适用于交直流互联电网的动态等值软件设计*

刘 平，王长香，门 锟，赵利刚，武志刚，黄冠标，朱 林

（1.华南理工大学电力学院，广东广州 510641；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州 510080）

适用于交直流互联电网的动态等值软件设计*

刘 平1，王长香2，门 锟2，赵利刚2，武志刚1，黄冠标1，朱 林1

（1.华南理工大学电力学院，广东广州 510641；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州 510080）

提出了一种适用于交直流互联电网的动态等值软件设计方法。首先，深入研究了交直流互联电网动态等值中的关键问题；然后按照功能需求，以模块独立、数据交换分离、灵活扩层的设计思路搭建了软件框架；最后采用面向对象的元件统一建模技术开发出了可与多种电力系统分析软件交互的、易于扩展的新型动态等值软件，并通过实际运行数据检验了所开发软件的有效性。

动态等值；直流系统；统一建模；软件开发

0 引言

现代电力系统正朝着大规模交直流互联的趋势发展，对其动态行为进行分析是电力工作者的研究重点，但这项工作费时费力。因此，可进行大规模化简又能同时保留原有系统动态特性的动态等值工作将突显出重要的现实意义。

在动态等值常用的方法中，同调等值法物理透明度大，理论成熟，适合大规模非线性系统的暂态稳定分析。该方法主要包括同调发电机判别、等值发电机参数聚合及网络化简等方面的内容，为大多动态等值软件所采用。目前广泛使用的动态等值软件，包括美国电科院的DYNEQ、安大略水电局的DYNRED以及中国电科院的PS⁃ DEP，都是依托同调等值法设计与开发[1-2]。近些年来众多学者在电网动态等值方法上仍有持续深入的研究，提出许多有效的方法来改善等值效果[3-10]，具有重要的借鉴价值。

传统的动态等值软件只重点关注于交流系统在故障前后的相似性，甚少考虑直流系统在动态等值过程中的处理方法。同时，在等值过程中对于等值效果的检验问题上也鲜有总结。此外，传统等值软件多是算法种类固定且基于面向过程所开发，执行效率较低，难以满足目前大规模系统等值精确性和快速性的要求，软件的封闭性不利于以后功能的扩展和维护。

本文将直流系统的处理纳入到交直流互联电网的动态等值过程中，提出了相应的化简与检验原则，以确保等值系统具有较好的等值效果和精度。本文所开发的新型等值软件，采用面向对象技术实现对电力系统元件软件的统一建模，并利用插件技术提供多种算法作为支撑，从而使软件更具有通用性及可扩展性，大大提高了执行效率和精度。最后以南方电网某年含多回直流的运行方式为例，结合本文提出的直流系统处理方法、化简与效果检验准则进行等值处理，并与PSDEP等值结果及原始系统进行对比，验证所开发软件的有效性。

1 交直流互联电网动态等值关键问题分析

1.1 直流系统的等值处理

直流输电系统的等值处理是交直流互联电网动态等值中的新问题。对于直流的处理，可以根据直流整流站、逆变站的特性，由潮流计算求出直流整流站和逆变站的节点功率后进行恒等功率变换。整流站则从交流系统吸收功率，相当于是在该节点挂有负荷，因此可将其等效为PQ节点，负荷的大小则为相应的直流功率；逆变站向交流系统输送功率，因此可将其等效为惯性时间常数较大的发电机节点，发电机出力值则为直流功率。

这种依托功率的直流处理方案可将含有直流的交直流互联电网等值转化为纯交流电网等值，显著降低等值工作的难度。但这种处理方案会降低区域互联电网的整体性，对研究局部的地区电网较为有效。

也可在此基础上进一步改进，即保留交流系统侧与直流换流站联接有换流变压器的节点，在完成纯交流电网等值后，再将相应的直流模型重新加入。这种方案考虑到等值过程中交流主网架结构与故障状态下直流系统的动态，因而具有较好的等值效果。

1.2 交流系统的等值处理

发电机参数聚合是交流电网动态等值的核心内容。发电机聚合通常采用的是寻优方法来拟合原始的传递函数，因而在计算量、寻优方向上有一定要求。需要指出的是，对于电磁回路的聚合也可以根据方程结构的一致性用解析法求解[5-6]，故具有更快的解算速度。但这种方法仅适用于发电机四阶和六阶模型，但不适宜于五阶模型。因此，选择科学、合理、高效和易于实现的聚合算法对于动态等值软件开发非常关键。

网络化简也是交直流电网动态等值的一项重要内容。对于动态负荷与静态负荷并存的情况，可先将动态负荷移至公共母线上，参考发电机聚合方式；静态负荷则转化为标准ZIP模型，采用电流沟法或REI法合并。

