CN108879667A - 一种电网闭环控制潮流仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种电网闭环控制潮流仿真方法，从网/省/地各级控制中心得到各控制中心可观测到的真实电网模型；通过模型拼接，得到网省一体化的全局电网仿真模型；通过模型拆分，得到发电厂模型；进行网省地一体化的全局潮流计算，模拟SCADA系统生成网省一体化电网的仿真状态；网/省各级控制中心从模拟SCADA系统中得到各自可观测电网的实时运行状态，控制计算并送至模拟SCADA系统；模拟SCADA系统接收并执行网/省各级控制中心生成的控制指令，通过全局电网潮流仿真，更新其仿真运行状态。本发明通过模型拼接和合并技术，构造全局电网以及各控制中心可观测到的部分电网模型，以连续的潮流计算来模拟电网的连续变化，通过模拟子站技术来实现仿真电力系统的闭环控制功能。

Description

一种电网闭环控制潮流仿真方法

技术领域

本发明涉及电网相关的技术，特别涉及一种电网闭环控制潮流仿真方法。

背景技术

自动电压控制(Automatic Voltage Control，AVC)系统在保证电网电压合格，提高电网的安全运行水平，改善电压质量，优化无功潮流分布，降低电网网损等方面发挥了重要的作用。采用分级分区电压控制模式的AVC系统在全世界范围内得到了广泛应用，并已成为电网能量管理系统(Energy Management System，EMS)的重要高级应用之一。

自动电压控制系统架构在EMS系统之上，能够利用电网实时运行的数据，从整个系统的角度，科学决策出最佳的无功电压调整方案，自动下发给各个子站装置，以电压安全和优质为约束，以系统运行经济性为目标，连续闭环的进行电压的实时优化控制。可以解决无功电压优化控制方案的在线生成，实时下发，闭环自动控制等一整套分析、决策、控制；再分析，再决策、再控制的无功电压实时追踪控制问题。能够有效地克服传统电网无功电压管理机制中存在的不足，解决电网当前和未来面临的电压控制问题。

自动电压控制系统主要的控制对象包括电厂发电机组和变电站的低压电容器、电抗器等无功设备，以及主变分接头等调压设备。发电机自动电压无功控制装置是电厂侧自动电压-无功优化控制终端，是全网自动电压AVC控制系统的智能节点，具有无功分配、就地控制等智能决策功能，但发电机AVC装置的性能评估还没有专门检定方法。

发明内容

本发明进行了发电机无功自动控制装置虚拟调度终端检定测试方法研究，其中提供一种电网闭环控制潮流仿真方法，根据电网的真实运行数据，对电网进行潮流计算模拟计算。

为了达到上述目的，本发明提供一种电网闭环控制潮流仿真方法，其包含以下的数据交互过程：

从网/省/地各级控制中心得到各控制中心可观测到的真实电网模型；

通过模型拼接，得到网省一体化的全局电网仿真模型；

通过模型拆分，得到发电厂模型；

进行网省地一体化的全局潮流计算，通过模拟SCADA系统生成网省一体化电网的仿真状态；

网/省各级控制中心从模拟SCADA系统中得到各自可观测电网的实时运行状态，并进行控制计算，并发送至模拟SCADA系统；

模拟SCADA系统接收并执行网/省各级控制中心生成的控制指令，通过全局电网潮流仿真，更新其仿真运行状态。

可选地，所述数据交互存在于仿真电力系统和模拟控制中心之间；

所述仿真电力系统通过潮流计算来得到全网的运行状态，接收仿真控制策略并通过潮流调节作用到仿真电网，来改变其运行状态；

所述模拟控制中心负责接收仿真电力系统生成的仿真s电网数据并生成控制策略，并将产生的控制策略送至仿真电力系统。

可选地，对一个包含多个区域的电网，将辖区内的各个独自生成、维护的电网模型，合并成一个满足潮流方程的全局电网模型，包含：

使各个省调AVC系统实时在线以相同的周期、相同的时刻导出省调电网全模型并上送网调，网调检测系统在接收到各省调上送的模型后，实时在线进行模型合并，并在合并后的模型基础上进行状态估计和在线潮流的计算。来消除各个区域的边界上存在的潮流不匹配现象；以及，

