CN116706901B - 融合gis及多元信息的电网仿真数据生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力系统仿真计算领域，提供了一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法及系统。其中，融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法包括提取并标准化GIS数据；基于最近相连原则及上述GIS数据进行拓扑辨识，形成电力系统组件互联的电力拓扑关系；获取源荷分区统计数据、人口与经济发展水平统计数据及资源禀赋统计数据，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解；基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型，形成包含仿真模型参数的电力系统数据库；从电力系统数据库中抽取面向设定仿真应用的电网数据，生成预设格式的电网仿真数据文件。
Description
技术领域
本发明属于电力系统仿真计算领域，尤其涉及一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
以当前电力系统网架及电源为起点，结合能源转型背景下电网特征，分析未来电网发展变化规律及其演化方案，对于提升电力系统宏观认知、指导其合理发展具有重要意义。
电力系统仿真数据是电网演化分析与研究的基础，获得相对准确的仿真数据是形成可信电网演化方案的关键。目前，生成电力系统仿真数据主要包括两种方法：一是基于电网企业的资产信息台账，将各电气设备的互联关系及电气参数映射为可用于分析计算的仿真数据文件；二是基于复杂网络理论、图论等理论工具，从电网互联中的节点、边特征出发合成虚拟电网。
其中，方法一依赖电网及发电企业提供其视为机密数据的资产设备台账，多数情况下难以实现，特别是跨区域、多国家的电力系统仿真数据生成十分困难，导致该方法仅用于电网企业内部而无法广泛推广；方法二依赖网络理论模型及表征随机因素的数学模型，与实际电网几乎无对照性，也无法反映人为决策在电网发展中的作用，导致该方法仅用于理论研究而无法用于实际电网演化方案分析。
综上所述，现有电网仿真数据生成存在依赖电网企业保密数据而获取困难、应用场景受限和合成电网与实际电网缺乏对照性的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法及系统，其不依赖电网企业保密数据，且能够尽可能贴近实际电网。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法。
一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其包括：
提取并标准化变电站GIS数据、线路GIS数据和电源站GIS数据；
基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识，形成电力系统组件互联的电力拓扑关系；
获取源荷分区统计数据、人口与经济发展水平统计数据及资源禀赋统计数据，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解；
根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型；根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数，进而构建出包含仿真模型参数的电力系统数据库；
从电力系统数据库中抽取面向设定仿真应用的电网数据，生成预设格式的电网仿真数据文件。
作为一种实施方式，基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识的过程包括：
设置线路索引为1；
读取线路起点与终点的经纬度坐标；
计算线路起点和终点与任一变电站、电源站间的距离；
从所有距离中查找最小值并与最大允许距离偏差比较，若最小距离小于或等于最大允许距离偏差，则将线路起点或终点与对应站点相连接；否则，新增变电站节点数据，并将线路与新增变电站节点相连接；
检查是否遍历所有线路，若是，则完成拓扑辨识，实现线路与站点相连接，若否，则线路索引增1，且读取线路起点与终点的经纬度坐标，继续下一条线路拓扑连接。
作为一种实施方式，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解，包括负荷分解和电源分解这两部分。
作为一种实施方式，负荷分解的过程为：
遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域；
对每一个区域内每个变电站，根据变电站电压等级确定供电范围，结合变电站经纬度坐标、供电范围及人口/经济地理信息统计地图计算各变电站供电人口或GDP总量占比作为电力负荷占比；
将区域内各变电站电力负荷占比与区域总负荷相乘，得到变电站供电负荷数值。
作为一种实施方式，电源分解的过程为：
当未给出电源站GIS文件时，根据区域电源装机容量及资源禀赋分解；
遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域；
对每一个区域内每个变电站，根据变电站经纬度坐标及各类资源丰度地理信息统计地图计算各变电站在本区域内煤炭资源、水资源、风资源及光资源装机占比；
将区域内各类电源装机占比与区域各类装机总容量相乘，得到变电站各类装机容量。
作为一种实施方式，根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型的过程为：
