CN103970589A - 一种基于pss/e潮流api接口的长动态过程仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PSS/E潮流API接口的长动态过程仿真方法，该方法包括以下步骤：建立电网模型；形成PSS/E潮流计算接口层；调用所述接口层计算潮流；建立仿真系统实现电网长过程动态过程仿真。本发明提供的方法实现了外部应用程序对PSS/E潮流计算全过程控制；其建立的仿真方法既保留了PSS/E潮流计算的精确性，又对PSS/E潮流计算的功能进行了扩展，实现了对电网长动态过程的仿真；该方法支持从多种标准数据格式的模型文件中导入进行建模，具有较强的灵活性和适应性；该方法利用PSS/E提供的Fortran API接口，可以被C++等直接调用，可直接嵌入用户已开发的程序中，适用于大型应用程序的开发。

Description

一种基于PSS/E潮流API接口的长动态过程仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析方法，具体涉及一种基于PSS/E潮流API接口的长动态过程仿真方法。

背景技术

自动发电控制(AGC)等控制类软件是广泛应用于各级调度的应用软件，为电网稳定发挥了重要作用。随着我国智能电网建设的推进，电网进一步规模扩大，并逐步形成以特高压主网架相连的一体化电网，电网间电气联系更加紧密，运行控制难度加大，电网有功控制策略趋于复杂化和精细化，控制策略的正确性对于电网安全的影响也越来越大，策略在投入实际系统使用之前需要经过严格的测试和仿真验证。而对控制策略的研究和验证都需要一个能够全面、准确反应电网连续变化情况的仿真环境来支撑，对应仿真方法能够真实反映控制策略与电网的持续互动情况。

目前对于控制策略的仿真验证多是基于给定电网模型和指定扰动情况下，对电网进行单次动态过程的仿真，适用于对控制策略的理论研究。文献一《特高压联网下AGC协调控制策略仿真》(电力系统自动化2010年第34卷第14期第75页)利用MATLAB/Simulink搭建了仿真环境，对特高压联网下网省协调的AGC策略进行仿真验证，文献二《PSS/E中自定义AGC模型在频率动态仿真中的实现》(华东电力2006年第08期第107页)用PSS/E搭建了仿真环境，并加入自定义AGC模型，仿真了系统发生扰动后的频率动态响应曲线，文献三《互联电网频率调节动态仿真系统的研制》(电网技术2009年第33卷第07期第36页)利用MATLAB/Simulink建立了针对研究互联电网频率控制与调节的动态仿真系统。而实际电网的AGC等软件需要与电网进行持续的交互，对应的仿真环境也需要能够对电网进行全周期、长过程的仿真计算，并能对电网的控制进行实时的反馈。

调度员培训仿真(DTS)是广泛应用于各级调度的仿真系统，通常具备了AGC等高级应用软件的培训态模拟功能，可以为培训态下的高级应用提供电网运行潮流断面并接收反馈控制。但其面向于调度操作模拟，对计算精确性要求不高，且与调度系统深度集成，使用固定的电网模型，灵活性较差。PSS/E是广泛应用于调度方式部门的仿真分析软件，其潮流计算准确性已得到广泛认可，但其应用主要是对给定的单潮流断面进行分析计算，且计算过程无法由用户进行控制，交互性较差。虽然PSS/E提供了用户自定义接口(UPI)功能来实现仿真软件与用户自定义模型的接口交互。但UPI通常是嵌入到分析软件的计算流程的某一固定环节中，由分析软件进行对自定义模型的计算结果进行主动调用，外部程序仍无法实现对计算流程的驱动和控制。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于PSS/E潮流计算API接口的电网长动态过程仿真方法。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于PSS/E潮流API接口的长动态过程仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A.建立电网模型；

B.形成PSS/E潮流计算接口层；

C.调用所述接口层计算潮流；

D.建立仿真系统实现电网长过程动态过程仿真。

优选地，步骤A中，通过解析和导入模型描述文件建立所述电网模型；所述电网模型包括仿真实时数据库和PSS/E计算库；所述PSS/E计算库包括PSS/E潮流数据文件。

优选地，步骤B中，通过对API接口进行二次开发和封装形成所述接口层；所述接口层包括：潮流计算控制类、设备潮流数据修改类、设备潮流结果获取类。

优选地，步骤C包括：

C-1.初始化PSS/E；

C-2.从潮流数据文件中读取电网数据，写入PSS/E计算库中；

C-3.修改仿真实时数据库和PSS/E计算库中的设备状态；

C-4.进行潮流计算；

C-5.从PSS/E中读取计算结果，并写入仿真实时库中。

优选地，步骤D中，建立自定义调速器模型，进行电网频率计算和发电机一次调频仿真计算；所述自定义调速器模型通过接口层接口函数与PSS/E潮流计算进行交互计算，实现计及调速器响应特性的电网长过程动态过程仿真。