统一边界设备的命名规范以及各子区域模型的维护状态，从而在多个子区域电网模型的合并时，得以将用CIM或E语言描述的多个区域的电网模型描述文件，合并成全局电网的CIM模型描述文件或E语言描述文件。

可选地，从省调AVC系统导出地区电网电力系统模型的CIM/XML格式；从省调EMS系统中将电网实时数据导出到E格式文本；其中，各区域提供的CIM模型包含静态模型，所述E格式文本包含量测数据。

可选地，对省调模型进行模型的拆分和拼接，包含以下过程：

导入省调电网模型，完成状态估计计算；

根据省调定义的外网厂站，对省调人工建立的外网模型进行拆分，去掉人工建立的省调外网模型；

将网调电网部分模型进行拆分，去掉各个省调电网模型中的内网部分；

按照联络线或者主变，完成网-省模型的拼接，使拼接后大模型的内部电网模型与网调EMS系统模型一致；

进行模型的比较和校核：模型合并完成后，与上次更新的模型进行比较；给出模型增加、删除和修改信息；

给出合并模型的状态估计和潮流计算结果，并将合并后的到模型导入到网调AVC的实时计算模型中。

可选地，模型拆分时，基于网省一体的模型，自动按照电厂目录生成单个电厂的CIM模型；通过电厂目录自动生成CIM-E格式的四遥点表，用于仿真平台和各个仿真子站的数据通信。

可选地，将从现场获得的离散的数据断面，生成一系列秒级的连续断面，包含：

单断面扩展：对于孤立断面，将其作为初始状态，人工给定系统负荷变化曲线，按照发电负荷同比例增长的方式得到一设定时段内的电网连续变化状态；或者，

多断面拟合：已有设定时间段内的若干数据断面时，以这若干数据断面为基础，拟合得到该时间段内的电网连续变化状态。

可选地，所述仿真电力系统和模拟控制中心之间进行多用户任务并行处理：

仿真电力系统所在的主机为SCADA数据发生器，在SCADA数据发生器上驻留电力系统模拟多线程进程，每一个线程常驻内存并实现各自指定功能，各线程之间通过共享内存进行信息交互，并通过线程锁来避免线程冲突，保证其顺序执行；

利用中间件来实现仿真电力系统和模拟控制中心之间的1对N数据通信；仿真电力系统作为服务端，提供接收控制策略和更新电网状态的服务接口；模拟控制中心作为客户端，利用发送控制策略和接收电网状态的接口完成与仿真电力系统的信息交互。

可选地，所述电网闭环控制潮流仿真方法适用于AVC子站的检定平台。

本发明提供的一种电网闭环控制潮流仿真方法，通过模型拼接和合并技术，构造全局电网以及各控制中心可观测到的部分电网模型，以连续的潮流计算来模拟电网的连续变化，通过模拟子站技术来实现仿真电力系统的闭环控制功能。

附图说明

图1是电网闭环控制潮流仿真的系统结构示意图；

图2是省调AVC导出电网模型流程图；

图3是网调AVC合并省调模型示意图；

图4是多用户任务并行处理示意图。

具体实施方式

在华东电网D5000的调度III区中，建立一种基于“网省一体化电网控制数字仿真技术”的检定平台，以提前检测AVC子站的不足来进行改进，保证AVC子站稳定运行，提高电网的电压质量。

平台需要建立完整的AVC平台功能，使得AVC能够完整的运行。AVC能够自动获取模型，自动保存和装载AVC控制模型，根据时钟来计算出AVC控制指令，发送控制指令到检定电厂子站。电厂检定子站从基础平台数据中心中获取电厂子站模型，并采集当前的电网数据，用于计算。接收到AVC控制指令后，检定子站计算出控制结果，发送到子站模拟单元，子站模拟单元模拟发电厂调节作用，调节完成后，反馈数据到基础平台数据中心；完成一个控制逻辑；最终控制一段时间后，由子站模拟评估单元给出检定子站的技术评估数据。

