CN105373008A - 一种电力系统用全物理模型仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力系统用全物理模型仿真方法，通过解析电网模型文件并写入电网层次库中得到电网模型；建立PSS/E计算所需的潮流数据文件及仿真控制程序，进行连续潮流计算得到PSS/E全物理模型；处理外部应用程序对设备的操作指令；分析拓扑变化后的PSS/E全模型；修正PSS/E计算库中的设备状态；对PSS/E全模型进行潮流计算。本发明提出的方法，实现了PSS/E对包含开关刀闸在内的全物理模型进行精细化仿真计算，并实现模型的免维护，同时使得系统更具扩展性，保证了PSS/E拓扑分析和潮流计算的正确性；进而提高了电力系统仿真的准确性及有效性，为电力系统的可靠运行及建设提供了可靠且准确的依据。

Description

一种电力系统用全物理模型仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析领域，具体涉及一种电力系统用全物理模型仿真方法。

背景技术

PSS/E是调度运行部门常用的电力系统仿真分析软件。利用PSS/E进行潮流分析的典型模式是基于软件提供的人机界面进行交互操作，首先使用软件提供的元件库手动建立电网设备模型，然后基于元件库列表进行设备操作，执行单步潮流计算。这种应用模式存在着模型维护工作量大和扩展性不足等方面问题，主要表现在：①手动建模工作量大，维护成本高。为了减少建模工作量，通常建立的是不包含开关刀闸的拓扑模型，无法对双母分裂运行、线路单端充电等运行方式进行精细化仿真。②基于人机交互界面的手动单步执行模式无法实现对电网自动的连续仿真分析。当需要对电网进行方式调整、设备N-1开断分析等重复操作时，执行效率低下。

为降低建模工作量，在仿真分析软件私有格式的相互转换方面已经开展了相关工作，但本质上仍无法避免数据源头的建模工作。实际上，电网调控系统中包含了电网分析所需的所有模型和拓扑信息，可以作为各类分析软件的模型源端。从调控系统导出标准CIM/E模型文件来进行仿真分析软件的自动建模，实现不同系统间的源端维护，模型共享，是非常必要且有效的。

为提升扩展性，仿真分析软件提供了用户程序接口(UPI)功能来与用户自定义程序进行交互，但UPI方式存在明显的局限性，主要表现在：①对接口的节点规模有限制，通常只允许系统中少量的节点与用户自定义程序进行接口交互；②UPI嵌入到分析软件的计算流程的某一固定环节中，无法实现外部程序对计算流程的驱动和控制。

相比于UPI，PSS/E提供了更为灵活的API接口功能，用户自定义程序通过API接口可以对PSS/E计算流程和周期的完全控制，更适用于进行大型应用程序的开发。文献一《基于PSS/E的可用于调度主站验证的仿真系统设计》(中国电力2014年第47卷第1期第66页)提出了基于API接口二次开发和封装建立潮流计算接口层的总体设计方案，但没有具体的应用方法。文献二《基于PSS/E潮流API接口的动态过程仿真系统》(电力系统保护与控制2014年第42卷第15期第136页)基于二次开发和封装建立接口层，实现对PSS/E潮流计算的驱动，并结合调速器模型建立中长期动态过程仿真系统。但未涉及基于全模型的PSS/E自动建模方法，以及PSS/E全模型潮流计算的具体实现。

网络层次模型库(以下简称层次库)是EMS高级应用软件中的一种实时数据库结构。其特点是建立了电力系统模型的层次和隶属关系，对设备进行分级存储，同时建立了层级记录之间的对应关系，方便的进行查询和定位。层次库中的设备以节点(NODE)为索引进行存储。设备之间的连接关系通过节点来确定。

网络拓扑分析、分析结果图形展示等传统EMS高级应用软件模块都基于层次库进行设计开发。同时，层次库是一个开放的数据库，用户自定义程序遵循接口访问规则即可实现对层次库的访问，进行功能开发。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的一种电力系统用全物理模型仿真方法，该方法实现了PSS/E对包含开关刀闸在内的全物理模型进行精细化仿真计算，并实现模型的免维护，同时使得系统更具扩展性，保证了PSS/E拓扑分析和潮流计算的正确性；进而提高了电力系统仿真的准确性及有效性，为电力系统的可靠运行及建设提供了可靠且准确的依据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电力系统用全物理模型仿真方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.获取基于标准CIM/E格式的电网模型文件；