遍历变电站数据记录，根据变电站省份确定其高原/平原区域位置，根据变电站电压确定电压等级，根据变电站所连源荷计算净负荷确定变电站容量；
根据变电站容量、电压等级和区域信息，确定变电站内电压等级及母线、变压器型号及连接关系、站内无功补偿设备型号；
根据设备配置将变电站具体化为互联设备，将变电站与线路互联具体化为与站内对应母线相连；
遍历线路数据记录，根据线路省份确定其高原/平原区域位置，根据线路电压确定电压等级，根据线路长度确定线路传输容量；
根据线路容量、电压等级和区域信息，确定线路导体型号及并联高抗型号；
遍历电源站数据记录，根据电源站省份确定其高原/平原区域位置，根据电源站一次能源类型及容量，确定电源站并网电压等级、变压器和发电机组配置，并将电源站与线路互联具体化为线路与站内对应母线相连。
作为一种实施方式，根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数的过程为：
遍历变电站站内设备，采用T等值电路建模变压器并计算变电站变压器参数，采用并联无功补偿功率建模无功补偿设备，采用恒功率建模节点负荷；
遍历线路，采用PI等值建模交流线路；
遍历电源站站内设备，变压器、无功补偿设备电气模型及参数，采用恒功率和功率范围建模发电机组。
作为一种实施方式，提取并标准化变电站GIS数据的过程为：
加载变电站GIS数据文件系统；
读取变电站GIS数据的属性信息及地理位置信息；
逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含变电站名称、状态、国家、电压、洲别、管理者及经纬度地理信息的数据结构。
作为一种实施方式，提取并标准化线路GIS数据的过程为：
加载线路GIS数据文件系统；
读取线路GIS数据的属性信息及地理位置信息；
逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含线路状态、国家、电压、洲别、管理者、长度及起点与终点经纬度地理信息的数据结构。
作为一种实施方式，提取并标准化电源站GIS数据的过程为：
加载电源站GIS数据文件系统；
读取电源站GIS数据的属性信息及地理位置信息；
逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含电源站状态、国家、电压、洲别、管理者、长度及起点与终点经纬度地理信息的数据结构。
本发明的第二个方面提供一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成系统。
一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成系统，其包括：
GIS数据提取模块，其用于提取并标准化变电站GIS数据、线路GIS数据和电源站GIS数据；
拓扑辨识模块，其用于基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识，形成电力系统组件互联的电力拓扑关系；
源荷分解模块，其用于获取源荷分区统计数据、人口与经济发展水平统计数据及资源禀赋统计数据，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解；
数据库构建模块，其用于根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型；根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数，进而构建出包含仿真模型参数的电力系统数据库；
仿真数据文件生成模块，其用于从电力系统数据库中抽取面向设定仿真应用的电网数据，生成预设格式的电网仿真数据文件。
作为一种实施方式，在所述拓扑辨识模块中，基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识的过程包括：
设置线路索引为1；
读取线路起点与终点的经纬度坐标；
计算线路起点和终点与任一变电站、电源站间的距离；
从所有距离中查找最小值并与最大允许距离偏差比较，若最小距离小于或等于最大允许距离偏差，则将线路起点或终点与对应站点相连接；否则，新增变电站节点数据，并将线路与新增变电站节点相连接；
检查是否遍历所有线路，若是，则完成拓扑辨识，实现线路与站点相连接，若否，则线路索引增1，且读取线路起点与终点的经纬度坐标，继续下一条线路拓扑连接。
作为一种实施方式，在所述数据库构建模块中，根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型的过程为：
遍历变电站数据记录，根据变电站省份确定其高原/平原区域位置，根据变电站电压确定电压等级，根据变电站所连源荷计算净负荷确定变电站容量；
根据变电站容量、电压等级和区域信息，确定变电站内电压等级及母线、变压器型号及连接关系、站内无功补偿设备型号；
根据设备配置将变电站具体化为互联设备，将变电站与线路互联具体化为与站内对应母线相连；
遍历线路数据记录，根据线路省份确定其高原/平原区域位置，根据线路电压确定电压等级，根据线路长度确定线路传输容量；
根据线路容量、电压等级和区域信息，确定线路导体型号及并联高抗型号；
遍历电源站数据记录，根据电源站省份确定其高原/平原区域位置，根据电源站一次能源类型及容量，确定电源站并网电压等级、变压器和发电机组配置，并将电源站与线路互联具体化为线路与站内对应母线相连。
作为一种实施方式，在所述数据库构建模块中，根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数的过程为：
