CN105022874A - 一种配电网数字仿真自动建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网数字仿真自动建模方法及系统，包括配电网仿真模型编辑模块、设备图元编辑模块、设备仿真参数编辑模块、开关/节点模型导入模块、通用母线/支路模型转换模块、专用仿真软件模型转换模块和专用仿真软件调用与结果转换模块。所述配电网仿真模型编辑模块与其它所有模块相连。本发明大幅度减少通过电网仿真软件进行配电网仿真时，人工进行建模和参数配置的工作量，为配电网现场调度、运行人员提供一种简单、实用的数字仿真工具。

Description

一种配电网数字仿真自动建模方法及系统

技术领域

本发明涉及一种配电网数字仿真自动建模方法及系统。

背景技术

配电网设备量大面广，整体故障率偏高，是影响供电可靠性的重要因素。随着近年来配电网发展和配电自动化系统的应用推广，配电网架从辐射状向网格状发展、潮流由单向变双向、带电合环转供电操作频繁，用户负荷日益多元化、冲击性和波动性负荷明显增加，大量新型配电网设备开始投入运行。配电网运行监控的难度和复杂性日益增加，因雷击、内部故障和开关操作产生的过电压导致设备绝缘破坏的问题也时有发生，配电网优化、运行与控制技术成为配电网安全和经济运行的核心和研究热点。

电力系统仿真是电力系统试验研究、规划设计、调度运行和安全评估的重要支撑工具。常用通用仿真软件包括美国PSAPAC和BPA、加拿大EMTP/ATP和PACAD/EMTDC和我国的PSASP等。以上仿真软件是电网通用的数字仿真工具，功能十分强大又各具特色，适用于不同的应用场合。各仿真软件的模型采用专有的模型数据格式，互不能直接通用，需人工单独建模。但这些仿真模型均基于相同的电力系统物理模型，模型中的设备及参数设置基本一致。通过一次建模和自动模型转换，调用多个仿真软件进行仿真分析，对科研人员进行电网仿真研究具有十分重要的价值。此外，这些仿真软件也未针对配电网仿真进行模型定制和参数配置的优化。

此外，对于小型配电网络，由于节点数目少，元件结构和网络架构比较简单，电力网络拓扑结构不复杂，可以手工直接建模。但由多个变电站出线互联组成的区域配电网往往包含数十条母线、数百条配电线路和上千台配变和负荷元件，电气结构错综复杂，如果手动建模工作量巨大(小模型需数个小时，大模型甚至长达几天)，设备参数配置繁杂，而且人工建模容易出错，要求建模人员具有很高的专业技术水平，适于学术研究人员进行小范围研究，无法为配电网调度、运行人员提供一种简单、实用的数字仿真工具。

现有的专利中，一种配电网终端的智能仿真方法及系统是通过从配电自动化主站系统中导出配电网模型，对导出的配电网接线模型及运行方式进行分析后，识别出一次设备及配电终端的对应关系和终端上送的测点数据，自动模拟出配电网运行模拟数据并上送配电自动化主站，以测试配电自动化主站的功能。从配电自动化系统中导出基于IEC61970 CIM模型并分析识别，目前配电自动化主站系统均支持导出CIM模型，这是主站系统的一项基本功能。该专利并没有解决本申请所提及的上述问题。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种配电网数字仿真自动建模方法及系统，本发明依托配电自动化系统或生产管理信息系统中已有的配电网拓扑连接模型，自动导出开关/节点模型，结合设备型号仿真参数库，自动设置配电设备的仿真参数，进行节点合并和模型简化，生成仿真软件通用的母线/节点模型；再根据所调用的专用仿真软件模型文件的格式，转换生成专用仿真软件的模型，并调用仿真软件计算并展示计算结果，显著减少配电网仿真建模工作量，为一线技术人员研究配电网运行特性提供一种实用化工具。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种配电网数字仿真自动建模系统，包括配电网仿真模型编辑模块，所述配电网仿真模型编辑模块与设备图元编辑模块、设备仿真参数编辑模块、通用母线/支路模型转换模块及专用仿真软件调用与结果转换模块进行通信，所述配电网仿真模型编辑模块接收开关/节点模型导入模块及专用仿真软件模型转换模块传送的信息；