步骤2.解析所述电网模型文件并写入电网层次库中，得到电网模型；

步骤3.根据所述电网层次库，建立PSS/E计算所需的潮流数据文件，并建立电力设备在所述电网层次库及PSS/E计算库中的映射关系；

步骤4.获得计算接口层，并建立仿真控制程序，驱动PSS/E进行连续潮流计算，并通过所述计算接口层将计算结果存入所述电网层次库中，得到PSS/E全物理模型；

步骤5.所述电网层次库接收并处理外部应用程序对设备的操作指令；

步骤6.网络拓扑分析模块分析拓扑变化后的所述PSS/E全模型；

步骤7.修正所述PSS/E计算库中的设备状态；

步骤8.将接收到的设备操作和实时拓扑分析结果嵌入仿真控制流程中，对所述PSS/E全模型进行潮流计算。

优选的，所述步骤1包括：

从EMS中导出基于标准CIM/E格式的电网模型文件；所述电网模型文件中包括电力系统中的全部电力设备的信息、各电力设备之间的连接关系及开关/刀闸模型。

优选的，所述步骤2包括：

2-1.调用文件解析器解析所述电网模型文件，得到符合所述电网层次库特征的电网层次结构；

2-2.将所述电网层次结构导入所述电网层次库中，得到电网模型；所述电网层次库中包括各电力设备的模型属性以及运行状态。

优选的，所述步骤3包括：

3-1.建立PSS/E计算所需的潮流数据文件，所述潮流数据文件中的设备以所属节点信息和设备ID作为关键属性；

3-2.将所述电网层次库中节点记录导出并导入PSS/E数据文件中，得到电力设备在所述电网层次库及PSS/E计算库中的映射关系；其中，所述电网层次库与PSS/E计算库的节点编号一一对应。

优选的，所述步骤4包括：

4-1.按照所述PSS/E数据文件字段顺序，从所述电网层次库中获取对应的所述电力设备的记录，生成PSS/E所需的设备结构，并将所述设备结构导入所述PSS/E数据文件的字段中；其中，所述电力设备的记录包括连接节点编号、设备ID以及设备状态信息；

4-2.导出所述电力设备，并在所述电网层次库对应的所述电力设备的记录中，保留所述电力设备对应的PSS/E关键属性，所述PSS/E设备关键属性包括连节点编号和设备ID。

优选的，将所述设备结构导入所述PSS/E数据文件的字段的导入原则包括：

a.PSS/E将开关/刀闸模型当作零阻抗支路处理；在导入数据文件时将开关刀闸设备与支路放置在同一个字段中，并在ID中添加前缀来与支路进行区分；

b.PSS/E中的三绕组变压器模型在建模时将绕组的潮流结果等值为三个两绕组变压器来处理，以中性点为标准侧，主变三侧为非标准侧；

c.发电机缺省当作PV节点进行处理；对于PQ节点，在导入数据文件时将其无功上下限置成与无功值相等。

优选的，所述步骤5包括：

5-1.以所述电网层次库为外部应用程序的输入及输出接口进行二次开发，建立仿真计算接口层；

5-2.外部应用程序通过计算接口层进行设备状态操作，载入操作类型、设备在层次库的下标以及设备的最终状态，通过层次库与PSS/E计算库对应关系快速定位设备并进行设备状态修改；

5-3.仿真控制进程接收并处理外部应用程序对设备的操作指令，仿真控制进程对所述PSS/E潮流计算库中的所述电力设备进行操作；

其中，对所述电力设备的操作包括：修改所述PSS/E计算库中的设备数据及同步更新所述电网层次库中对应的设备状态或者计算结果。

优选的，所述接口层提供的接口函数包括：潮流进程控制类函数、设备状态修改类函数及潮流结果获取类函数；

所述潮流进程控制类函数包括PSS/E潮流初始化、驱动PSS/E潮流计算及数据文件的装载；

所述设备状态修改类函数包括开关刀闸状态的调整、发电机和负荷的有功无功调整及变压器档位调节操作，所述设备状态修改类函数接口同时修改所述电网层次库和PSS/E计算库中的设备状态；

