基于PowerWorld simulator的配電網(wǎng)抗災(zāi)變性可視化模型

摘要：針對建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)和保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的實(shí)際問題，對電力系統(tǒng)進(jìn)行配電網(wǎng)抗災(zāi)變性評價(jià)，為能夠直觀地反映出故障情況下的系統(tǒng)運(yùn)行情況和故障恢復(fù)策略的效果，采用美國伊利諾伊(Illinois)大學(xué)開發(fā)的PowerWorld可視化軟件建立配電網(wǎng)抗災(zāi)變性評價(jià)模型。結(jié)果表明，仿真結(jié)果可以很直觀形象地反映出系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障情況下的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也可對恢復(fù)策略做一直觀展示。
關(guān)鍵詞：可視化；電力系統(tǒng)；抗災(zāi)變性評價(jià)；PowerWorld

0 引言
全球范圍內(nèi)頻發(fā)惡劣的大面積停電事故引起電力工作者的廣泛關(guān)注，自2003年美加大電網(wǎng)停電事故以來，不少電力工作者致力于研究通過規(guī)劃未來電網(wǎng)和對現(xiàn)有電網(wǎng)的改造來降低大停電的概率，國外相當(dāng)一部分電力研究人員對配電網(wǎng)的安全提出了新的要求與看法。在國內(nèi)，一部分電力工作者提出配電網(wǎng)的靜態(tài)安全評價(jià)和可靠性評價(jià)的方法，作者一直從事配電網(wǎng)配電網(wǎng)的安全評價(jià)工作，并提出了考慮配電網(wǎng)區(qū)域故障權(quán)重的配電網(wǎng)抗災(zāi)變性評價(jià)指標(biāo)。在研究中發(fā)現(xiàn)，采用已有的配電網(wǎng)的模型在展示配電網(wǎng)的災(zāi)害性事故發(fā)生的后果與影響方面不夠直觀，同時(shí)對配電網(wǎng)故障的恢復(fù)策略也只能夠用抽象的數(shù)值表示。這給使用或者想利用配電網(wǎng)抗災(zāi)變性評價(jià)結(jié)構(gòu)的電力運(yùn)行、規(guī)劃和建設(shè)的部分帶來不便。為此，考慮對配電網(wǎng)模型采用可視化的技術(shù)，直觀地展示出配電網(wǎng)故障后災(zāi)害情況以及恢復(fù)策略，以便于上述機(jī)構(gòu)的工作人員快速了解、掌握電網(wǎng)的情況，從而達(dá)到建設(shè)、優(yōu)化堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的目的。

1 PowerWorld simulator簡介
PowerWorld電力系統(tǒng)仿真軟件(PWS)是一個(gè)電力系統(tǒng)仿真軟件包，其構(gòu)筑在對用戶良好交互性的基礎(chǔ)上。它的核心是一個(gè)功能強(qiáng)大的潮流計(jì)算軟件，可以有效求解多達(dá)60 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)。這使得電力世界仿真器作為一個(gè)獨(dú)立的潮流分析軟件包十分有用。與其他同類商業(yè)應(yīng)用軟件不同，PWS允許用戶通過可縮放的彩色動(dòng)畫單線圖來模擬一個(gè)系統(tǒng)。在PWS中，輸電線路的通斷、變壓器或發(fā)電機(jī)的增加、以及聯(lián)絡(luò)線功率的交換，一切僅需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成。此外，圖形和動(dòng)畫演示的廣泛使用增加了用戶對系統(tǒng)特性、存在問題和限制條件的理解以及如何修改。
PWS提供了極為方便的模擬電力系統(tǒng)時(shí)間特性的工具。同樣，它可以圖形化地顯示負(fù)荷、發(fā)電量和聯(lián)絡(luò)功率隨時(shí)間的變化，以及因此產(chǎn)生的系統(tǒng)運(yùn)行條件的變化。這項(xiàng)功能在解決電網(wǎng)擴(kuò)建引起網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化之類問題十分有用。
除了上述特點(diǎn)外，PWS的一體化經(jīng)濟(jì)調(diào)度、聯(lián)絡(luò)功率交易經(jīng)濟(jì)性分析、功率傳輸分配因子(PTDF)計(jì)算和突發(fā)事故的強(qiáng)大分析能力都可以通過一個(gè)易用的界面來實(shí)現(xiàn)。

