，可利用分区名对所需要的节点数据、发电机数据、变压器数据、线路数据进行精确筛选，提高数据的提取速度;

(4) BPA模型数据会有直流节点数据卡，需要寻找连接该直流节点的直流线路，将直流线路上传输的功率转换成该节点的负荷功率，而Matpower的负荷功率都是直接写在节点矩阵中;

(5) 当所提取区域的BPA模型数据中没有平衡节点时，我们需要从对应的区域控制数据卡中提取出该区域的区域缓冲节点名，将该节点当做平衡节点，实际区域电网也是用区域缓冲节点当做平衡点计算潮流，再由提取出来的节点名称匹配到对应节点序号，修改节点类型;

(6) BPA和Matpower线路都是采用π型等效电路，但区别在于BPA线路数据卡中的线路导纳标幺值是线路总导纳标幺值的一半，所以在转换到Matpower中的支路矩阵时要乘以2;

(7) BPA中含有很多双回线，而且双回线的参数一般还是有些差别，转换成支路矩阵时需要进行一定的区别，在将解析的BPA潮流结果文件中线路传输功率匹配到对应线路时，可以作为辨别方法;

(8) BPA把发电机节点用节点数据卡表示，线路数据卡和变压器数据卡分开表示，并且线路中用并联高抗线路数据卡(L+卡)来表示并联高压电抗器，Matpower则把发电机节点用单独的发电机矩阵表示，线路和变压器都写入支路矩阵中，而且不存在高抗线路的数据，因此得对高抗线路卡做相应的转换，需要将高抗线路前后侧的高抗容量转换成前后侧节点对应的Matpower节点数据中的Bs列;

(9) 对于所提取区域的对外联络线上功率也要找到对应的区域内落点，将线路上传输的功率等效转换到该节点矩阵中的Ps，Qs列。

2.2 BPA-Matpower的数据转化流程图

本数据转化接口是基于MATLAB平台进行设计开发的，首先是读取BPA的.dat潮流数据文件，接下来开始识别所需要得到的基准功率信息和区域信息包括平衡节点和区域分区名，并根据得到的区域分区名对初始的BPA数据进行精确筛选，得到该区域下的所有节点、线路、变压器等有效数据卡，实现高效的提取技术。

该BPA和Matpower潮流格式数据接口转换程序的具体流程和结果对比程序流程如图1、图2所示。

图1 BPA-Matpower数据转换接口流程图

图2 BPA潮流数据结果和Matpower潮流数据结果对比流程图

3 基于实际电网数据的算例分析

3.1 74节点子系统A的数据转换与对比

以74节点子系统A的BPA电网数据为例来验证该接口程序转换数据的准确性。

该子系统A的电网数据汇总如下：包括74个关键节点，6个发电机节点，87条线路。由于篇幅限制，在此仅展示部分比较数据，如表11、表12所示。

表11 子系统A的部分节点电压数据

表12 子系统A的部分发电机电压数据

从表11、表12的负荷节点、发电机节点信息可以看出，在该片区内，包含各种电压等级的负荷节点、发电机节点，和实际的电网情况很接近。首先，我们通过该接口程序从实际大电网中提取出该片区数据，再进行转换，然后对转换前后的两种数据相应节点，相应线路潮流信息进行对比分析，比较两种数据的转换误差。从表11可以看出，BPA和Matpower计算的每个对应节点电压都相当接近，误差很小。不仅如此，表12还显示BPA和Matpower计算的平衡节点有功，无功输出更是几乎一样，说明了转换的准确性。

BPA的潮流计算结果和Matpower的潮流计算结果在节点电压，线路功率传输的对比如图3～图6所示。

图3 子系统A的74个节点电压对比图

图4 子系统A的74个节点电压的电压偏差对比图

由图3、图4该片区电网的BPA节点电压数据和Matpower节点电压数据对比图可以看出，两种方法转换的节点电压误差都很小，大部分节点电压误差都在±0.002以内，极少数电压偏差达到0.008，所有的节点电压误差都在可接受范围内。

图5 子系统A的87条线路传输有功偏差对比图

图6 子系统A的87条线路传输无功偏差对比图

由图5、图6该片区电网的BPA潮流数据和Matpower潮流数据对比图可以得到，该片区的87条线路上传输的有功功率和无功功率偏差都分别小于0.5 MW和2 Mvar，基本上可以忽略不计。

通过对小片区上节点电压和线路传输功率的比较，可以得出以下结论：该转换技术在对小片区转换上有着良好的有效性以及优越的等值转换性能。

3.2 1 209节点子系统B的电网数据转换与对比

以1 209节点子系统B的BPA电网数据为例来进一步验证该接口程序转换数据的准确性。

该子系统B的电网数据汇总如下：包括1 209个节点，95个发电机节点，1 563条线路数，由于篇幅限制，在此就只展示部分数据，如表13、表14所示。并对转换后的Matpower潮流数据和BPA潮流数据在节点电压、线路功率传输两个方面进行对比分析，如图7～图9所示。

表13 子系统B的部分节点电压数据

表14 子系统B的部分发电机电压数据

图7 子系统B的1 209个节点电压对比图

图8 子系统B的1 209个节点电压的电压偏差对比图

图9 子系统B的1 563条线路传输有功偏差对比图

由图7～图9可以看出该转换技术不仅对小片区转换有着较好的有效性，而且对于整个大区域乃至省级电网都有着几乎等值的转换效果，超过95%的节点电压偏差都在±0.02以内，极个别点由于是该省电网梯级水电站节点，导致节点电压有所偏大。超过95%的线路有功传输偏差在±5 MW以内，与对应线路上传输的功率相比，几乎可以忽略不计。

由图4、图8的对比，图5和图9的对比可以看出，随着电网规模的增大，转换前后的潮流计算结果差别略微增大，但是都在较小的可接受范围内。

通过对电网所有节点电压和线路传输功率的比较，可以得出以下结论：该转换技术在对大电网转换上同样有着良好的等值转换性能。

总而言之，转换后，两种潮流计算的结果基本一致，细微的差别可能是节点较为特殊、处理边界节点不合理以及软件计算原理的不同所导致的，比如图8节点编号在1 200左右的节点，都是些靠近电网直流线路边界直流节点的交流节点，而对边界直流线路上传输的功率，我们采用的方法是直接找到直流线路在电网的落点，转换成对应节点的负荷，该等效较为粗糙，由于该直流线路上传输的功率都在上千MW，对周围节点电压大小影响较为明显，这是导致周围节点电压偏差较大的主要原因,这也说明了我们转换数据的准确性。

4 结束语

设计了一种能够准确将BPA数据转换到Matpower数据的接口，实现了BPA数据仿真程序的扩展，使得以后可以基于MATLAB平台对实际的电力系统进行实时仿真，成为连接BPA和MATLAB的一种有效快捷的转换工具。