所述潮流结果获取类函数为从所述PSS/E计算库中获取各类设备潮流计算结果并写入所述电网层次库中。

优选的，所述步骤6包括：

6-1.记录当前的电气岛数量以及电气岛对应的平衡节点；

6-2.在所述PSS/E全物理模型中，将开关刀闸作为零阻抗支路，使得所述PSS/E全物理模型中包括非母线节点；

6-3.根据EMS高级应用中的拓扑分析模块，保存当前所述电网层次库中所有设备的拓扑状态至临时数组中；并将所述电网层次库中的所有电网设备拓扑状态重置为0；

6-4.以一台带电发电机节点为起始点，采用广度优先或者深度优先的搜索方法，通过所述电力设备的节点连接关系进行拓扑路径搜索，对搜索过的设备进行拓扑着色；

6-5.拓扑搜索结束后，所述电网层次库中的所有设备状态和电气岛信息均被更新；将所述电网层次库的设备状态与临时数组保存的初始状态进行比较，得到发生变化的设备状态；

6-6.根据设备类型调用相应的设备状态修改接口，并修改所述PSS/E全物理模型中的所述电力设备状态。

优选的，所述步骤7包括：

7-1.根据所述电网层次库实时拓扑分析形成的新电气岛信息，判断所述电气岛的数量是否发生变化；

若是，则进入7-2；

若否，则不进行修正；

7-2.重置当前所有平衡节点，并获取当前所有发电机节点类型，并将所述平衡节点的节点类型置为普通发电机节点；

7-3.遍历所述电气岛，将每个所述电气岛内的最大出力发电机作为该岛平衡机；将PSS/E全物理模型中的所述平衡机连接的节点类型置为平衡节点。

优选的，所述步骤8包括：

8-1.基于封装的仿真计算接口层，将接收到的设备操作和实时拓扑分析结果嵌入仿真控制流程中，进行仿真流程控制；

8-2.调用接口层潮流计算控制类的潮流计算接口，驱动PSS/E进行完整的潮流计算；

8-3.将单步潮流计算扩展为周期连续计算；每个潮流计算周期中均接收并处理设备操作指令，进行实时拓扑分析，形成完整的潮流计算流程。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种电力系统用全物理模型仿真方法，通过解析电网模型文件并写入电网层次库中得到电网模型；建立PSS/E计算所需的潮流数据文件及仿真控制程序，进行连续潮流计算得到PSS/E全物理模型；处理外部应用程序对设备的操作指令；分析拓扑变化后的PSS/E全模型；修正PSS/E计算库中的设备状态；对PSS/E全模型进行潮流计算。本发明提出的方法，实现了PSS/E对包含开关刀闸在内的全物理模型进行精细化仿真计算，并实现模型的免维护，同时使得系统更具扩展性，保证了PSS/E拓扑分析和潮流计算的正确性；进而提高了电力系统仿真的准确性及有效性，为电力系统的可靠运行及建设提供了可靠且准确的依据。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，基于EMS系统导出的标准CIM/E电网模型文件进行自动建模，实现了PSS/E对包含开关刀闸在内的全物理模型进行精细化仿真计算，并实现模型的免维护。

2、本发明所提供的技术方案，以层次库作为中间层的设计使得系统更具扩展性，可以直接复用传统EMS中高级应用软件模块的功能；以层次库作为对外的输入输出接口，使得PSS/E可以作为独立潮流计算模块嵌入到EMS系统中。

3、本发明所提供的技术方案，基于层次库进行电网实时拓扑分析，对PSS/E全模型仿真计算中存在的拓扑判断错误问题进行修正，保证了PSS/E拓扑分析和潮流计算的正确性。

4、本发明所提供的技术方案，提高了电力系统仿真的准确性及有效性，为电力系统的可靠运行及建设提供了可靠且准确的依据。

5、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种电力系统用全物理模型仿真方法的流程图；

图2是本发明的仿真方法的步骤2的流出示意图；

图3是本发明的仿真方法的步骤3的流出示意图；

图4是本发明的仿真方法的步骤4的流出示意图；

图5是本发明的仿真方法的步骤5的流出示意图；

图6是本发明的仿真方法的步骤6的流出示意图；

图7是本发明的仿真方法的步骤7的流出示意图；

图8是本发明的仿真方法的步骤8的流出示意图；

图9是本发明的仿真方法的具体应用例中的技术方案总体结构图；

图10是本发明的仿真方法的具体应用例中的开关刀闸在PSS/E中作为零阻抗支路示意图；

图11是本发明的仿真方法的具体应用例中的仿真计算总体结构图；

图12是本发明的仿真方法的具体应用例中的潮流计算总体流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种电力系统用全物理模型仿真方法，包括如下步骤：