2 配電網(wǎng)抗災(zāi)變性模型的建立
2．1 原有的配電網(wǎng)抗災(zāi)變性模型
配電網(wǎng)原有的抗災(zāi)變性模型建立在配電網(wǎng)簡化模型的基礎(chǔ)之上的，采用網(wǎng)基結(jié)構(gòu)矩陣DT節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)矩陣CT以及負(fù)荷矩陣LT表示各節(jié)點(diǎn)之間的電氣聯(lián)系和各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷情況，應(yīng)用此類模型進(jìn)行配電網(wǎng)抗災(zāi)變性評價(jià)即使在節(jié)點(diǎn)眾多的情況下仍具有運(yùn)算速度快的優(yōu)勢，同時(shí)為進(jìn)一步簡化計(jì)算，簡化模型采用電流代表功率從而簡化運(yùn)算。
(1)定義N行5列的網(wǎng)基鄰接表DT反映網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，其中的元素di1描述節(jié)點(diǎn)i的類型，其取值可以為1，2，3，4或5，分別表示該節(jié)點(diǎn)是源點(diǎn)(10 kV出線開關(guān))、開關(guān)節(jié)點(diǎn)、T接點(diǎn)、末梢點(diǎn)或母線節(jié)點(diǎn)。di2描述節(jié)點(diǎn)i是否過負(fù)荷，若過負(fù)荷則di2=1，否則di2=0。di3～di5描述和各節(jié)點(diǎn)鄰接的節(jié)點(diǎn)的序號，如果節(jié)點(diǎn)vi和節(jié)點(diǎn)vk，vm和vn相鄰接，則di3=k，di4=m，di5=n，在DT中的空閑位置填1；對于母線節(jié)點(diǎn)di2，di4和di5沒有任何含義，而在di3中描述反映母線相鄰節(jié)點(diǎn)序號的數(shù)組的地址(指針)，母線節(jié)點(diǎn)數(shù)組的第1個(gè)單元存放母線相鄰節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，以后各個(gè)單元分別存放各個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的序號。
(2)定義N行5列的網(wǎng)形鄰接表CT反映當(dāng)前的運(yùn)行方式，其中的元素ci1描述節(jié)點(diǎn)i所處的狀態(tài)(一般的，源點(diǎn)、T接點(diǎn)和母線節(jié)點(diǎn)均認(rèn)為處于合閘狀態(tài)；聯(lián)絡(luò)開關(guān)節(jié)點(diǎn)和末梢點(diǎn)均認(rèn)為處于分閘狀態(tài))，1表示合、0表示分。對于除過母線節(jié)點(diǎn)之外的其他節(jié)點(diǎn)，ci2和ci3分別表示以節(jié)點(diǎn)i為終點(diǎn)的有向邊(即“弧”，其方向?yàn)橄鄳?yīng)饋線段上潮流的方向)的起點(diǎn)序號ci4和ci5描述以相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)的弧的終點(diǎn)序號；在CT中的空閑位置填1；對于母線節(jié)點(diǎn)ci1，ci3和ci5沒有任何含義，而在ci2中描述母線的入點(diǎn)的序號，在ci4中存放母線數(shù)組的地址(指針)。
(3)定義N行4列的負(fù)荷鄰接表LT，則li1表示流過節(jié)點(diǎn)(開關(guān))i的負(fù)荷；li2～li4分別表示以節(jié)點(diǎn)i為端點(diǎn)的邊(饋線段)供出去的負(fù)荷，在LT中的空閑位置填1。負(fù)荷鄰接表LT中的元素的順序和網(wǎng)基結(jié)構(gòu)鄰接表DT的第3列至第5列對應(yīng)的邊的順序一致。
(4)定義N行4列的額定負(fù)荷鄰接表ET，以反映各個(gè)節(jié)點(diǎn)和邊所代表的元件的電氣極限參數(shù)，其中ei1描述節(jié)點(diǎn)i的額定負(fù)荷；ei2～ei4描述以相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)的邊的額定負(fù)荷；在ET中的空閑位置填0．01(這樣做是為了在計(jì)算時(shí)不至于使分母為0)。額定負(fù)荷鄰接表ET中的元素的順序和網(wǎng)基結(jié)構(gòu)鄰接表DT的第3列至第5列對應(yīng)的邊的順序一致。
(5)定義N行4列的歸一化負(fù)荷鄰接表LnT，以反映負(fù)荷的相對輕重程度，即：
lni,j=li,j／ei,j
若LnT中某個(gè)元素大于1．0，則表示相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)或邊過負(fù)荷。
2．2 配電網(wǎng)抗災(zāi)變性可視化模型
在實(shí)際的電力工程中，節(jié)點(diǎn)電流往往不易獲得，而節(jié)點(diǎn)功率卻可以確定。同時(shí)，考慮到在實(shí)際的電網(wǎng)絡(luò)中，功率潮流往往是電力工作者所關(guān)心的，采用電流代替功率雖然可以簡化模型方便計(jì)算，但與電力系統(tǒng)真實(shí)的運(yùn)行狀況相差較大。為此，本文采用可視化軟件PowerWorld simuIator建立與電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行更為貼近的模型，同時(shí)將代表電流還原為有功功率和無功功率。
建立可視化的配電網(wǎng)抗災(zāi)變性模型如圖1所示，它是根據(jù)該地區(qū)的實(shí)際地理分布情況和各負(fù)荷分布建立的模型。