所述“网省一体化电网控制数字仿真技术”的其中一项，是根据电网的真实运行数据，对电网进行潮流计算的模拟计算。为此，本发明提供一种电网闭环控制潮流仿真方法，通过模型拼接和合并技术，构造全局电网以及各控制中心可观测到的部分电网模型，以连续的潮流计算来模拟电网的连续变化，通过模拟子站技术来实现仿真电力系统的闭环控制功能。

如图1所示，电网闭环控制潮流仿真系统包含仿真电力系统和模拟控制中心两个模块：

所述仿真电力系统通过潮流计算来得到全网的运行状态，同时支持接收仿真控制策略并通过潮流调节作用到仿真电网，从而改变其运行状态；

所述模拟控制中心负责接收仿真电力系统生成的仿真s电网数据并生成控制策略，并将产生的控制策略送至仿真电力系统。

在仿真过程中，仿真电力系统和模拟控制中心之间存在数据交换，数据交互过程描述如下：

(1)从网/省/地各级控制中心得到各控制中心可观测到的真实电网模型；

(2)通过模型拼接技术，得到网省一体化的全局电网仿真模型；

(3)通过模型拆分技术，得到发电厂模型；

(4)进行网省地一体化的全局潮流计算，模拟构造数据采集与监视控制系统(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA)，生成网省一体化电网的仿真状态；

(5)网/省各级控制中心从模拟SCADA中得到各自可观测电网的实时运行状态，并进行控制计算，并发送至模拟SCADA；

(6)模拟SCADA接收并执行网/省各级控制中心生成的控制指令，通过全局电网潮流仿真，更新其仿真运行状态。

多区域电网模型合并

我国的电力系统具有高度互联的特点，分级分区的管理方式。因此对于一个包含多个区域的大规模电网，需要将辖区内的各个独立的电网模型合并成一个完整的、满足潮流方程的全局电网模型，是电网建模的一个关键技术。多区域电网模型合并又包含了两个子问题：其一是各个区域的电网模型是独自生成，维护的，在各个区域的边界上存在潮流不匹配的现象，需消除这些不匹配的潮流失配量，得到一个满足潮流方程的全局电网模型。其二是对于用CIM或E语言描述的多个区域的电网模型描述文件，需合并成全局电网的CIM模型描述文件或E语言描述文件。

对于后一个问题，无论是基于CIM的电网模型还是基于E语言的电网模型，都有很好的开放性，只要能够统一边界设备的命名规范以及各子区域模型的维护状态良好，就可以方便地实现多个子区域电网模型的合并。

而前一个问题，本发明采用了实时在线模型导出与合并的方法。即各个省调AVC系统实时在线以相同的周期(5～15分钟)、相同的时刻导出省调电网全模型并上送网调，网调检测系统在接收到各省调上送的模型后，实时在线进行模型合并，并在合并后的模型基础上进行状态估计和在线潮流的计算，由于各个省调采用相同时刻进行模型导出上送，其与网调模型的边界潮流不匹配量较小，可以满足在线优化计算的要求。

省调AVC完成地区电网电力系统模型的CIM/XML的导出

为了从省调AVC自动导出符合IEC61970标准的CIM模型，CIM模型中应当包括电网网络结构、元件参数和量测映射关系等。根据国网公司《电网运行数据交换规范》的要求，将各省调的模型和电网运行数据导出。

公共信息模型(CIM，Common Information Model)是整个IEC61970标准的基础部分，提供了EMS信息物理方面的逻辑视图。它表示了EMS信息模型中典型包含的电力企业的主要对象，包含了这些对象的公共类和属性，以及它们之间关系。CIM采用一种可视化的面向对象的统一建模语言(UML，Unified Modeling Language)来描述，CIM定义了Domain、Core、Topology、Meas、Wires、Generation(这个包分为GenerationDynamics和Production两个子包)、LoadModel、Outage、Protection、SCADA、EnergyScheduling、Reservation和Financial等14个类包，其中包含了约300个电力系统资源类，标准非常复杂而庞大。