遍历变电站站内设备，采用T等值电路建模变压器并计算变电站变压器参数，采用并联无功补偿功率建模无功补偿设备，采用恒功率建模节点负荷；
遍历线路，采用PI等值建模交流线路；
遍历电源站站内设备，变压器、无功补偿设备电气模型及参数，采用恒功率和功率范围建模发电机组。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明适用于基于多元公开可得信息生成电力系统仿真数据，通过GIS数据提取获取电力系统所包含的变电站、线路及电源站位置、名称、电压等基本信息，通过拓扑辨识确定各站点与线路间互联关系，融合区域源荷统计信息、人口经济及资源禀赋统计数据与节点位置信息实现源荷空间分析，进一步结合变电站、线路典型设计方案及典型设备电气参数，将互联设备转化为采用典型参数的电气模型，最后根据仿真分析场景和商用软件需求提取与生成符合设定格式的仿真数据文件。通过上述数据提取与融合过程，本发明可生成拓扑及设备分布与实际电网十分贴近的电力系统仿真数据，可反映对应地区电网发展历史及现状，包含了经济、社会因素影响及人主观决策结果；同时，所提方法不依赖电网资产台账等保密数据，可应用于世界各国家与地区的电网仿真数据生成。
(2)本发明的多元信息融合的电网仿真数据生成方法，基于电网GIS信息、地区与国家源荷统计信息、国家及行业设计规范、人口经济与资源禀赋统计信息等公开信息进行电力系统仿真数据生成，解决了现有仿真数据生成依赖电网企业保密数据而获取困难、应用场景受限和合成电网与实际电网缺乏对照性的问题，可用于生成任何公开电网基本架构及用电统计的国家和地区的电力系统仿真数据，显著扩大了仿真数据生成的应用范围。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法整体流程；
图2为本发明实施例的GIS数据提取与标准化流程；
图3为本发明实施例的多元数据融合流程；
图4为本发明实施例的拓扑辨识流程；
图5为本发明实施例的某省的电力系统拓扑辨识结果；
图6为本发明实施例的某省的电力系统仿真数据潮流电压计算结果；
图7为本发明实施例的某省的电力系统仿真数据潮流计算结果。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
电力系统仿真数据是对电力系统所包含设备电气模型及其互联关系的描述，根据应用不同，仿真数据通常可分为潮流计算数据、动态分析或稳定计算数据、短路计算数据等不同类型，不同类型仿真数据与电气设备的不同电气模型对应。电网及发电企业资产台账记录了电力系统设备类型、位置、参数及互联关系，可根据台账数据一一建立各设备电气模型，并确定其互联关系，然而资产数据属于各企业机密数据而难以获取，因此该方式主要用于企业内部生成仿真数据而对公众保密；为避免使用企业机密数据，合成电网生成仿真数据被提出，该方法基于复杂网络理论、图论等理论直接生成电网的节点与边而形成虚拟电网，但该方法未利用实际信息，生成的仿真数据缺乏实际对照，无法用于国家或区域电网演化方案生成。尽管准确的电力系统仿真数据属于企业私有数据，但电力企业、政府或协会会定期发布电力/能源系统的地理接线现状及其发展规划，同时还会统计公布全国及分区域装机、用电情况以及各区域典型负荷曲线。上述公开信息可宏观描述电力系统整体信息，基本可确定电力系统规模、分布及位置走向，进一步考虑到电力系统设计规划通常遵循国家及行业标准，并采用系列化标准产品构建，因此可综合上述信息生成与实际系统基本相符的电力系统仿真数据。
针对上述问题及可用数据，本专利提出基于多元信息融合生成电力系统仿真数据的方法，首先利用GIS信息确定电力系统所包含变电站、电源站和输电线路的空间位置、所有者、电压等级、容量等基本信息；然后根据最近相连原则确定站点、线路互联关系而形成网络拓扑；继而结合站点地理位置、人口经济与资源统计信息确定系统源荷接入方式；进一步结合设计规范确定各类变电站、线路及电源站采用的典型设备配置及设备参数，构建各设备电气模型；最后根据具体仿真应用提取所需设备参数，并构建商用软件可识别的仿真计算文件。下述方案描述中以潮流计算为目标场景进行论述，但融合发电机、线路等设备动态模型参数后也可用于动态分析、短路计算等其他场景。以下结合附图论述所提出的电力系统仿真数据生成方法。
实施例一
根据图1所示，本实施例提供了一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其具体包括如下步骤：
步骤1：提取并标准化变电站GIS数据、线路GIS数据和电源站GIS数据，如图2所示。
在步骤1中，提取并标准化变电站GIS数据的过程为：
步骤1.1.1：加载变电站GIS数据文件系统；比如变电站GIS数据shapefile文件系统包括存储属性信息和形状信息数据的主文件(*.shp)、索引文件(*.shx)、数据文件(*.dbf)；
步骤1.1.2：读取变电站GIS数据的属性信息及地理位置信息；
步骤1.1.3：逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含变电站名称、状态、国家、电压、洲别、管理者及经纬度地理信息的数据结构。
在步骤1中，提取并标准化线路GIS数据的过程为：
步骤1.2.1：加载线路GIS数据文件系统；比如线路GIS数据shapefile文件系统包括存储属性信息和形状信息数据的主文件(*.shp)、索引文件(*.shx)、数据文件(*.dbf)；
步骤1.2.2：读取线路GIS数据的属性信息及地理位置信息；
步骤1.2.3：逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含线路状态、国家、电压、洲别、管理者、长度及起点与终点经纬度地理信息的数据结构。