优选地，所述步骤A包括：

A-1.根据输入的模型描述文件类型调用不同的电网模型适配器进行解析，将模型导入仿真系统实时数据库中；

A-2.从仿真系统实时库中读取模型信息，生成PSS/E潮流数据文件；

A-3.建立实时数据库中设备关键字和PSS/E计算库中设备ID的映射关系。

优选地，所述步骤B包括：

B-1.声明接口函数；

B-2.对接口函数进行二次封装；

B-3.编译生成接口函数库供应用程序调用。

优选地，所述潮流计算控制类包括：PSS/E潮流数据文件的读取、断面的保存、PSS/E潮流计算流程的控制；所述设备潮流数据修改类实现对PSS/E计算库和仿真实时数据库二者中的潮流数据和设备状态的修改；所述设备潮流结果获取类包括：获取PSS/E节点的电压结果及支路的潮流结果，并将获取的结果写入仿真实时数据库。

优选地，所述自定义调速器模型采用汽轮机调速系统模型；所述交互计算包括如下步骤：

D-1.根据潮流结果计算系统总出力P_G、总负荷P_L和网损P_loss，进而得到系统的加速功率P_acc＝P_G-P_L-P_loss；

D-2.求解微分方程得到系统的频率偏差Δω；式中，ΣT_J为发电机惯性时间常数总和；P_acc为电力系统的加速功率；D为系统阻尼系数；

D-3.以Δω作为输入量，采用改进欧拉法进行求解，根据传递函数框图，逐步求解输出量，最后计算出每台发电机的机械功率P_Ti，(i＝1,2,...,m)；

D-4.对每台发电机依次修正PSS/E计算库的有功值为P_Ti，并同步更新仿真系统实时数据库的有功值；

D-5.转入下一轮仿真计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.基于PSS/E的潮流计算接口进行二次开发和封装，实现了外部应用程序对PSS/E潮流计算全过程控制。建立的仿真方法既保留了PSS/E潮流计算的精确性，又对PSS/E潮流计算的功能进行了扩展，实现了对电网长动态过程的仿真。

2.支持从多种标准数据格式的模型文件中导入进行建模，如CIM/E格式文件、BPA格式文件，具有较强的灵活性和适应性。

3.利用PSS/E提供的Fortran API接口，可以被C++等直接调用，可直接嵌入用户已开发的程序中，适用于大型应用程序的开发。

4.与PSS/E提供的UPI功能相比，本发明利用API接口来实现与用户自定义模型的交互，具有更高的灵活性和可控性，可以在程序运行的任意时刻调用API接口与用户自定义模型进行交互，且交互规模不受限制。

附图说明

图1是本发明的方法中仿真模型生成流程图；

图2是本发明的方法中PSS/E潮流计算接口层示意图；

图3是本发明仿真计算总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于PSS/E潮流计算API接口的电网长动态过程仿真方法。首先通过对CIM/E、BPA等格式数据文件的解析导入生成电网模型，包括生成仿真实时数据库和PSS/E潮流数据文件。然后利用PSS/E提供的API接口，通过对接口的二次开发和封装，实现对PSS/E潮流计算的外部驱动。最后建立发电机调速器自定义模型，进行电网频率计算和发电机一次调频功能仿真，仿真结果通过接口与PSS/E潮流计算进行交互，改变系统的节点注入，从而实现计及调速器特性的电网动态过程仿真计算。该方法以PSS/E潮流计算为核心进行仿真计算，保证了仿真结果的准确性，同时通过接口对PSS/E潮流计算流程进行控制，并与自定义调速器模型进行接口交互，实现了对电网长动态过程的连续仿真计算。本发明的主要流程如下：

步骤1：通过对CIM/E、BPA等标准格式数据文件的解析和导入，建立仿真所需的电网模型和潮流断面，包括仿真实时数据库和PSS/E潮流数据文件。

步骤2：对PSS/E潮流计算Fortran接口进行二次开发和封装，形成PSS/E潮流计算接口层。接口层包括潮流计算控制类、设备潮流数据修改类、设备潮流结果获取类三大类。

步骤3：开发潮流计算主程序，通过对PSS/E潮流计算接口层相关接口函数的调用，实现外部应用程序对PSS/E潮流计算的控制。

步骤4：建立自定义调速器模型，进行电网频率计算和发电机一次调频仿真计算，通过接口层接口函数与PSS/E潮流计算进行数据输入和结果输出的交互操作，实现计及调速器响应特性的电网长过程动态过程仿真。