要实现基于CIM/XML的导入导出，技术难点是如何通过对CIM复杂语义的深入理解，正确完成原有的DTS数据库和CIM对象模型之间的模型转换。

CIM的导入/导出的原理如图2所示。UML定义的CIM模型文件通过CIM实时数据库自动生成器进入CIM数据存储器，EMS实时数据库通过表入/表出处理程序与CIM数据存储器交换数据，CIM数据存储器通过导入/导出程序得到CIM/XML文本文件。

导出的CIM-XML格式需要满足以下技术规范：

CIM模型文件的设备名称需要保持时间维度上的一致性，也就是说一个设备的名称一旦确定不可以变更(除非从模型中去除)。

导线类Conductor的电阻、电抗、容纳均采用标么值，大小为标么值*100，避免数值理解的歧义。线路电纳指为半容纳。

变压器绕组的支路参数直接通过标么值:r、x、g、b等来描述。不通过WindingTest来进行二次计算，以避免由于计算方法的不同导致的模型偏差。

通过Terminal.Measurements实现量测的位置信息(如线路首末端信息)。

考虑到潮流计算信息的完整性，需要扩充发电机潮流计算节点类型(PH、PV、PQ)和发电机机端电压，以及发电机的厂用电率。

节点类型：SynchronousMachine.nodeType string(“PH”、“PV”、“PQ”)

厂用电率：SynchronousMachine.psa float

机端电压：SynchronousMachine.nodeV float

扩展SubControlArea，增加关系表明各SubControlArea之间的父子关系，即对应现实世界中调度上下级层次关系。

SubControlArea.MemberOf_ControlArea表明本SubControlArea的父SubControlArea。

对发电机的暂态模型参数进行相应扩展以满足动态仿真的要求。

国调考核规范中要求提供电压考核基值和功率考核基值，以便后续高级应用软件的计算。

这两个信息需要对CIM中的BaseVoltage进行扩展，扩展模式如下：

电压考核基值cimNC:BaseVoltage.baseU

功率考核基值cimNC:BaseVoltage.baseS

为了支持后续高级应用软件的计算，交流线段需要提供电流限值，这个信息可以通过对CIM中的ACLineSegment进行扩展，扩展模式如下：

电流限值cimNC:ACLineSegment.maxCurrent

从减小文件大小、减少内存消耗和提高文件处理效率的角度，CIM模型应该遵循SRDF(简化RDF)标准，即“一对多”关联体现在“多”侧。

由于量测数据从E格式文件中获取，因此为了进一步提高模型拼接的效率，各区域提供的CIM模型只需要包含静态模型即可，即将目前各区域提供的CIM全模型中的量测部分(Measurement、MeausureType、MeasurementValueSource、MeasurementValue)去掉。