在步骤1中，提取并标准化电源站GIS数据的过程为：
步骤1.3.1：加载电源站GIS数据文件系统；比如电源站GIS数据shapefile文件系统包括存储属性信息和形状信息数据的主文件(*.shp)、索引文件(*.shx)、数据文件(*.dbf)；
步骤1.3.2：读取电源站GIS数据的属性信息及地理位置信息；
步骤1.3.3：逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含电源站状态、国家、电压、洲别、管理者、长度及起点与终点经纬度地理信息的数据结构。
步骤2：基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识，形成电力系统组件互联的电力拓扑关系。
在具体实施过程中，如图4所示，基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识的过程包括：
步骤2.1：设置线路索引为1；
步骤2.2：读取线路起点与终点的经纬度坐标；
步骤2.3：计算线路起点和终点与任一变电站、电源站间的距离d；其计算公式如下：
d＝R·cos-1(cosY1·cosY2·cos(X1-X2)+sinY1·sinY) (1)
式中，X1,Y1为线路起点及终点的经度和纬度，X2,Y2为变电站或电源站经度及纬度坐标，R为地球半径，取6371km。
步骤2.4：从所有距离中查找最小值并与最大允许距离偏差比较，若最小距离小于或等于最大允许距离偏差，则将线路起点或终点与对应站点相连接；否则，新增变电站节点数据，并将线路与新增变电站节点相连接；
步骤2.5：检查是否遍历所有线路，若是，则完成拓扑辨识，实现线路与站点相连接，若否，则线路索引增1，且读取线路起点与终点的经纬度坐标，继续下一条线路拓扑连接。
步骤3：获取源荷分区统计数据、人口与经济发展水平统计数据及资源禀赋统计数据，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解，如图3所示。。
具体地，源荷分区统计数据的来源如下：
基于政府、企业或行业协会公布的各地区年用电量、最大负荷、典型日负荷曲线、年日最大负荷曲线等年度电力负荷信息；
基于政府、企业或行业协会公布的火电、水电、风电、核电、光电、生物质发电等各种类型电源的装机容量。
具体地，人口与经济发展水平统计数据形成，具体包括：
基于政府或行业协会公布的各地区人口总数、单位平方公里内人数、区域GDP总量、人均GDP总量等统计数据，形成地理信息与人口/经济水平对应的统计地图(后面称为人口/经济地理信息统计地图)。
具体地，资源禀赋统计数据形成，具体包括：
基于政府或行业协会公布的各地区单位平方公里内煤炭资源、水资源、风资源及光资源丰富度，形成地理信息与各类资源丰富度对应的统计地图，进而形成资源丰度地理信息统计地图。
其中，基于人口经济或资源禀赋比例的源荷分解，用于将区域负荷或装机按照人口经济水平或资源禀赋水平成比例分解到各个站点或电源点。主要包括负荷分解和电源分析两部分。
负荷分解主要步骤为：
(1)遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域(或省份)；
(2)对每一个区域内每个变电站，根据变电站电压等级确定供电范围，结合变电站经纬度坐标、供电范围及人口/经济地理信息统计地图计算各变电站供电人口或GDP总量占比作为电力负荷占比；
(3)将区域内各变电站电力负荷占比与区域总负荷相乘，得到变电站供电负荷数值。
电源分解主要步骤为：
(1)判断是否给出电源站GIS文件，若是则各站点装机类型、容量等参数由GIS数据给出，无需根据区域装机容量分解而结束此步；若未给出电源站GIS文件，则进入下一步根据区域电源装机容量及资源禀赋分解；
(2)遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域(或省份)；
(3)对每一个区域内每个变电站，根据变电站经纬度坐标及各类资源丰度地理信息统计地图计算各变电站在本区域内煤炭资源、水资源、风资源及光资源装机占比；
(4)将区域内各类电源装机占比与区域各类装机总容量相乘，得到变电站各类装机容量。
步骤4：根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型；根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数，进而构建出包含仿真模型参数的电力系统数据库，如图3所示。
其中，典型方案库与元件库构建，具体包括：
基于典型工程、国家及行业变电站设计规范，归纳1000kV、750kV及500kV变电站主要站内设备配置方案，包括站内主接线形式、母线电压等级、变压器及无功补偿设备型号及连接关系，形成根据电压等级、变电容量、区域位置等信息确定变电站设备配置及互联关系的变电站方案库；
基于典型工程、国家及行业线路设计规范，归纳1000kV、750kV及500kV线路主要导体及辅助设备配置方案，包括交流线路采用的导体截面积、分裂数、并联高抗，直流线路采用的直流线路阻容感参数、换流阀与换流变压器参数、直流线路功率、电压及触发控制参数、换流站无功补偿参数等，形成根据电压等级、输电容量、区域位置等信息确定线路所用导体及配套设备的线路方案库；
基于典型工程、国家及行业电源站设计规范，归纳火电、水电、核电、风电、火电等主要电源站装机容量、典型机组、并网变压器等配置，形成根据电源能源形式、装机容量、区域位置等信息确定电源站机组、变压器等设备的电源站方案库；