步骤1.获取基于标准CIM/E格式的电网模型文件；其中，CIM/E为一种新型的适用于电网模型在线交换的技术标准；

步骤2.解析电网模型文件并写入电网层次库中，得到电网模型；

步骤3.根据电网层次库，建立PSS/E计算所需的潮流数据文件，并建立电力设备在电网层次库及PSS/E计算库中的映射关系；其中，PSS/E为一种电力系统仿真分析软件；

步骤4.获得计算接口层，并建立仿真控制程序，驱动PSS/E进行连续潮流计算，并通过计算接口层将计算结果存入电网层次库中，得到PSS/E全物理模型；

步骤5.电网层次库接收并处理外部应用程序对设备的操作指令；

步骤6.网络拓扑分析模块分析拓扑变化后的PSS/E全模型；

步骤7.修正PSS/E计算库中的设备状态；

步骤8.将接收到的设备操作和实时拓扑分析结果嵌入仿真控制流程中，对PSS/E全模型进行潮流计算。

其中，步骤1包括：

从EMS中导出基于标准CIM/E格式的电网模型文件；电网模型文件中包括电力系统中的全部电力设备的信息以及各电力设备之间的连接关系及开关/刀闸模型；其中，EMS为EnergyManagementSystem，即能量管理系统。

如图2所示，步骤2包括：

2-1.调用文件解析器解析电网模型文件，得到符合电网层次库特征的电网层次结构；

2-2.将电网层次结构导入电网层次库中，得到电网模型；电网层次库中包括各电力设备的模型属性以及运行状态。

如图3所示，步骤3包括：

3-1.建立PSS/E计算所需的潮流数据文件，潮流数据文件中的设备以所属节点信息和设备ID作为关键属性；

3-2.将电网层次库中节点记录导出并导入PSS/E数据文件中，得到电力设备在电网层次库及PSS/E计算库中的映射关系；其中，电网层次库与PSS/E计算库的节点编号一一对应。

如图4所示，步骤4包括：

4-1.按照PSS/E数据文件字段顺序，从电网层次库中获取对应的电力设备的记录，生成PSS/E所需的设备结构，并将设备结构导入PSS/E数据文件的字段中；其中，电力设备的记录包括连接节点编号、设备ID以及设备状态信息；

4-2.导出电力设备，并在电网层次库对应的电力设备的记录中，保留电力设备对应的PSS/E关键属性，PSS/E设备关键属性包括连节点编号和设备ID。

其中，将设备结构导入PSS/E数据文件的字段的导入原则包括：

a.PSS/E将开关/刀闸模型当作零阻抗支路处理；在导入数据文件时将开关刀闸设备与支路放置在同一个字段中，并在ID中添加前缀来与支路进行区分；

b.PSS/E中的三绕组变压器模型在建模时将绕组的潮流结果等值为三个两绕组变压器来处理，以中性点为标准侧，主变三侧为非标准侧；

c.发电机缺省当作PV节点进行处理；对于PQ节点，在导入数据文件时将其无功上下限置成与无功值相等。

如图5所示，步骤5包括：

5-1.以电网层次库为外部应用程序的输入及输出接口进行二次开发，建立仿真计算接口层；

5-2.外部应用程序通过计算接口层进行设备状态操作，载入操作类型、设备在层次库的下标以及设备的最终状态，通过层次库与PSS/E计算库对应关系快速定位设备并进行设备状态修改；

5-3.仿真控制进程接收并处理外部应用程序对设备的操作指令，仿真控制进程对PSS/E潮流计算库中的电力设备进行操作；

其中，对电力设备的操作包括：修改PSS/E计算库中的设备数据及同步更新电网层次库中对应的设备状态或者计算结果。

其中，接口层提供的接口函数包括：潮流进程控制类函数、设备状态修改类函数及潮流结果获取类函数；

潮流进程控制类函数包括PSS/E潮流初始化、驱动PSS/E潮流计算及数据文件的装载；

设备状态修改类函数包括开关刀闸状态的调整、发电机和负荷的有功无功调整及变压器档位调节操作，设备状态修改类函数接口同时修改电网层次库和PSS/E计算库中的设备状态；