所述开关/节点模型导入模块用于导入从配电自动化系统或生产管理信息系统导出的配电网开关/节点模型文件；

所述母线/支路模型转换模块将面向设备的开关/节点模型转换为面向仿真的简化的母线/支路模型；

所述专用仿真软件模型转换模块依据所调用的专用仿真软件模型文件的格式，将母线/支路模型转换为专用仿真软件的模型文件；

所述设备仿真参数编辑模块实现设备参数的集中维护和管理；

所述设备图元编辑模块用于定制各类设备的图形化符号，设备图元用以表示电气设备的连接关系，所有设备图元存储为一个设备图元库文件，配电网仿真模型编辑模块启动后加载设备图元库。

所述专用仿真软件调用与结果转换模块调用专用仿真软件，传入生成的专用仿真软件的模型文件及调用参数，进行仿真计算，运行时间内各监测点的电压、电流波形存储为报表或曲线数据文件；

配电网仿真模型编辑模块用于实现配电网仿真模型的加载、图模一体化展示、编辑及存储，同时为其它模块提供调用入口。

进一步的，配电网仿真模型编辑模块中，配电网仿真模型展示为正交接线图，配电母线、开关、刀闸、配电变压器及电容器配电一次设备表示为用户定制的设备图元，配电线路用线段表示，设备图元具备一个、二个或三个连接端子，按相应设备的电气拓扑连接关系，具备电气连接的设备图元的连接端子连接到同一个节点图元上；仿真模型的编辑包括设备及图元的新建或删除、设备拓扑连接关联或修改、设备参数设置，在接线图中预定义故障点，模拟各种配电网故障，并设置接地电阻、动作时间以及故障恢复时间，在仿真模型接线图中定义仿真监测点的位置、名称及监测内容，仿真模型存储为自定义格式的XML文件，包括设备及其参数、设备图元及拓扑连接信息。

一种配电网数字仿真自动建模方法，包括以下步骤：

从配电自动化系统或生产管理信息系统选取并导出所需的配电线路的开关/节点模型；

将导出的开关/节点模型导入配电网仿真模型编辑模块，配电网仿真模型编辑模块从设备图元编辑模块中获取开关/节点CIM模型中各设备类型对应的图元，自动布局生成配电线路接线图；

根据开关/节点模型中非零序阻抗设备的型号，从预先定义的设备仿真参数编辑模块中获取各设备的仿真参数并赋值；

通过设备仿真参数编辑模块将开关/节点模型转换为通用母线/节点模型，作为向不同电网仿真软件模型转换的中间格式；

调用专用仿真软件，传入专用仿真软件模型转换模块生成的专用仿真软件的模型文件，进行后台仿真计算，按设定的仿真步长，计算仿真模型各节点潮流，包括电压、电流、有功及无功，并将仿真结果转换为标准格式的录波数据文件；

将计算结果输出到配电网仿真模型编辑模块中，结合配电线路接线图，以图形化方式展示仿真计算的结果。

所述配电线路的开关/节点模型遵循国际电工技术委员会IEC推出的IEC61970通用信息模型标准。

所述配电线路的开关/节点模型为配电网开关/节点CIM模型，配电网开关/节点CIM模型完整描述配电网设备及其连接关系、设备状态、量测信息以及设备型号，开关/节点CIM模型中电力设备融合点用一个连接节点表示，多数导电设备具备1-3个连接端子，分别涉及1-3个连接节点。

所述自动布局生成配电线路接线图时，根据设备电气拓扑连接，自动布局生成配电网正交接线图，依据所有设备图元连接端子均不能悬空、每个设备图元的各连接端子不能连接到同一个节点、不同节点的ID唯一的设备电气拓扑校验原则，检查配电设备拓扑连接的正确性。

在设备仿真参数编辑模块中按设备类别、型号建立线路、变压器、负荷及发电机的非零序阻抗元件的仿真参数库，在配电网仿真模型编辑模块中遍历模型中的设备，根据设备型号从仿真参数库中获取设备的典型仿真参数，通过自动和批量设置每个设备的仿真参数。

转换为通用母线/节点模型时，根据等电位情况，合并复杂的开关配置和设备连接关系，形成逻辑上的拓扑节点TNode，只考虑线路、变压器、负荷及发电机的非零阻抗电气元件，将配电网络表示成拓扑节点和拓扑节点间带阻抗的电气元件，从配电网仿真模型编辑模块中导入母线/支路CIM模型，并自动布局生成简化的仿真接线图，校验仿真图形的拓扑连接的正确性，确保模型中不存在闭合的开关或刀闸、所有设备图元连接端子均不能悬空、每个设备图元的各连接端子不能连接到同一个节点且不同节点的ID唯一。