基于主流设备常见产品手册，归纳不同电压等级、容量、地区常用设备的典型参数，变压器参数包括：容量、空载和负载损耗、负载电压百分比、空载激磁电流百分比；交流线路参数包括：单位长度电阻、电抗、电导、电纳；直流线路参数包括：直流线路阻感容参数，桥阀压降、触发角、额定电流，换流变压器容量、阻抗及额定功率、额定电流控制参数等；发电机组参数包括：容量、最大与最小有功出力、最大与最小无功出力，形成根据设备型号确定对应参数的元件库。
电气设备确定主要根据变电站、线路及电源站GIS信息结合变电站、线路及电源站方案库确定站内、线路及电源站设备配置及互联关系，主要步骤为：
(1)遍历变电站数据记录，根据变电站省份确定其高原/平原区域位置，根据变电站电压确定电压等级，根据变电站所连源荷计算净负荷确定变电站容量；
(2)根据变电站容量、电压等级、区域信息确定变电站内电压等级及母线、变压器型号及连接关系、站内无功补偿设备型号；
(3)根据设备配置将变电站具体化为母线(节点)、变压器、无功补偿、负荷、电源等互联设备，将变电站与线路互联具体化为与站内对应母线相连；
(4)遍历线路数据记录，根据线路省份确定其高原/平原区域位置，根据线路电压确定电压等级，根据线路长度确定线路传输容量；
(5)根据线路容量、电压等级、区域信息确定线路导体型号及并联高抗型号；
(6)遍历电源站数据记录，根据电源站省份确定其高原/平原区域位置，根据电源站一次能源类型及容量，确定电源站并网电压等级、变压器、发电机组配置，并将电源站与线路互联具体化为线路与站内对应母线相连。
电气模型构建主要根据变电站、线路及电源站已确定设备型号及典型元件库计算各设备电气参数，形成仿真计算用电气模型，主要步骤为：
(1)遍历变电站站内设备，采用T等值电路建模变压器，并根据下式计算变电站变压器参数
式中，RT,XT,GT,BT分别变压器绕组电阻与楼电抗、激磁电导与电纳，UN,SN分别为变压器额定电压、额定容量，Pk,Uk％,P0,I0％分别为变压器空载损耗、空载电压百分比、负载损耗、负载电流百分比。
采用并联无功补偿功率建模无功补偿设备，补偿设备模型为
Qb＝QC
式中，Qb,QC分别为并联无功补偿设备补充容量和额定容量。
采用恒功率建模节点负荷，负荷模型为：
式中，PL,QL为负荷有功功率和无功功率，Pr为站点连接的额定有功负荷之和，λ为系统功率因数角正切值。这里假设系统功率因数保持不变，故λ为常数，取0.75。
(2)遍历线路，采用PI等值建模交流线路，并根据下式计算交流线路参数
RL＝rl (7)
XL＝xl (8)
GL＝gl (9)
BL＝bl (10)
式中，RL,XL,GL,BL分别线路的电阻、电抗、电导、电纳，r,x,g,b为线路单位长度的电阻、电抗、并联电导、并联电纳值，l为线路长度。
使用下式计算线路并联高抗(仅针对500kV及以上线路)
QLH＝αU2BL (11)
式中，QLH线路并联高抗补充容量，U为线路额定电压，BL为线路总并联电纳大小，α为线路高抗比例系数，取0.9。
(3)遍历电源站站内设备，变压器、无功补偿设备电气模型及参数计算同步骤(1)，采用恒功率和功率范围建模发电机组
式中，Pg,Pmax,Pmin,Qmax,Qmin分别发电机的有功出力、最大与最新有功出力、最大和最小无功出力，Sr为电源额定容量，λ,β分别为电源额定功率因数和电源额定功率因数角的正弦值，λmin,βmax,βmin分别为功率因数最大值、功率因数角的最大正弦值、功率因数角的最小正弦值。
步骤5：从电力系统数据库中抽取面向设定仿真应用的电网数据，生成预设格式的电网仿真数据文件。
本步骤用于从融合后数据抽取适应仿真应用的相关数据，进而以标准数据格式传递给后续数据生成程序，下面以面向潮流计算的数据抽取主要步骤为：
步骤5.1：遍历变电站，提取变电站母线、变压器、无功补偿、负荷、电源数据；
步骤5.2：遍历线路，提取交流线路相连母线、线路阻抗与导纳、并联电网参数，提取直流输电线路的线路阻感容、换流阀、换流变以及控制参数等；
步骤5.3：遍历电源站，提取电源站母线、机组、变压器、无功补偿数据；
步骤5.4：将提取的数据按照结构体形式组合，将变电站、线路及电源站不同类型数据写入不同数据域。
具体地，针对不同商用软件的数据文件格式，将提取数据整理为商业软件可识别的数据格式，创建数据文件并写入转换后数据，形成商业软件可用的数据文件。
此处需要说明的是，本实施例所给出的仿真数据生成方法主要针对潮流计算需求论述，但补充方案库和元件库包含的设备种类后可推广至动态分析、故障计算等其他电网分析计算领域。
下面以中国某省电力系统仿真数据生成为例展示本发明所提方法。通过公开信息获取该省变电站、线路及电源站GIS文件系统以及该省总负荷，进一步从世界人口组织获取世界各地人口密度分布图。基于上述信息生成该省仿真数据，主要步骤为：
step 1：该省GIS数据shapefile文件系统进行GIS数据提取与标准化，获取变电站、线路及电源站GIS信息，GIS数据提取表明该省共有8个变电站点、8条1000kV特高压双回交流线路和5条特高压直流线路，构成特高压交直流输电系统。
step 2：以中国典型交直流输电工程、《35～750kV输变电工程通用设计、通用设备应用目录(2022年版)》、《输变电工程通用设备35～750kV变电站分册》等技术规范为蓝本进行梳理归纳，可得到1000kV变电站主要设备方案为装设4台3000MVA三绕组变压器连接1000kV、500kV和110kV电压等级母线，其中，500kV为负荷和电源接入电压等级、110kV为无功补偿电压等级，无功补偿根据潮流情况配置，1000kV交流线路主要采用6*630mm2钢芯铝绞线，并联高抗与线路长度成正比，直流线路采用±800kV直流线路典型配置。
step 3：基于GIS数据进行拓扑辨识，可得到如图5所示的某省基于GIS数据融合的电力系统拓扑辨识结果。由中电联发布统计数据指该省2021年总负荷为67930.144MW，结合世界人口密度地理图，可计算得得到各站点人口数量及负荷占比，按比例分配得各站点负荷及装机如下表所示：