本发明披露了四个关键技术问题，并提出了相应的技术措施。

一、基于多源数据格式的电网模型管理技术

与DTS和常规仿真分析软件的固定电网模型不同，面向应用程序提供数据仿真的仿真系统需要提供与被验证软件所处电网相一致的电网模型，因此需要能灵活的从不同类型的模型描述文件进行电网模型和方式的解析、接入和管理。典型的模型描述文件包括广泛应用于运行方式部门的BPA方式模型文件，以及应用于实际调度系统的标准CIM/E物理模型文件。电网模型建立的步骤如下：

1)根据输入的模型描述文件类型调用不同的电网模型适配器进行解析，将模型导入仿真系统实时数据库中。仿真系统实时数据库中存放了设备的基本信息、潮流计算结果、电网的拓扑连接关系等。用户自定义建模等相关计算程序的数据都可以从仿真系统实时数据库中获取，人机展示界面可以直接从实时数据库中获取数据并进行展示。

2)从仿真系统实时数据库中读取模型信息，生成PSS/E潮流数据文件。

3)PSS/E中是以设备所连母线和设备ID作为关键信息来定位设备的，因此，在导出PSS/E设备模型的同时，同时建立起实时数据中设备关键字和PSS/E计算库中设备ID的映射关系，以便调用PSS/E接口时能快速定位设备。

仿真电网模型建立的流程如附图1所示。

二、PSS/E潮流计算API接口二次开发和封装技术

PSS/E提供基于Python和Fortran两种语言的API接口。Python作为一种脚本语言，适用于实现相对简单的批处理调用功能，而Fortran语言可以被C++直接调用，可直接嵌入用户已开发的程序中，适用于大型应用程序的开发。本发明采用C++和Fortran混合编程技术，对所需的PSS/E潮流计算接口进行二次开发和封装，形成统一的C++应用程序接口层供应用程序进行调用。API接口的二次开发和封装步骤如下：

1)在C++中对所需的Fortran接口函数进行声明。C++中对应的函数声明遵循以下规则：

a)显式的指定调用方式__stdcall。

b)函数名全部大写。

c)参数按传地址方式。若参数为字符时，除了按隐含字符长度的方式进行传递外，在字符参数后增加一个整形参数来表示字符长度。

以获取母线计算结果接口BUSDAT为例，原始FORTRAN接口函数为：

BUSDAT(IBUS,STRING,RVAL,IERR)；

其中，IBUS为整数形；STRING为字符串；RVAL为实数型；IERR为整数型。

按上述规则，对应的C++中函数声明应该为：

extern"C"void__stdcall BUSDAT(int*IBUS,char*STRING,int strlen,float*RVAL,int*IERR)；

其中，strlen表示字符串的长度。

2)对接口函数进行二次封装，提供对外的C++接口函数。为了便于理解，通常将C++接口函数名定义成与PSS/E的Fortran接口函数名一致。

3)编译生成接口函数库供应用程序调用。编译时需要链接psseng.lib，执行时需要调用psseng.dll动态库。

依据仿真系统对PSS/E潮流计算的接口需求，将应用程序接口层的接口类型分为三个大类：

1)潮流计算控制类，包括PSS/E潮流数据文件的读取、潮流断面的保存、PSS/E潮流计算流程的控制等。

2)设备潮流数据修改类，实现对PSS/E潮流数据和设备状态的修改；同时修改仿真实时数据库中的潮流数据和设备状态，使得仿真实时数据库和PSS/E潮流计算中的电网方式保持一致。

3)设备潮流结果获取类。包括获取PSS/E所有节点的电压结果、所有支路的潮流结果等。同时，根据仿真实时数据库和PSS/E设备模型的映射关系，将获取的结果快速写入仿真实时数据库中。

接口层的总体结构示意图如附图1所示，封装过程中各类使用到的PSS/E接口函数如下表所示：

三、基于接口层的PSS/E潮流计算全过程控制技术

在已经使用模型管理生成了仿真实时数据库和PSS/E潮流数据文件的情况下，应用程序可以使用接口层对PSS/E潮流计算流程进行控制。应用程序使用接口层进行一次完整的潮流计算流程如下：

1)调用PSSINIT接口进行PSS/E的初始化。

2)调用READAPI接口从指定的潮流数据文件中读取电网数据，写入PSS/E计算库中。

3)如需要对设备状态进行修改，则调用对应的数据修改类接口进行操作，该接口将同时修改仿真实时数据库和PSS/E计算库中的设备状态。

4)调用FNSLAPI进行潮流计算。

5)调用对应的设备潮流结果获取类接口，从PSS/E中读取计算结果，并写入仿真实时数据库中。

四、基于接口层的用户自定义模型与PSS/E潮流计算交互技术

以上基于PSS/E潮流计算接口层实现了单次潮流计算，通过对流程的控制，可以方便的对潮流计算的周期进行控制，扩展为电网中长期过程的仿真。但单纯的潮流计算并没有计及电网的动态过程，无法真实反应电网发生扰动后的系统频率变化和发电机调速器的响应。