将仿真计算结果转换为标准格式的录波数据文件时，根据专用仿真软件模型的格式定义，提取出每类设备的仿真模型数据块模板，通过专用仿真软件模型转换模块将通用母线/支路模型转换为专用仿真软件模型，通过专用仿真软件调用与结果转换模块将调用专用仿真软件并传入仿真模型，后台进行启动计算，将计算结果转换为通用数据格式，在仿真模型编辑模块中图形化展示仿真结果。

在将开关/节点模型转换为通用母线/节点模型时，依据所调用的专用仿真软件模型文件的格式，将母线/节点模型转换为专用仿真软件需要的模型文件。

本发明的有益效果：

本发明通过从配电自动化类监控系统中自动导出配电网开关/节点模型，自动批量设置模型中设备的仿真参数，生成通用的母线/支路模型，再根据所采用的专用仿真软件的模型格式，自动转换为专用仿真模型，调用专用仿真软件进行仿真计算，并将仿真计算结果转换为标准数据格式后，导入配电网仿真编辑模块中进行图形化展示。本方法可大幅度减少通过电网仿真软件进行配电网仿真时人工进行建模和参数配置的工作量，为配电网现场调度、运行人员提供一种简捷、实用的配电网运行数字仿真方法。

附图说明

图1为配电网自动建模与仿真方法的功能模块示意图；

图2为配电网自动建模与仿真方法的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种配电网数字仿真自动建模系统，包括配电网仿真模型编辑模块、设备图元编辑模块、设备仿真参数编辑模块、开关/节点模型导入模块、通用母线/支路模型转换模块、专用仿真软件模型转换模块和专用仿真软件调用与结果转换模块。所述配电网仿真模型编辑模块与其它所有模块相连。

配电网仿真模型编辑模块是配电网数字仿真自动建模系统的核心模块，具备配电网仿真模型的加载、图模一体化展示与编辑、存储等功能，同时为其它模块提供调用入口。配电网仿真模型展示为正交接线图，配电母线、开关、刀闸、配电变压器、电容器等配电一次设备表示为用户定制的设备图元，配电线路用线段表示。设备图元具备一个、二个或三个连接端子，按相应设备的电气拓扑连接关系，具备电气连接的设备图元的连接端子连接到同一个节点图元上。仿真模型的编辑包括设备及图元的新建或删除、设备拓扑连接关联或修改、设备参数设置等功能。在接线图中预定义故障点，模拟各种配电网故障，如单相接地、两相相间短路、三相接地短路等，并设置接地电阻、动作时间以及故障恢复时间。在仿真模型接线图中定义仿真监测点的位置、名称及监测内容(相电压、线电压及电流)。仿真模型存储为自定义格式的XML文件，包括设备及其参数、设备图元及拓扑连接信息。

设备图元编辑模块用于定制各类设备的图形化符号(图标)，设备图元具备1-3个连接端子，用以表示电气设备的连接关系。开关类电气设备具备闭合、断开两种状态，两种状态各定义不同形状的图元表示，不同状态图元的连接端子的位置一致。设备图元与设备类型关联，同类电气设备表示为多种图元；每个设备图元具有唯一的ID标示，仿真模型文件中关联并存储设备图元的ID。所有设备图元存储为一个设备图元库文件，配电网仿真模型编辑模块启动后加载设备图元库。

设备仿真参数编辑模块实现设备参数的集中维护和管理，该模块按设备类型定义仿真计算所需参数，按同类设备的型号配置设备的典型参数，生成典型设备参数库，实现仿真模型中各设备仿真参数的统一配置。

开关/节点模型导入模块用于导入从配电自动化或生产管理信息等系统导出的配电网开关/节点模型文件，是本系统导入外部已有配电网模型的入口。该模块解析外部系统开关/节点模型文件的格式，识别每个配电设备、拓扑连接关系以及设备参数，转换为设备仿真模型编辑模块的统一的开关/节点模型文件，生成图形化模型后进行模型调整和参数设置。

母线/支路模型转换模块将面向设备的开关/节点模型(与实际配电网对应，方便人工查看)转换为面向仿真的简化的母线/支路模型(减少设备及节点，减少仿真计算量)，将零阻抗闭合的开关、刀闸设备及节点合并，只考虑线路、变压器、负荷及发电机的非零阻抗电气元件，生成母线支路模型。