表1示例系统各站点负荷、装机容量统计
进一步融合典型方案可得变电站、线路及电源站电气模型。
step 4面向潮流计算应用，抽取数据包括节点、变压器、交流线路、直流线路、负荷及数据，进一步将抽取数据传给文件生成。
step5采用BPA进行潮流计算，基于抽取数据整理为BPA潮流计算所需的B卡、T卡、L卡等数据，并以*.dat文件格式输出。
图6、图7分别为基于所生成文件采用BPA进行潮流计算后各节点电压和系统内有功功率流动情况。图6展示了潮流计算后各节点电压，交流站点的电压等级为站点内1000kV电压等级母线的电压幅值与向量，直流站点为站内与直流线路相连交流线路电压幅值与向量。图7展示了潮流计算后有功功率流动情况，对于站点，矩形框内的数字代表了该站点所接有功负荷的大小，椭圆形框内的数字代表了该站点所接无功负荷的大小；对于线路，黑色数字代表线路所流有功功率潮流大小与方向，三角形框内的数字及方向代表线路所流无功功率潮流大小与方向。BPA潮流计算软件显示可实现源荷平衡；读取直流线路潮流，无过载线路，各换流变压器方案配置合理，整体流向由甘肃、内蒙古、宁夏向该省传输有功功率，该省向韩国传输有功功率，显示其功率流向及大小贴合实际。对该省系统的节点电压及潮流分布进行分析，我们发现潮流计算结果收敛，节点的电压的相角与幅值均保持在正常范围内，所有线路的潮流大小均符合实际情况。该省系统的潮流计算结果准确，符合预期。
本实施例针对现有电力系统仿真数据生成或依赖电网企业保密数据而获取困难、应用场景受限，或完全依赖网络理论合成而与实际电网对照性差、分析结果可信性低的问题，提出一种基于GIS数据与辅助信息融合的仿真数据生成方法。所提方法以电力系统地理接线图(GIS数据)、地区与国家源荷统计信息、国家及行业设计规范、人口经济与资源禀赋统计信息等公开可得信息为输入，通过GIS信息提取、拓扑辨识、节点源荷信息融合、源-网-荷电气参数计算等数据处理，生成支撑电力系统分析计算的电气参数数据文件。所提方法完全不依赖电网企业保密数据，可用于多国家、各地区电力系统数据生成，因而应用范围广泛；仿真数据生成中以实际电网网架及典型设计规范为基础，与实际电网具有很好的对照性，建模精度满足电力能源系统规划、演化及规律分析等应用要求。
实施例二
本实施例提供了一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成系统，其包括如下模块：
(1)GIS数据提取模块，其用于提取并标准化变电站GIS数据、线路GIS数据和电源站GIS数据。
(2)拓扑辨识模块，其用于基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识，形成电力系统组件互联的电力拓扑关系。
在具体实施过程中，在所述拓扑辨识模块中，基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识的过程包括：
步骤(2.1)：设置线路索引为1；
步骤(2.2)：读取线路起点与终点的经纬度坐标；
步骤(2.3)：计算线路起点和终点与任一变电站、电源站间的距离；
步骤(2.4)：从所有距离中查找最小值并与最大允许距离偏差比较，若最小距离小于或等于最大允许距离偏差，则将线路起点或终点与对应站点相连接；否则，新增变电站节点数据，并将线路与新增变电站节点相连接；
步骤(2.5)：检查是否遍历所有线路，若是，则完成拓扑辨识，实现线路与站点相连接，若否，则线路索引增1，且读取线路起点与终点的经纬度坐标，继续下一条线路拓扑连接。
(3)源荷分解模块，其用于获取源荷分区统计数据、人口与经济发展水平统计数据及资源禀赋统计数据，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解。
(4)数据库构建模块，其用于根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型；根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数，进而构建出包含仿真模型参数的电力系统数据库。
具体地，在所述数据库构建模块中，根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型的过程为：
步骤(4.1.1)：遍历变电站数据记录，根据变电站省份确定其高原/平原区域位置，根据变电站电压确定电压等级，根据变电站所连源荷计算净负荷确定变电站容量；
步骤(4.1.2)：根据变电站容量、电压等级和区域信息，确定变电站内电压等级及母线、变压器型号及连接关系、站内无功补偿设备型号；
步骤(4.1.3)：根据设备配置将变电站具体化为互联设备，将变电站与线路互联具体化为与站内对应母线相连；
步骤(4.1.4)：遍历线路数据记录，根据线路省份确定其高原/平原区域位置，根据线路电压确定电压等级，根据线路长度确定线路传输容量；
步骤(4.1.5)：根据线路容量、电压等级和区域信息，确定线路导体型号及并联高抗型号；
步骤(4.1.6)：遍历电源站数据记录，根据电源站省份确定其高原/平原区域位置，根据电源站一次能源类型及容量，确定电源站并网电压等级、变压器和发电机组配置，并将电源站与线路互联具体化为线路与站内对应母线相连。
在具体实施过程中，在所述数据库构建模块中，根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数的过程为：
步骤(4.2.1)：遍历变电站站内设备，采用T等值电路建模变压器并计算变电站变压器参数，采用并联无功补偿功率建模无功补偿设备，采用恒功率建模节点负荷；