潮流结果获取类函数为从PSS/E计算库中获取各类设备潮流计算结果并写入电网层次库中。

如图6所示，步骤6包括：

6-1.记录当前的电气岛数量以及电气岛对应的平衡节点；

6-2.在PSS/E全物理模型中，将开关刀闸作为零阻抗支路，使得PSS/E全物理模型中包括非母线节点；

6-3.根据EMS高级应用中的拓扑分析模块，保存当前电网层次库中所有设备的拓扑状态至临时数组中；并将电网层次库中的所有电网设备拓扑状态重置为0；

6-4.以一台带电发电机节点为起始点，采用广度优先或者深度优先的搜索方法，通过电力设备的节点连接关系进行拓扑路径搜索，对搜索过的设备进行拓扑着色；

6-5.拓扑搜索结束后，电网层次库中的所有设备状态和电气岛信息均被更新；将电网层次库的设备状态与临时数组保存的初始状态进行比较，得到发生变化的设备状态；

6-6.根据设备类型调用相应的设备状态修改接口，并修改PSS/E全物理模型中的电力设备状态。

如图7所示，步骤7包括：

7-1.根据电网层次库实时拓扑分析形成的新电气岛信息，判断电气岛的数量是否发生变化；

若是，则进入7-2；

若否，则不进行修正；

7-2.重置当前所有平衡节点，并获取当前所有发电机节点类型，并将平衡节点的节点类型置为普通发电机节点；

7-3.遍历电气岛，将每个电气岛内的最大出力发电机作为该岛平衡机；将PSS/E全物理模型中的平衡机连接的节点类型置为平衡节点。

如图8所示，步骤8包括：

8-1.基于封装的仿真计算接口层，将接收到的设备操作和实时拓扑分析结果嵌入仿真控制流程中，进行仿真流程控制；

8-2.调用接口层潮流计算控制类的潮流计算接口，驱动PSS/E进行完整的潮流计算；

8-3.将单步潮流计算扩展为周期连续计算；每个潮流计算周期中均接收并处理设备操作指令，进行实时拓扑分析，形成完整的潮流计算流程。

如图9所示，本发明提供一种电力系统用全物理模型仿真方法的具体应用例，具体步骤包括：

基于CIM/E全物理模型的扩展PSS/E潮流计算方法，方法包括以下步骤：

步骤1：从EMS系统中导出基于标准CIM/E格式的电网模型文件，模型包含了包括开关刀闸在内的所有电网设备信息以及设备之间的连接关系。

步骤2：开发模型自动生成程序，对导出的CIM/E格式电网模型文件进行解析，建立电网层次型数据库。基于层次库建立PSS/E计算所需的潮流数据文件，并建立设备在在层次库中和PSS/E计算库中的映射关系。

步骤3：使用PSS/E提供的API接口封装成计算接口层，建立仿真控制程序，驱动PSS/E进行连续潮流计算，并通过接口层将计算结果取出存入层次库中。

步骤4：以层次库为对外接口，接收并处理外部应用程序对设备的操作指令；基于EMS高级应用软件的网络拓扑分析模块对拓扑变化后的全模型进行分析，并调用接口层对PSS/E计算库中的设备状态进行修正。

步骤5：将接收设备操作和实时拓扑分析嵌入仿真控制流程中，实现完整的PSS/E全模型潮流计算功能。

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：

1、基于CIM/E的全物理模型建模技术：

以层次库为中间层进行PSS/E计算库建模，提高PSS/E潮流计算的扩展性和灵活性。以节点编号为特征值建立并维护层次库与PSS/E计算库的关联关系，保持数据的实时同步，使层次库形成PSS/E计算库的完整镜像。外部应用程序无需直接访问PSS/E内部计算库，所有设备操作以及计算结果展示都可以通过访问层次库来开展。基于CIM/E的全模型建模按以下步骤进行：

1)调用文件解析器对CIM/E文件进行解析，生成符合层次库特征的电网层次结构。将解析好的结构整体写入层次库中，形成完整的电网模型。导入后的层次库包含了设备的模型属性以及运行状态。

2)PSS/E计算库的设备以所属节点号和设备ID作为关键属性，首先建立PSS/E的节点信息。将层次库中NODE(节点)记录导出并写入PSS/E数据文件的BUS字段中，层次库与PSS/E计算库的节点编号严格一一对应。