省调AVC完成地区电网E格式量测数据的导出

从省调EMS系统中将电网实时数据导出到E格式文本中，实现按照E格式文本规范导入E格式文本。

量测文件原则上一个断面一个文件，文件定义采用TXT文本格式，量测数据包括有功、无功、电流、电压、档位、开关刀闸状态等。

量测值和量测状态依次成对出现，前面一个是量测值、后面一个是量测状态，如有功值/有功量测状态，无功值/无功量测状态。

对于遥测值，采用数字描述其大小；对于遥信，1表示为合，0表示为分；

量测状态中0表示无效，1表示有效；

采用厂站名和设备名定位量测，因此一个厂站内同一类型设备名必须唯一。变压器一个绕组的量测占一行信息，其绕组名为设备名，必须站内唯一。

功率量测正负号含义规定如下：设备潮流量测为正时，对发电机、电容器/电抗器分别表示“流出”，对线路、绕组、负荷分别表示“流入”。

网调检定系统完成网调和省调电网模型拼接及合并

网地模型拼接关口可以以联络线路或者主变作为拼接关口。省调定义的220kV设备在大模型中都被省调的模型替换，220kV设备名称及厂站为省调EMS系统名称。

需要对省调模型进行模型的拆分和拼接。将省调模型中省网定义部分去除，将省调模型中定义的内网设备拼接到大模型中，形成内部电网模型与省网模型一致。

模型拆分及合并的原理如图3所示，包含以下的过程：

首先导入省调电网模型，完成状态估计计算。剔除模型中的错误；

根据省调定义的外网厂站，对省调人工建立的外网模型进行拆分，去掉人工建立的省调外网模型；

将网调电网部分模型进行拆分，去掉各个省调电网模型中的内网部分；

按照联络线或者主变，完成网-省模型的拼接。保证拼接后大模型的内部电网模型与网调EMS系统模型一致；

进行模型的比较和校核。模型合并完成后，与上次更新的模型进行比较；给出模型增加、删除和修改信息。提示模型的变化和差异，减少不必要的模型错误；

给出合并模型的状态估计和潮流计算结果，并将合并后的到模型导入到网调AVC的实时计算模型中。

模型拆分

基于网省一体的模型，自动按照电厂目录生成单个电厂的CIM模型(expcime命令导出)，用于电厂检测子站的模型导入模型中包含以下内容：

表1基于电厂目录生成的CIM-E模型文件

通过电厂目录自动生成CIM-E格式的四遥点表，用于仿真平台和各个仿真子站的数据通信。包含以下内容：

表2基于电厂目录生成的CIM-E四遥点表文件

连续数据断面拟合

仿真系统能从实际现场拿到一个或者多个离散时间点(时间间隔约为分钟级)的数据断面，而为了实现电力系统的秒级连续仿真，将离散的数据断面生成一系列秒级的连续断面。而为了实现电力系统的连续仿真，需要准备一系列连续断面。

本发明给出两种连续断面生成方式：

(1)单断面扩展

假设只有某一孤立断面，则可将该断面作为初始状态(即0时刻的状态)，人工给定系统负荷变化曲线，按照发电负荷同比例增长的方式得到某一时段内的电网连续变化状态。需要注意的是在拟合过程中，全网网损的偏差量会累积到平衡机上，因此需要根据平衡机的偏差量，进一步调整各发电机有功出力，避免了平衡机有功出力的异常。

(2)多断面拟合

假设已有某一时间段内的若干数据断面，则可以这若干连续数据断面为基础，拟合得到该时段内的电网连续变化状态。多断面拟合的本质就是将一个间隔周期较长的数据断面序列通过插值的方法得到一个间隔周期较短的更接近于连续变化的数据断面序列，在拟合过程中需要根据平衡机的出力变化对全网发电机出力进行修正。

多用户任务并行处理

仿真电力系统和模拟控制中心之间存在如下的信息交互问题：

(1)在仿真电力系统内部中，需要同时进行潮流仿真、接收模拟控制策略和更新模拟电网状态等多项任务，并且任务之间还需要交互信息和时序配合。

(2)在实际电力系统中，控制对象(即电力系统)只有一个，而有多个控制中心，每一个控制中心都需要从电力系统中获取实时数据并将控制策略作用于电网，两者通过已有的调度数据网进行通信。类似地，在仿真控制系统中如何实现一个仿真电力系统和多个控制中心(我们称之为用户)之间的信息交互。

为此，本系统采用多用户任务并行处理技术来解决上述问题。

(1)多任务调度技术：如圈①内容所示，利用多线程+共享内存+线程锁技术来解决多任务协调并存问题。将仿真电力系统所在的主机称为SCADA数据发生器(简称数据发生器)，在数据发生器上驻留电力系统模拟多线程进程，每一个线程常驻内存并实现特定功能(比如计算功能、接收控制策略功能或更新电网状态功能等)，各线程之间通过共享内存进行信息交互，并通过线程锁来避免线程冲突,保证其顺序执行。

(2)多用户访问技术：如圈②内容所示，利用中间件技术来实现仿真电力系统和模拟控制中心之间的1对N数据通信。作为服务端，仿真电力系统提供接收控制策略和更新电网状态两个服务接口，作为客户端，模拟控制中心利用发送控制策略和接收电网状态两个接口完成与服务端(仿真电力系统)的信息交互。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，包含以下的数据交互过程：