步骤(4.2.2)：遍历线路，采用PI等值建模交流线路；
步骤(4.2.3)：遍历电源站站内设备，变压器、无功补偿设备电气模型及参数，采用恒功率和功率范围建模发电机组。
(5)仿真数据文件生成模块，其用于从电力系统数据库中抽取面向设定仿真应用的电网数据，生成预设格式的电网仿真数据文件。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法中的步骤。
本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其特征在于，包括：
提取并标准化变电站GIS数据、线路GIS数据和电源站GIS数据；
基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识，形成电力系统组件互联的电力拓扑关系；
获取源荷分区统计数据、人口与经济发展水平统计数据及资源禀赋统计数据，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解，包括负荷分解和电源分解这两部分；
负荷分解的过程为：
遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域；
对每一个区域内每个变电站，根据变电站电压等级确定供电范围，结合变电站经纬度坐标、供电范围及人口/经济地理信息统计地图计算各变电站供电人口或GDP总量占比作为电力负荷占比；
将区域内各变电站电力负荷占比与区域总负荷相乘，得到变电站供电负荷数值；
电源分解的过程为：
当未给出电源站GIS文件时，根据区域电源装机容量及资源禀赋分解；
遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域；
对每一个区域内每个变电站，根据变电站经纬度坐标及各类资源丰度地理信息统计地图计算各变电站在本区域内煤炭资源、水资源、风资源及光资源装机占比；
将区域内各类电源装机占比与区域各类装机总容量相乘，得到变电站各类装机容量；
根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型；根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数，进而构建出包含仿真模型参数的电力系统数据库；
从电力系统数据库中抽取面向设定仿真应用的电网数据，生成预设格式的电网仿真数据文件。
2.如权利要求1所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其特征在于，基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识的过程包括：
设置线路索引为1；
读取线路起点与终点的经纬度坐标；
计算线路起点和终点与任一变电站、电源站间的距离；
从所有距离中查找最小值并与最大允许距离偏差比较，若最小距离小于或等于最大允许距离偏差，则将线路起点或终点与对应站点相连接；否则，新增变电站节点数据，并将线路与新增变电站节点相连接；
检查是否遍历所有线路，若是，则完成拓扑辨识，实现线路与站点相连接，若否，则线路索引增1，且读取线路起点与终点的经纬度坐标，继续下一条线路拓扑连接。
3.如权利要求1所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其特征在于，根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型的过程为：
遍历变电站数据记录，根据变电站省份确定其高原/平原区域位置，根据变电站电压确定电压等级，根据变电站所连源荷计算净负荷确定变电站容量；
根据变电站容量、电压等级和区域信息，确定变电站内电压等级及母线、变压器型号及连接关系、站内无功补偿设备型号；
根据设备配置将变电站具体化为互联设备，将变电站与线路互联具体化为与站内对应母线相连；
遍历线路数据记录，根据线路省份确定其高原/平原区域位置，根据线路电压确定电压等级，根据线路长度确定线路传输容量；
根据线路容量、电压等级和区域信息，确定线路导体型号及并联高抗型号；
遍历电源站数据记录，根据电源站省份确定其高原/平原区域位置，根据电源站一次能源类型及容量，确定电源站并网电压等级、变压器和发电机组配置，并将电源站与线路互联具体化为线路与站内对应母线相连。
4.如权利要求1所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其特征在于，根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数的过程为：
遍历变电站站内设备，采用T等值电路建模变压器并计算变电站变压器参数，采用并联无功补偿功率建模无功补偿设备，采用恒功率建模节点负荷；
遍历线路，采用PI等值建模交流线路；
遍历电源站站内设备，变压器、无功补偿设备电气模型及参数，采用恒功率和功率范围建模发电机组。
5.如权利要求1所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其特征在于，提取并标准化变电站GIS数据的过程为：
加载变电站GIS数据文件系统；
读取变电站GIS数据的属性信息及地理位置信息；
逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含变电站名称、状态、国家、电压、洲别、管理者及经纬度地理信息的数据结构。
6.如权利要求1所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其特征在于，提取并标准化线路GIS数据的过程为：