3)按照PSS/E数据文件字段顺序从层次库中取出对应设备记录，生成PSS/E所需的设备结构，包括所连接节点编号、设备ID以及设备状态信息等，写入数据文件的对应字段中。从层次库写入PSS/E潮流数据文件是遵循以下原则：

3-1.PSS/E将开关/刀闸模型当作零阻抗支路处理。写入数据文件时开关刀闸设备与支路放在同一个字段中，并在ID中添加前缀来与支路进行区分。其支路电抗值取缺省值0.0001(标幺值)。

3-2.PSS/E提供了三绕组变压器模型，但其中性点没有电压和相角结果，无法计算绕组的潮流结果。三绕组变压器建模时将其等值为三个两绕组变压器来处理，以中性点为标准侧，主变三侧为非标准侧。

3-3.发电机缺省当作PV节点进行处理。对于PQ节点，在写入数据文件时将其无功上下限置成与无功值相等。

4)导出设备时，在层次库对应设备记录下，保留设备对应的PSS/E关键属性，包括所连节点编号和设备ID，通过层次库快速定位设备在PSS/E计算库中的位置。

2、以层次库为接口的PSS/E设备同步操作技术：

以层次库为外部应用程序的输入输出接口，基封装的接口层，仿真控制进程对PSS/E潮流计算库中的设备进行操作。对设备的操作包括了两方面的内容：①修改PSS/E计算库中的设备数据。②同时更新层次库中对应的设备状态或者计算结果，确保层次库与PSS/E计算库保持同步。以外部应用程序操作开关为例，PSS/E设备同步操作技术按以下步骤进行：

1)基于PSS/E的FortranAPI接口进行二次开发，建立仿真计算接口层。接口层提供的接口函数主要分为几类：

A)潮流进程控制类。包括PSS/E潮流初始化、驱动PSS/E潮流计算、数据文件的装载等。

B)设备状态修改类。包括开关刀闸状态的调整、发电机和负荷的有功无功调整、变压器档位调节等操作。这类操作接口同时修改层次库和PSS/E计算库中的设备状态。

C)潮流结果获取类。包括从PSS/E计算库中获取各类设备潮流计算结果并写入层次库中。

2)外部应用程序传入操作类型、设备在层次库的下标以及设备的最终状态。

3)仿真控制进程接收到操作指令后，调用接口层设备状态修改类中的开关状态修改接口函数进行操作。首先定位到层次库开关记录，将该记录中的状态域置为分。

4)从层次库中提取该设备的PSS/E属性(所连接点编号、设备ID)，调用BRANCH_API_2接口修改PSS/E计算库中的开关状态。

3、基于层次库的PSS/E全模型实时拓扑分析技术：

开关刀闸在PSS/E中作为零阻抗支路参与，使得模型中包含了非母线节点。以图10所示的支路为例，节点1、8为母线节点，其余均为非母线节点。当调用接口函数操作开关刀闸时，PSS/E不会对状态变化后的设备重新拓扑，形成拓扑死岛，造成潮流计算异常。以图10为例，当调用设备操作接口拉开线路两端开关时，节点3～6形成一个没有平衡节点的孤岛，导致PSS/E潮流计算错误。

借助EMS高级应用中的拓扑分析模块，对层次库设备连接关系进行实时拓扑分析，结合设备操作接口，对PSS/E设备状态变化后的拓扑问题进行修正，确保PSS/E全模型潮流计算的可靠性。当发生拓扑变化时，PSS/E全模型实时拓扑分析技术按以下步骤进行：

1)保存当前层次库所有设备的拓扑状态到临时数组中。重置层次所有设备拓扑状态为0。

2)以一台带电发电机节点为起始点，采用广度优先或者深度优先等搜索方法，通过设备的节点连接关系进行拓扑路径搜索，对搜索过的设备进行拓扑着色。

3)拓扑搜索结束后，层次库中的所有设备状态和电气岛信息都将被更新。将层次库的设备状态与临时数组保存的初始状态进行比较，找出变化的。

4)根据设备类型调用相应的设备状态修改接口对PSS/E中的设备进行修改。

按上述步骤执行拓扑分析后，PSS/E中节点3～6、刀闸3-4、刀闸5-6、线路4-5的状态置为退出，PSS/E潮流计算正常。

PSS/E需手动指定每个电气岛的平衡节点，无法跟踪电气岛的变化。拓扑变化造成系统电气岛发生变化时，需借助层次库实时拓扑分析对PSS/E平衡节点进行修正。平衡节点的修正按以下步骤进行：

