电力系统的潮流计算和可视化技术研究

梁晓伟，朱琳艳，胡吕龙，王 凯，丁建顺

(1.国网安徽省电力有限公司营销服务中心，安徽 合肥 230088；2.国网合肥供电公司，安徽 合肥 230088)

用户异常用电事件对电力系统的运行带来一定的不确定影响，为了更好的保障电力系统的稳定、高效运行，迫切需要及时了解电力系统的潮流状态。

已有的潮流计算仿真器通常需要准备完整描述节点潮流的IEEE通用数据格式文件[1]。但是这样的具有IEEE通用数据格式的节点潮流文本难以从电力系统中自动生成[2]。此外，潮流数据过于抽象，对电力系统调度人员直观掌握电力系统的整体运行状态帮助有限[3-4]。

由于上述原因，本文提出并实现了一种能够自动生成通用格式的节点潮流数据、具有可视化功能的潮流计算仿真器。该仿真器具有从现有的电力系统中自动生成IEEE通用数据格式文件的功能，并在该文本数据的基础上对电力系统的潮流进行仿真计算，并在电力系统总线图中对潮流大小和方向进行可视化呈现，最终实现动态显示电力系统的潮流动态的功能，为电力系统的调度人员直观了解的电网潮流分布提供帮助。

1 潮流计算仿真器的总体设计

所提出的仿真器可以通过潮流计算可视化分支间的功率流量。潮流计算由IEEE通用数据格式的节点潮流数据文本驱动，该文本从电力系统中自动读取。其中可视化引擎是用C语言编写的OpenGL和OpenCV库[5-7]。

图1显示了所提出的潮流计算仿真器的构造。该仿真器由3个引擎组成：潮流计算引擎、可视化引擎和系统文件生成引擎[8-10]。

图1 潮流仿真器的结构Fig. 1 Structure of power flow simulator

潮流计算引擎有两个功能。首先，计算引擎计算潮流功率大小。自动生成的通用格式文本数据由母线数据段和分支节点数据段组成[11-12]。图2显示了一个母线数据部分。

图2 IEEE通用数据格式文件中的部分总线数据Fig.2 Partial bus data in IEEE common data format file

图2中总线类型编号定义如表1所示。

表1 总线类型Tab.1 Bus type

计算引擎从上述通用格式的文本数据中读取有功和无功负载(MW、MVAR)，发电量(MW、MVAR)和电压，并计算功率潮流的大小；具体结果如图3所示

图3 计算后的通用格式的部分节点潮流数据Fig.3 Power flow data of some nodesin general format after calculation

可视化引擎有3个功能[13-14]：

(1)提供自定义的电力系统单线图功能。该功能使用户能够手动制作所需的电力系统单线图；

(2)可视化引擎能够实时渲染电力系统的潮流分布状态。可视化引擎通过读取通用格式文件中的节点数据部分的列14或16来获得潮流信息。可视化引擎能够显示有功功率大小，并在每个分支节点处用箭头表示潮流走向；

(3)从通用数据格式文件自动输出系统图。

系统文件生成引擎可以在可视化引擎中从用户绘制的系统图生成具有通用数据格式的文本文件。该引擎从用户绘制的系统图中识别母线的数量和每个连接节点的状态[15]。通过使用从系统文件生成引擎获得的通用数据格式文件，计算引擎可以计算任何系统配置下的功率流量。由此可以看出，引擎之间的接口是通用数据格式文件，这是本文提出仿真器的重要基本概念[16]。

2 潮流仿真器的功能设计

2.1 IEEE通用数据格式文件的生成

所提出的仿真器可以从系统文件引擎的系统图生成符合IEEE通用数据格式的文本文件；生成通用数据格式文件的流程如图4所示。

图4 生成通用数据格式文本流程Fig.4 Process of generating text in common data format

如果没有IEEE常用数据格式文件，用户自定义电力系统图；图5显示了电力系统的绘图窗口。

图5 电力系统图绘制窗口Fig.5 Power system diagram drawing window

由图5可知，用户可以通过从“按钮区域”选择元素并在“绘图区域”中部署元素来绘制系统图。通过在母线之间拖动来绘制馈线，母线连接状态可以被自动识别。此外，在母线周围部署的发电机和负载也被自动识别；完成系统图绘制后，通过输入参数生成常用数据格式文件。