专用仿真软件模型转换模块依据据所调用的专用仿真软件模型文件的格式，将母线/支路模型转换为专用仿真软件的模型文件，包括运行时间、仿真步长等运行参数，设备及其拓扑连接关系、设备参数设置等。

专用仿真软件调用与结果转换模块调用专用仿真软件，传入生成的专用仿真软件的模型文件及调用参数，进行仿真计算，运行时间内各监测点的电压、电流波形存储为报表或曲线数据文件。

本申请通过从配电自动化类监控系统中自动导出配电网开关/节点模型，自动批量设置模型中设备的仿真参数，生成通用的母线/支路模型，再根据所采用的专用仿真软件的模型格式，自动转换为专用仿真模型，调用专用仿真软件进行仿真计算，并将仿真计算结果转换为标准数据格式后，导入配电网仿真编辑模块中进行图形化展示。本方法大幅度减少通过电网仿真软件进行配电网仿真时，人工进行建模和参数配置的工作量，为配电网现场调度、运行人员提供一种简单、实用的数字仿真工具。

配电网自动建模与仿真的流程参阅附图2，具体步骤说明如下：

首先，从供电公司应用的配电自动化系统或生产管理信息系统中，选取并导出所要研究的配电线路的开关/节点CIM模型；从配电网仿真模型编辑模块导入开关/节点模型，从设备图元编辑模块中获取各设备类型对应的图元，自动布局生成配电线路接线图。

然后，根据开关/节点模型中非零序阻抗设备的型号，从预先定义的设备仿真参数编辑模块中获取各设备的仿真参数并赋值。

由于开关/节点模型中存在大量开关、刀闸类元设备，闭合的开关、刀闸类设备两侧等电位，在电网仿真模型中可省略该元件，将其两侧的CNode节点合并为拓扑TNode节点。，

再通过设备仿真参数编辑模块将开关/节点模型转换为通用母线/节点模型，作为向不同电网仿真软件模型转换的中间格式。依据所调用的专用仿真软件模型文件的格式，将母线/节点模型转换为专用仿真软件需要的模型文件。

调用专用仿真软件，传入仿真模型文件，进行后台仿真计算。计算完成后，将仿真计算结果转换为标准的Comtrade格式的录波数据文件。

最后，将计算结果输出到配电网仿真模型编辑模块中，结合配电线路接线图，以图形化方式展示仿真计算的结果。

对所仿真研究配电网，先从配电自动化系统或生产管理信息系统中导出开关/节点模型，然后转换为母线/支路模型，最后转换为所调用的电网仿真软件模型的格式，实现配电网仿真模型的自动生成。

通过设备仿真参数编辑模块，按设备类别和型号建立设备仿真参数库，根据配电网仿真模型中每个设备的型号，从设备仿真参数库中获取仿真参数并自动赋值，以减少设备仿真参数手动设置的工作量。

调用专用仿真软件后，将仿真输出结果转换为Comtrade标准格式后，在配电网仿真模型编辑模块中图形化展示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种配电网数字仿真自动建模系统，其特征是，包括配电网仿真模型编辑模块，所述配电网仿真模型编辑模块与设备图元编辑模块、设备仿真参数编辑模块、通用母线/支路模型转换模块及专用仿真软件调用与结果转换模块进行通信，所述配电网仿真模型编辑模块接收开关/节点模型导入模块及专用仿真软件模型转换模块传送的信息；

所述开关/节点模型导入模块用于导入从配电自动化系统或生产管理信息系统导出的配电网开关/节点模型文件；

所述母线/支路模型转换模块将面向设备的开关/节点模型转换为面向仿真的简化的母线/支路模型；

所述专用仿真软件模型转换模块依据所调用的专用仿真软件模型文件的格式，将母线/支路模型转换为专用仿真软件的模型文件；

所述设备仿真参数编辑模块实现设备参数的集中维护和管理；

所述设备图元编辑模块用于定制各类设备的图形化符号，设备图元用以表示电气设备的连接关系，所有设备图元存储为一个设备图元库文件，配电网仿真模型编辑模块启动后加载设备图元库；

所述专用仿真软件调用与结果转换模块调用专用仿真软件，传入生成的专用仿真软件的模型文件及调用参数，进行仿真计算，运行时间内各监测点的电压、电流波形存储为报表或曲线数据文件；