加载线路GIS数据文件系统；
读取线路GIS数据的属性信息及地理位置信息；
逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含线路状态、国家、电压、洲别、管理者、长度及起点与终点经纬度地理信息的数据结构。
7.如权利要求1所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法，其特征在于，提取并标准化电源站GIS数据的过程为：
加载电源站GIS数据文件系统；
读取电源站GIS数据的属性信息及地理位置信息；
逐条解析属性信息与地理位置信息，形成包含电源站状态、国家、电压、洲别、管理者、长度及起点与终点经纬度地理信息的数据结构。
8.一种融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成系统，其特征在于，包括：
GIS数据提取模块，其用于提取并标准化变电站GIS数据、线路GIS数据和电源站GIS数据；
拓扑辨识模块，其用于基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识，形成电力系统组件互联的电力拓扑关系；
源荷分解模块，其用于获取源荷分区统计数据、人口与经济发展水平统计数据及资源禀赋统计数据，基于比例加权原则对上述电力拓扑关系进行源荷分解，包括负荷分解和电源分解这两部分；
负荷分解的过程为：
遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域；
对每一个区域内每个变电站，根据变电站电压等级确定供电范围，结合变电站经纬度坐标、供电范围及人口/经济地理信息统计地图计算各变电站供电人口或GDP总量占比作为电力负荷占比；
将区域内各变电站电力负荷占比与区域总负荷相乘，得到变电站供电负荷数值；
电源分解的过程为：
当未给出电源站GIS文件时，根据区域电源装机容量及资源禀赋分解；
遍历所有变电站，根据省份信息将其划分至各个区域；
对每一个区域内每个变电站，根据变电站经纬度坐标及各类资源丰度地理信息统计地图计算各变电站在本区域内煤炭资源、水资源、风资源及光资源装机占比；
将区域内各类电源装机占比与区域各类装机总容量相乘，得到变电站各类装机容量；
数据库构建模块，其用于根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型；根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数，进而构建出包含仿真模型参数的电力系统数据库；
仿真数据文件生成模块，其用于从电力系统数据库中抽取面向设定仿真应用的电网数据，生成预设格式的电网仿真数据文件。
9.如权利要求8所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成系统，其特征在于，在所述拓扑辨识模块中，基于最近相连原则及提取的上述GIS数据进行拓扑辨识的过程包括：
设置线路索引为1；
读取线路起点与终点的经纬度坐标；
计算线路起点和终点与任一变电站、电源站间的距离；
从所有距离中查找最小值并与最大允许距离偏差比较，若最小距离小于或等于最大允许距离偏差，则将线路起点或终点与对应站点相连接；否则，新增变电站节点数据，并将线路与新增变电站节点相连接；
检查是否遍历所有线路，若是，则完成拓扑辨识，实现线路与站点相连接，若否，则线路索引增1，且读取线路起点与终点的经纬度坐标，继续下一条线路拓扑连接。
10.如权利要求8所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成系统，其特征在于，在所述数据库构建模块中，根据预先构建的典型方案库，确定各变电站、线路及电源站的电气设备并构建对应电气模型的过程为：
遍历变电站数据记录，根据变电站省份确定其高原/平原区域位置，根据变电站电压确定电压等级，根据变电站所连源荷计算净负荷确定变电站容量；
根据变电站容量、电压等级和区域信息，确定变电站内电压等级及母线、变压器型号及连接关系、站内无功补偿设备型号；
根据设备配置将变电站具体化为互联设备，将变电站与线路互联具体化为与站内对应母线相连；
遍历线路数据记录，根据线路省份确定其高原/平原区域位置，根据线路电压确定电压等级，根据线路长度确定线路传输容量；
根据线路容量、电压等级和区域信息，确定线路导体型号及并联高抗型号；
遍历电源站数据记录，根据电源站省份确定其高原/平原区域位置，根据电源站一次能源类型及容量，确定电源站并网电压等级、变压器和发电机组配置，并将电源站与线路互联具体化为线路与站内对应母线相连。
11.如权利要求8所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成系统，其特征在于，在所述数据库构建模块中，根据预先构建的元件库，基于规则匹配计算源荷分解后的设备电气参数的过程为：
遍历变电站站内设备，采用T等值电路建模变压器并计算变电站变压器参数，采用并联无功补偿功率建模无功补偿设备，采用恒功率建模节点负荷；
遍历线路，采用PI等值建模交流线路；
遍历电源站站内设备，变压器、无功补偿设备电气模型及参数，采用恒功率和功率范围建模发电机组。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法中的步骤。
13.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的融合GIS及多元信息的电网仿真数据生成方法中的步骤。
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