1)进行4.1节实时拓扑分析之前，记录当前的电气岛数量以及电气岛对应的平衡节点。

2)在实时拓扑分析结束后，层次库形成了新的电气岛信息，据此判断电气岛数量是否发生变化。

3)如果电气岛发生变化，先重置当前所有平衡节点。调用GET_BUS_INTEGER接口获取当前所有发电机节点类型，对于平衡节点，使用BUS_API_2接口将节点类型置为普通发电机节点。

4)对电气岛进行遍历，每个电气岛以岛内出力最大发电机为该岛平衡机。调用BUS_API_2接口将PSS/E中平衡机所连的节点类型置为平衡节点。

4、基于接口层的PSS/E全模型潮流计算控制技术：

基于封装的仿真计算接口层，进行仿真流程控制，驱动PSS/E进行完整的潮流计算，将单步潮流计算扩展为周期连续计算。每个潮流计算周期中接收并处理设备操作指令，进行实时拓扑分析分析，形成完整的潮流计算流程。总体结构图如图11所示；潮流计算的总体计算流程如图12所示；基于接口层的PSS/E全模型潮流计算控制流程如下：

1)采用全物理模型建模技术对CIM/E文件进行解析，建立层次库网络模型以及PSS/E潮流计算所需的潮流数据文件。

2)调用接口层潮流控制类接口函数，对PSS/E进行初始化工作，包括计算库初始化、读入潮流数据文件。

3)接收外部应用程序发送的设备操作指令。根据传入的操作类型、设备下标、目标量调用对应的接口层设备操作类接口对层次库和PSS/E计算库中的设备状态进行修改。

4)进行实时拓扑分析判断。保存当前的所有设备拓扑状态和电气岛信息，调用基于层次库的EMS高级应用网络拓扑分析功能进行电网拓扑分析。将分析结果与保存的进行比较，调用对应的设备状态修改类接口对层次库和PSS/E设备状态进行修改。

5)调用接口层潮流计算控制类的潮流计算接口，驱动PSS/E进行潮流计算。

6)调用接口层设备结果获取类接口，从PSS/E计算库中获取各类设备的潮流计算结果并写入层次库中，包括节点电压和相角、线路、变压器潮流等。

7)回到步骤3)，开始下一个潮流周期的计算。

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，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电力系统用全物理模型仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1.获取基于标准CIM/E格式的电网模型文件；

步骤2.解析所述电网模型文件并写入电网层次库中，得到电网模型；

步骤3.根据所述电网层次库，建立PSS/E计算所需的潮流数据文件，并建立电力设备在所述电网层次库及PSS/E计算库中的映射关系；

步骤4.获得计算接口层，并建立仿真控制程序，驱动PSS/E进行连续潮流计算，并通过所述计算接口层将计算结果存入所述电网层次库中，得到PSS/E全物理模型；

步骤5.所述电网层次库接收并处理外部应用程序对设备的操作指令；

步骤6.网络拓扑分析模块分析拓扑变化后的所述PSS/E全模型；

步骤7.修正所述PSS/E计算库中的设备状态；

步骤8.将接收到的设备操作和实时拓扑分析结果嵌入仿真控制流程中，对所述PSS/E全模型进行潮流计算。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：

从EMS中导出基于标准CIM/E格式的电网模型文件；所述电网模型文件中包括电力系统中的全部电力设备的信息、各电力设备之间的连接关系及开关/刀闸模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

2-1.调用文件解析器解析所述电网模型文件，得到符合所述电网层次库特征的电网层次结构；

2-2.将所述电网层次结构导入所述电网层次库中，得到电网模型；所述电网层次库中包括各电力设备的模型属性以及运行状态。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：

3-1.建立PSS/E计算所需的潮流数据文件，所述潮流数据文件中的设备以所属节点信息和设备ID作为关键属性；

3-2.将所述电网层次库中节点记录导出并导入PSS/E数据文件中，得到电力设备在所述电网层次库及PSS/E计算库中的映射关系；其中，所述电网层次库与PSS/E计算库的节点编号一一对应。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