1.3 等值化简与检验准则

为确保等值系统具有原系统的主要特征，需要明确合理的等值准则，实现对网络的适度化简。

通常，需要将500 kV及以上的主网络和重要的节点（包括负荷节点、直流落点）予以保留；而发电机则结合实际的地理位置是否相近、电气距离是否相近以及是否满足同调性三方面的综合要求进行等值。

在等值效果检验上，本文认为除了把三相故障作为等值效果检验原则以外，还需将其他故障条件考虑在内，提出了表1所示的三条准则来检验等值效果。

表1 等值效果检验原则

满足潮流一致是动态等值的最基本条件，是进行暂态稳定仿真比较的前提；短路容量校验，一般可以选取等值前后关键节点母线、换流站母线等重要节点进行考察；检验暂态效果，通常需在重要线路设置对称故障、不对称故障以及保留直流系统的单极闭锁等故障后分别仿真，进行充分比较分析。

若等值系统满足上述三个检验准则要求，则认为该系统具有较好的等值效果。反之，则需要采取修改等值方案、检查发电机同调划分、调整等值系统参数，以获得合理的等值效果。

2 软件架构

2.1 基本框架

本文所开发的动态等值软件（Dynamic Equiv⁃alent Software，以下简称DES）的系统框架如图1所示。核心功能模块由C#编写而成，主要功能上由同调识别、同调发电机聚合以及网络化简三部分组成。这三部分功能各自实现的算法种类繁多，为方便用户选择，不同的算法以Fortran编写成插件的形式嵌入到相应的功能中，同时配以接口实现Fortran和C#的混合编程，可在不影响程序主体功能上更新、增加、删除插件。

另外程序还包含统一元件模型库和稀疏矩阵求解库，两者囊括了等值计算过程中需要用到的元件模型、网络信息以及利用稀疏矩阵求解的算法。

此外，在程序的执行中采用并行的方法对每一步的过程信息进行实时监控，包括发生的错误信息，对元件模型缺省处理，必要的计算过程及结果信息，并以日志的形式进行详细记录，以便用户及时掌握等值过程信息。

图1 动态等值程序系统结构框图

2.2 数据交换

同调算法的实现需要依赖已有的网架拓扑参数、系统潮流以及稳定数据。而这些数据的格式随着所使用的电力系统分析软件的不同而不同。为使等值程序能从不同类型的软件中获取所需数据，因而构造数据转换接口和数据输出接口以统一数据格式，实现与动态等值程序的数据交换。

PSD-BPA是目前国内广泛采用的电力系统分析软件，其数据特点是以卡片形式记录复杂的潮流模型和稳定模型，软件设计时考虑了数据兼容与转换的要求，设计思路如图2所示。

2.3 可扩展性

前述已提到各功能模块算法以及元件模型的种类较多且在不断更新。为使等值软件能适应日后技术的发展和需要，使用插件体系结构进行程序开发，增强软件的扩展能力[12-13]。模块为例的插件体系。该插件体系主要有插件管理程序、插件接口程序以及各插件程序组成。

图2 PSD-BPA与动态等值程序数据转换接口示意图

在插件体系下，化简的算法、非线性负荷折算、直流系统特殊处理、潮流偏差校正等功能是作为插件程序独立存在，所以不存在功能间的交互影响。

插件接口程序则是插件管理程序与插件程序的交互媒介，可在系统动态插入或删除插件时实现智能识别，提供有效的通信机制使插件与插件管理程序协调工作，自动调用。

而插件管理程序为插件程序创建运行环境和分配相应的资源空间，根据功能模块的需要或用户的要求进行插件的调用。

图3 网络化简模块的插件体系

3 基于面向对象的统一建模

传统的等值程序设计思路是以结构化程序设计为主。实际上软件需适应需求变化而改变，使得其整体结构也随之改变，这严重制约了软件的维护和扩展。采用面向对象的设计方法对电力系统进行建模，通过封装可以隐藏模型的内部细节，有效减少外部的干预和代码间的依赖程度，利用继承提高了代码的重用性，也有利于程序的扩展[14-16]。

不同电力系统分析软件的数据格式不尽相同，采用的模型也存在差异。如PSD-BPA软件对线路模型包括了对称线路模型、不对称线路模型、变压器或移相器等模型。使用元件统一模型可有效解决等值软件与多种电力系统分析软件间的兼容需求。