配电网仿真模型编辑模块用于实现配电网仿真模型的加载、图模一体化展示、编辑及存储，同时为其它模块提供调用入口。

2.如权利要求1所述一种配电网数字仿真自动建模系统，其特征是，所述配电网仿真模型编辑模块中，配电网仿真模型展示为正交接线图，配电母线、开关、刀闸、配电变压器及电容器配电一次设备表示为用户定制的设备图元，配电线路用线段表示，设备图元按相应设备的电气拓扑连接关系，具备电气连接的设备图元的连接端子连接到同一个节点图元上；仿真模型的编辑包括设备及图元的新建或删除、设备拓扑连接关联或修改、设备参数设置，在接线图中预定义故障点，模拟各种配电网故障，并设置接地电阻、动作时间以及故障恢复时间，在仿真模型接线图中定义仿真监测点的位置、名称及监测内容，仿真模型存储为自定义格式的XML文件，包括设备及其参数、设备图元及拓扑连接信息。

3.基于权利要求1所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，包括以下步骤：

从配电自动化系统或生产管理信息系统选取并导出所需的配电线路的开关/节点模型；

将导出的开关/节点模型导入配电网仿真模型编辑模块，配电网仿真模型编辑模块从设备图元编辑模块中获取开关/节点CIM模型中各设备类型对应的图元，自动布局生成配电线路接线图；

根据开关/节点模型中非零序阻抗设备的型号，从预先定义的设备仿真参数编辑模块中获取各设备的仿真参数并赋值；

通过设备仿真参数编辑模块将开关/节点模型转换为通用母线/节点模型，作为向不同电网仿真软件模型转换的中间格式；

调用专用仿真软件，传入专用仿真软件模型转换模块生成的专用仿真软件的模型文件，进行后台仿真计算，按设定的仿真步长，计算仿真模型各节点潮流，包括电压、电流、有功及无功，并将仿真结果转换为标准格式的录波数据文件；

将计算结果输出到配电网仿真模型编辑模块中，结合配电线路接线图，以图形化方式展示仿真计算的结果。

4.如权利要求3所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，所述配电线路的开关/节点模型遵循国际电工技术委员会IEC推出的IEC61970通用信息模型标准。

5.如权利要求3所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，所述配电线路的开关/节点模型为配电网开关/节点CIM模型，配电网开关/节点CIM模型完整描述配电网设备及其连接关系、设备状态、量测信息以及设备型号，开关/节点CIM模型中电力设备融合点用一个连接节点表示，多数导电设备具备1-3个连接端子，分别涉及1-3个连接节点。

6.如权利要求3所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，所述自动布局生成配电线路接线图时，根据设备电气拓扑连接，自动布局生成配电网正交接线图，依据所有设备图元连接端子均不能悬空、每个设备图元的各连接端子不能连接到同一个节点、不同节点的ID唯一的设备电气拓扑校验原则，检查配电设备拓扑连接的正确性。

7.如权利要求3所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，在设备仿真参数编辑模块中按设备类别、型号建立线路、变压器、负荷及发电机的非零序阻抗元件的仿真参数库，在配电网仿真模型编辑模块中遍历模型中的设备，根据设备型号从仿真参数库中获取设备的典型仿真参数，通过自动和批量设置每个设备的仿真参数。

8.如权利要求3所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，转换为通用母线/节点模型时，根据等电位情况，合并复杂的开关配置和设备连接关系，形成逻辑上的拓扑节点TNode，只考虑线路、变压器、负荷及发电机的非零阻抗电气元件，将配电网络表示成拓扑节点和拓扑节点间带阻抗的电气元件，从配电网仿真模型编辑模块中导入母线/支路CIM模型，并自动布局生成简化的仿真接线图，校验仿真图形的拓扑连接的正确性，确保模型中不存在闭合的开关或刀闸、所有设备图元连接端子均不能悬空、每个设备图元的各连接端子不能连接到同一个节点且不同节点的ID唯一。

9.如权利要求3所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，将仿真计算结果转换为标准格式的录波数据文件时，根据专用仿真软件模型的格式定义，提取出每类设备的仿真模型数据块模板，通过专用仿真软件模型转换模块将通用母线/支路模型转换为专用仿真软件模型，通过专用仿真软件调用与结果转换模块将调用专用仿真软件并传入仿真模型，后台进行启动计算，将计算结果转换为通用数据格式，在仿真模型编辑模块中图形化展示仿真结果。

10.如权利要求3所述的一种配电网数字仿真自动建模系统的方法，其特征是，在将开关/节点模型转换为通用母线/节点模型时，依据所调用的专用仿真软件模型文件的格式，将母线/节点模型转换为专用仿真软件需要的模型文件。