2.2 电力系统潮流状态图的生成

如果用户输入IEEE常用数据格式文件，或如果用户没有输入IEEE常用数据格式文件，则从电力系统图中自动生成用数据格式文件，可视化引擎依据IEEE常用数据格式文件自动渲染出电力系统的潮流分布状态；具体如图6所示。

图6 自动绘制的潮流分布状态图Fig.6 Power flow distribution state diagram automatically drawn

图6中所示的符号与图5中的符号相同，用户可以通过拖动来对母线进行移动调整。

2.3 潮流计算

通过潮流计算得到电力系统中功率输送的方向和大小。在包括n个母线的电力系统中的母线电流被描述为：

(1)

式中：Vi为第i条母线处的电压；Yij为第i条母线和第j条母线间的导纳。有效功率Pi和无功功率Qi可以描述为：

(2)

根据式(1)和式(2)，有效功率和无功功率也可被描述为：

(3)

在潮流仿真器采用牛顿迭代法对式(3)求解以获得每个母线的有效功率、无功功率、电压和电流角度。

2.4 时变潮流的可视化

电力系统潮流状态是基于IEEE通用数据格式文件计算的[17-18]。该文件由系统文件引擎生成，由用户在计算引擎中编写。在可视化引擎中实现了潮流计算结果的可视化，箭头的厚度表示潮流的数值，箭头方向表示潮流流向。

该仿真器可实现对可再生能源模拟系统的时变功率流的可视化，该仿真器根据风速计算风力功率。当用户输入IEEE通用数据格式文件时，用户输入的风力数据如表2所示。

表2 风力数据Tab.2 Wind power data

当用户绘制显示的系统图时，也会每次输入风速,获得了风力发电机组的发电总量。

(4)

式中：v(t)是风速随时间变化的曲线；vci、vco和vr分别是切入风速、切出风速和额定风速；Pwrated是风力发电机的额定输出功率[19-20]。

因为可再生能源的生成是随时变化的，因此需要对母线数据部分的第9列所记录的数据实时更新。本文所设计的仿真器通过生成或者读取IEEE通用数据格式文件更新和显示潮流数据的变化。此外，为了区分风力发电和正常火力发电，风力发电机标志也被标识在潮流分布图上。

3 仿真测试

图7显示了一个IEEE通用数据格式文件，它由系统文件生成引擎根据用户绘制的电力系统图自动生成。

图7 仿真器生成的IEEE通用数据格式文件Fig.7 IEEE common data format file generated by emulator

由图7可知，绘制的系统图遵循IEEE14总线系统。对图7中数据进行分析可以看出，生成的IEEE通用数据格式文件与IEEE 14总线系统相同，这显示了系统文件生成引擎的运行可靠性。

图8显示了14个风力发电系统的模拟计算结果；其中风力数据如表2所示。

图8 预定义电力系统的功率流的结果Fig.8 Results of power flow of predefined power system

通过对图8中的t=t1和t=t2的计算结果进行比较，可以确定在风速发生剧烈变化的情况下潮流方向会随之发生变化；用户在图8中可直观地从显示的电源流中了解电源流状态的变化。图9显示了用户自定义的电力系统图的潮流计算结果。

图9 用户定义电力系统的潮流计算结果Fig.9 Power flow calculation resultsof user-defined power system

通过图9用户能够直观发现电力系统潮流的变化。图8、图9表明了可视化引擎可以实现用户友好的潮流分布。

4 结语

本文提出并实现了潮流计算的仿真及其可视化。所提出的潮流仿真器具有从用户绘制的电力系统图中自动生成IEEE通用数据格式文件的功能。此外，潮流仿真器还具有从IEEE通用数据格式文件自动显示电力系统潮流分布图，对电力系统中的潮流方向和大小进行可视化的渲染。仿真结果表明，该潮流仿真器实现了准确的IEEE通用数据格式文件和直观的潮流状态图。