这里以线路模型为例，利用面向对象技术进行统一建模，将各种线路模型的特征结合在一起，如图4所示。该统一线路模型可通过改变两端理想变压器变比或是两端母线的对地导纳参数即可模拟普通支路、变压器支路、线路高抗等不同的线路模型。

图4 等值程序用于描述不同类型线路的通用模型

采用线路两端的节点名称作为关键字，即可快速调用和操作对应的数据，而无需关注具体的线路类别。类似地，其他模型可以按照具有相同特性来定义新的类。还可利用继承的方式，来派生更多模型类，如图5所示的发电机模型Generator类可以派生出Exciter、Governor等更多的类。

图5 简化的电力系统主要元件类视图

4 案例分析

本文以南方电网某年丰大运行方式下的系统为案例进行了主网的动态等值化简，以检验所设计软件的有效性。该运行方式含有513台发电机，2 648个交流节点，5回直流输电线路。综合考虑同调性及各发电机电气距离的远近，将510台原始发电机聚合为38台等值发电机。保留5回直流线路及相连接的交流节点，除个别带有重要负荷的低电压等级节点外，化简主干网500 kV以外电压等级的节点，剩余372个节点，消去规模为85.9%。如表2和表3所示为等值前后系统部分节点和线路潮流比较。表4则为等值前后系统的三相短路容量对比。

通过表2～4，可以看出等值系统与原始系统相比，在关键节点和重要线路的潮流偏差都满足潮流一致的准则，主要母线的三相短路容量偏差在10 MVA以内。

为了更好地验证所开发软件的等值效果，将其与PSDEP等值软件在PSD-BPA环境下分别与原系统暂态性能的比较。需要说明的是PSDEP无法完整保留直流系统，可采用本文所提方案。

表2 等值前后系统母线电压比较

表3 等值前后系统线路潮流比较

表4 等值前后系统短路容量比较

在天广直流设置双极闭锁故障，验证处理直流系统方案的有效性，其暂态仿真结果如图6。可见DES等值后母线电压暂态过程的幅值波动均能保持在0.015p.u.以内，而线路的有功功率也能与原始系统较好吻合，振荡特性基本一致。可见，本文提出的直流处理方案合理。

图6 设置直流闭锁故障后的暂态仿真曲线

图7 设置三相故障的暂态仿真曲线

在PSD-BPA环境下分别对等值前后系统设置三相故障、不对称故障，进行暂态性能综合对比。图7为安高线发生三相故障时等值前后系统中肇庆站点母线电压和梧州-罗洞线路功率的相关曲线。可以看出，两者均都能较好的逼近原始系统的动态特性。

在安高线安顺母线侧设置A相故障，等值前后系统母线电压和线路功率曲线如图8所示。从图8可以看出，PSDEP等值系统的暂态曲线与原系统在故障后5 s内有较大区别，尤其是前2 s的振荡摆幅偏大。相比之下DES能更好地与原始系统动态特性保持一致。

5 结论

本文将直流系统的等值处理方式纳入了交直流互联系统的动态等值范畴，提出了保留直流系统的等值化简方案，明确了电网化简与检验准则，通过面向对象技术进行电力系统元件统一模型的软件建模，设计开发了高效、易于维护和扩展的适用于交直流互联系统的动态等值软件。以南方电网某年丰大运行方式为例，与PSDEP和原系统进行了等值效果比较。计算机仿真结果表明了所开发的软件具有良好的等值效果。

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A Software Design of Dynamic Equivalent for AC/DC Interconnected Power Grid

LIU Ping1，WANG Chang-xiang2，MEN Kun2，ZHAO Li-gang2，WU Zhi-gang1，HUANG Guan-biao1，ZHU Lin1
（1.School of Electric Power，South China University of Technology，Guangzhou510641，China；2.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid，Guangzhou510080，China）

This paper proposes a new software design method of dynamic equivalents for AC/DC interconnected power grid.First，some critical issues of dynamic equivalents for AC/DC interconnected power grid have been intensively investigated.Then，considered the function requirements，it builds a general framework for the dynamic equivalents software，which follows the design routine of separateness of modules and data switching and flexible extensibility.Finally a new software tool for dynamic equivalents is developed with OOP technics and unified modeling and a case has been studied to validate the performance of the newly developed software.

dynamic equivalent；DC system；unified modeling；software development

TM727

：A

：1009－9492(2014)11－0001－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.001

刘 平，男，1990年生，广东佛山人，硕士研究生。研究领域：电力系统稳定与控制。

朱 林，男，1979年生，博士，副教授。研究领域：电力系统稳定与控制。

(编辑：阮 毅)

*国家高技术研究发展计划（863计划）基金资助项目（编号：2012AA050209）

2014－07－28