4-1.按照所述PSS/E数据文件字段顺序，从所述电网层次库中获取对应的所述电力设备的记录，生成PSS/E所需的设备结构，并将所述设备结构导入所述PSS/E数据文件的字段中；其中，所述电力设备的记录包括连接节点编号、设备ID以及设备状态信息；

4-2.导出所述电力设备，并在所述电网层次库对应的所述电力设备的记录中，保留所述电力设备对应的PSS/E关键属性，所述PSS/E设备关键属性包括连节点编号和设备ID。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述设备结构导入所述PSS/E数据文件的字段的导入原则包括：

a.PSS/E将开关/刀闸模型当作零阻抗支路处理；在导入数据文件时将开关刀闸设备与支路放置在同一个字段中，并在ID中添加前缀来与支路进行区分；

b.PSS/E中的三绕组变压器模型在建模时将绕组的潮流结果等值为三个两绕组变压器来处理，以中性点为标准侧，主变三侧为非标准侧；

c.发电机缺省当作PV节点进行处理；对于PQ节点，在导入数据文件时将其无功上下限置成与无功值相等。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤5包括：

5-1.以所述电网层次库为外部应用程序的输入及输出接口进行二次开发，建立仿真计算接口层；

5-2.外部应用程序通过计算接口层进行设备状态操作，载入操作类型、设备在层次库的下标以及设备的最终状态，通过层次库与PSS/E计算库对应关系快速定位设备并进行设备状态修改；

5-3.仿真控制进程接收并处理外部应用程序对设备的操作指令，仿真控制进程对所述PSS/E潮流计算库中的所述电力设备进行操作；

其中，对所述电力设备的操作包括：修改所述PSS/E计算库中的设备数据及同步更新所述电网层次库中对应的设备状态或者计算结果。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述接口层提供的接口函数包括：潮流进程控制类函数、设备状态修改类函数及潮流结果获取类函数；

所述潮流进程控制类函数包括PSS/E潮流初始化、驱动PSS/E潮流计算及数据文件的装载；

所述设备状态修改类函数包括开关刀闸状态的调整、发电机和负荷的有功无功调整及变压器档位调节操作，所述设备状态修改类函数接口同时修改所述电网层次库和PSS/E计算库中的设备状态；

所述潮流结果获取类函数为从所述PSS/E计算库中获取各类设备潮流计算结果并写入所述电网层次库中。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤6包括：

6-1.记录当前的电气岛数量以及电气岛对应的平衡节点；

6-2.在所述PSS/E全物理模型中，将开关刀闸作为零阻抗支路，使得所述PSS/E全物理模型中包括非母线节点；

6-3.根据EMS高级应用中的拓扑分析模块，保存当前所述电网层次库中所有设备的拓扑状态至临时数组中；并将所述电网层次库中的所有电网设备拓扑状态重置为0；

6-4.以一台带电发电机节点为起始点，采用广度优先或者深度优先的搜索方法，通过所述电力设备的节点连接关系进行拓扑路径搜索，对搜索过的设备进行拓扑着色；

6-5.拓扑搜索结束后，所述电网层次库中的所有设备状态和电气岛信息均被更新；将所述电网层次库的设备状态与临时数组保存的初始状态进行比较，得到发生变化的设备状态；

6-6.根据设备类型调用相应的设备状态修改接口，并修改所述PSS/E全物理模型中的所述电力设备状态。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤7包括：

7-1.根据所述电网层次库实时拓扑分析形成的新电气岛信息，判断所述电气岛的数量是否发生变化；

若是，则进入7-2；

若否，则不进行修正；

7-2.重置当前所有平衡节点，并获取当前所有发电机节点类型，并将所述平衡节点的节点类型置为普通发电机节点；

7-3.遍历所述电气岛，将每个所述电气岛内的最大出力发电机作为该岛平衡机；将PSS/E全物理模型中的所述平衡机连接的节点类型置为平衡节点。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述步骤8包括：

8-1.基于封装的仿真计算接口层，将接收到的设备操作和实时拓扑分析结果嵌入仿真控制流程中，进行仿真流程控制；

8-2.调用接口层潮流计算控制类的潮流计算接口，驱动PSS/E进行完整的潮流计算；

8-3.将单步潮流计算扩展为周期连续计算；每个潮流计算周期中均接收并处理设备操作指令，进行实时拓扑分析，形成完整的潮流计算流程。