通过对发电机调速器的自定义建模和仿真，并通过接口层与PSS/E潮流计算进行结果的交互，建立反应电网动态过程的仿真系统。采用汽轮机调速系统模型进行建模，并近似采用全网统一的频率进行计算。PSS/E潮流与调速系统自定义模型的交互计算流程如下：

1)调用FNSLAPI进行潮流计算，并使用潮流结果获取接口获取数据，包括发电机有功出力、负荷有功和支路有功，存放在仿真系统实时数据库中。

2)根据潮流结果计算系统总出力P_G、总负荷P_L和网损P_loss，进而得到系统的加速功率P_acc＝P_G-P_L-P_loss。

3)求解微分方程得到系统的频率偏差Δω。其中，ΣT_J为发电机惯性时间常数总和；P_acc为电力系统的加速功率(即系统的不平衡功率，指系统的发电与系统的消耗之间的不平衡量)D为系统阻尼系数。

4)以Δω作为输入量，采用改进欧拉法进行求解，根据传递函数框图，逐步求解输出量，最后计算出每台发电机的机械功率P_Ti，(i＝1,2,...,m)。

5)对每台发电机依次调用MACHINE_CHNG_2接口修正PSS/E计算库的有功值为P_Ti，并同步更新仿真系统实时数据库的有功值。

6)转入步骤1，开始下一轮仿真计算。

将自定义调速系统模型的仿真嵌入潮流计算流程后，完整的仿真计算流程如附图3所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于PSS/E潮流API接口的长动态过程仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A.建立电网模型；

B.形成PSS/E潮流计算接口层；

C.调用所述接口层计算潮流；

D.建立仿真系统实现电网长过程动态过程仿真。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中，通过解析和导入模型描述文件建立所述电网模型；所述电网模型包括仿真实时数据库和PSS/E计算库；所述PSS/E计算库包括PSS/E潮流数据文件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B中，通过对API接口进行二次开发和封装形成所述接口层；所述接口层包括：潮流计算控制类、设备潮流数据修改类、设备潮流结果获取类。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C包括：

C-1.初始化PSS/E；

C-2.从潮流数据文件中读取电网数据，写入PSS/E计算库中；

C-3.修改仿真实时数据库和PSS/E计算库中的设备状态；

C-4.进行潮流计算；

C-5.从PSS/E中读取计算结果，并写入仿真实时库中。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D中，建立自定义调速器模型，进行电网频率计算和发电机一次调频仿真计算；所述自定义调速器模型通过接口层接口函数与PSS/E潮流计算进行交互计算，实现计及调速器响应特性的电网长过程动态过程仿真。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括：

A-1.根据输入的模型描述文件类型调用不同的电网模型适配器进行解析，将模型导入仿真系统实时数据库中；

A-2.从仿真系统实时库中读取模型信息，生成PSS/E潮流数据文件；

A-3.建立实时数据库中设备关键字和PSS/E计算库中设备ID的映射关系。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：

B-1.声明接口函数；

B-2.对接口函数进行二次封装；

B-3.编译生成接口函数库供应用程序调用。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述潮流计算控制类包括：PSS/E潮流数据文件的读取、断面的保存、PSS/E潮流计算流程的控制；所述设备潮流数据修改类实现对PSS/E计算库和仿真实时数据库二者中的潮流数据和设备状态的修改；所述设备潮流结果获取类包括：获取PSS/E节点的电压结果及支路的潮流结果，并将获取的结果写入仿真实时数据库。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述自定义调速器模型采用汽轮机调速系统模型；所述交互计算包括如下步骤：

D-1.根据潮流结果计算系统总出力P_G、总负荷P_L和网损P_loss，进而得到系统的加速功率P_acc＝P_G-P_L-P_loss；

D-2.求解微分方程得到系统的频率偏差Δω；式中，ΣT_J为发电机惯性时间常数总和；P_acc为电力系统的加速功率；D为系统阻尼系数；

D-3.以Δω作为输入量，采用改进欧拉法进行求解，根据传递函数框图，逐步求解输出量，最后计算出每台发电机的机械功率P_Ti，(i＝1,2,...,m)；

D-4.对每台发电机依次修正PSS/E计算库的有功值为P_Ti，并同步更新仿真系统实时数据库的有功值；

D-5.转入下一轮仿真计算。