从网/省/地各级控制中心得到各控制中心可观测到的真实电网模型；

通过模型拼接，得到网省一体化的全局电网仿真模型；

通过模型拆分，得到发电厂模型；

进行网省地一体化的全局潮流计算，通过模拟SCADA系统生成网省一体化电网的仿真状态；

网/省各级控制中心从模拟SCADA系统中得到各自可观测电网的实时运行状态，并进行控制计算，并发送至模拟SCADA系统；

模拟SCADA系统接收并执行网/省各级控制中心生成的控制指令，通过全局电网潮流仿真，更新其仿真运行状态。

2.如权利要求1所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，

所述数据交互存在于仿真电力系统和模拟控制中心之间；

所述仿真电力系统通过潮流计算来得到全网的运行状态，接收仿真控制策略并通过潮流调节作用到仿真电网，来改变其运行状态；

所述模拟控制中心负责接收仿真电力系统生成的仿真s电网数据并生成控制策略，并将产生的控制策略送至仿真电力系统。

3.如权利要求1所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，

对一个包含多个区域的电网，将辖区内的各个独自生成、维护的电网模型，合并成一个满足潮流方程的全局电网模型，包含：

使各个省调AVC系统实时在线以相同的周期、相同的时刻导出省调电网全模型并上送网调，网调检测系统在接收到各省调上送的模型后，实时在线进行模型合并，并在合并后的模型基础上进行状态估计和在线潮流的计算。来消除各个区域的边界上存在的潮流不匹配现象；以及，

统一边界设备的命名规范以及各子区域模型的维护状态，从而在多个子区域电网模型的合并时，得以将用CIM或E语言描述的多个区域的电网模型描述文件，合并成全局电网的CIM模型描述文件或E语言描述文件。

4.如权利要求3所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，

从省调AVC系统导出地区电网电力系统模型的CIM/XML格式；从省调EMS系统中将电网实时数据导出到E格式文本；其中，各区域提供的CIM模型包含静态模型，所述E格式文本包含量测数据。

5.如权利要求1所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，

对省调模型进行模型的拆分和拼接，包含以下过程：

导入省调电网模型，完成状态估计计算；

根据省调定义的外网厂站，对省调人工建立的外网模型进行拆分，去掉人工建立的省调外网模型；

将网调电网部分模型进行拆分，去掉各个省调电网模型中的内网部分；

按照联络线或者主变，完成网-省模型的拼接，使拼接后大模型的内部电网模型与网调EMS系统模型一致；

进行模型的比较和校核：模型合并完成后，与上次更新的模型进行比较；给出模型增加、删除和修改信息；

给出合并模型的状态估计和潮流计算结果，并将合并后的到模型导入到网调AVC的实时计算模型中。

6.如权利要求1所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，

模型拆分时，基于网省一体的模型，自动按照电厂目录生成单个电厂的CIM模型；通过电厂目录自动生成CIM-E格式的四遥点表，用于仿真平台和各个仿真子站的数据通信。

7.如权利要求1所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，

将从现场获得的离散的数据断面，生成一系列秒级的连续断面，包含：

单断面扩展：对于孤立断面，将其作为初始状态，人工给定系统负荷变化曲线，按照发电负荷同比例增长的方式得到一设定时段内的电网连续变化状态；或者，

多断面拟合：已有设定时间段内的若干数据断面时，以这若干数据断面为基础，拟合得到该时间段内的电网连续变化状态。

8.如权利要求2所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，

所述仿真电力系统和模拟控制中心之间进行多用户任务并行处理：

仿真电力系统所在的主机为SCADA数据发生器，在SCADA数据发生器上驻留电力系统模拟多线程进程，每一个线程常驻内存并实现各自指定功能，各线程之间通过共享内存进行信息交互，并通过线程锁来避免线程冲突，保证其顺序执行；

利用中间件来实现仿真电力系统和模拟控制中心之间的1对N数据通信；仿真电力系统作为服务端，提供接收控制策略和更新电网状态的服务接口；模拟控制中心作为客户端，利用发送控制策略和接收电网状态的接口完成与仿真电力系统的信息交互。

9.如权利要求1-8中任意一项所述电网闭环控制潮流仿真方法，其特征在于，所述电网闭环控制潮流仿真方法适用于AVC子站的检定平台。