潮流计算可视化技术分析

第 27 卷 第 4 期 2010 年 8 月 现 　代 　电 　力 Modern Elect ric Power Vol127 　No14 Aug1 2010 文章编号 : 100722322 (2010) 0420007206 文献标识码 : A 潮流计算可视化技术分析 阙华坤1 , 刘文霞1 , 李舒婷2 , 张　鑫1 (11 华北电力大学电气与电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 , 北京 　102206 ; 21 龙岩市电业局 , 福建龙岩 　364000) Visualization Technology of Power Flow Calculation Que Huakun1 , Liu Wenxia1 , Li Shuting2 , Zhang Xin1 (1. School of Elect rical and Elect ronic Engineering , North China Elect ric Power University , Beijing 　102206 , China ; 21Longyan Power Supply Bureau , Longyan 　364000 , China) 摘　要 : 随着电网规模的扩大 , 复杂电网分析可视化技术的 需求也越发紧迫。本文以 PowerBuilder 和 Map Info 平台为 集成开发环境 , 把复杂电网分析过程与基于地理信息的可视 化技术相结合 , 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了电网分析模块的功能、系统架构和数 据结构 , 探讨了潮流计算分析可视化技术的关键技术和实现 方法 , 实现了电网故障对城市供电的影响分析 , 动态直观地 描绘了不同电网运行方式下的供电状态。以 IEEE 14 节点 电网为例 , 验证了潮流计算可视化分析模块的可行性和实用 性。 关键词 : 潮流计算 ; 可视化 ; 电网分析 ; Mapinfo ; BPA ; IEC 61970 Abstract : Wit h t he enla rging of p ower grid , t he demand on visualization technology of complex p ower grid analysis has become increasingly urgent . In t his p aper , under integrated develop ment environment on Map Inf o and PowerBuilder platf orm , t he f unction , system architecture and data st ruc2 ture of elect ric network analysis module a re designed by combining analysis p rocess of complex p ower grid and visu2 alization technology based on geograp hic inf ormation. In addition , key visualization technology of load f low calcula2 tion and its realization met hod are discussed , based on w hich t he inf luence of grid f ault on p ower supply of urban p ower network is analyzed and p ower supply statuses of urban p ow2 er network are described dynamically and intuitively under diff e rent grid operation modes. Finally , taking I EEE - 14 nodes network as example , t he f easibility and validity of vi2 sualization analysis module of load f low calculation a re veri2 f ied. Key words : load f low ; visualization ; p ower analysis ; Mapinf o ; B PA ; I EC 61970 0 　引　言 随着电网规模的增加和复杂度的提高 , 电网的 信息可视化技术越来越受到重视。电力软件基于图 形化的用户界面将电力设备的各种属性、系统运行 状态和各种分析指标以数字或多种图形方式予以显 示[122 ] , 使系统运行人员更方便、更明晰地了解当 前系统的运行状态。国外比较好的专业分析软件有 PowerWorld[3 ] , 该软件从模型的建立 , 到系统的 稳态、动态和经济运行分析以及交易模拟过程都表 现得形象生动。这些应用软件大多用于电力系统 , 表现的信息都是电力的专业数据 , 而且多是基于断 面数据的 , 然而随着社会对电力依赖程度的加深 , 很多非电力领域对电网分析的需求增加 , 如灾难中 电网的变化过程以及对该地区影响的分析。这些非 专业、与多种信息结合的电力分析软件对可视化提 出了更高的要求 , 不仅要求后台有强大的电力分析 功能 , 而且可视化要能够满足非专业人员的需求 , 对于系统状态动态变化。 本文基于 PowerBuilder、Map Info 和 BPA 平 台之上 , 开发具有强大地图处理能力和电网分析能 力的应用程序 , 以图形方式显示电力系统的状态及 其变化 , 并把地理空间数据和电力属性数据有机结 合分析地区在紧急情况下的电力分布状况。本文给 出了系统的整体设计及关键技术 , 并用 IEEE14 节 点电网为例验证所开发系统的功能。 1 　系统设计 111 　系统功能 可视化系统平台的电网分析部分具有以下 6 个 功能。 11111 　基于 GIS 的电网建模 在地理信息平台上 , 以图形方式建立电网拓扑 结构图 , 并对电网的设备数据、属性数据和状态数 据进行维护。保证在拓扑结构发生改变时 , 系统的 关系数据和状态数据能够自动更新 , 实现图模一体 化[426 ] 。 11112 　复杂电网稳态分析 针对高压配电网 , 根据系统的运行方式和时间 断面 , 导入电网的负荷和发电机运行数据 , 调用 BPA 进行稳态计算 , 包括潮流计算、短路电流等。 要求计算的结果能够快速显示在图形界面上 , 在高 压线路上以动态方式显示潮流流向 , 在节点部分显 示线路和变电站负载率 (百分比) , 以不同颜色表示 负载 (或短路电流)的合理与越线情况[7 ] 。 11113 　区域电力状况分析 ①负荷空间分布 : 根据城市规划部门的区块 划分情况 , 建立负荷性质图 , 参考电力运行和规划 部门的数据 , 把多年负荷预测的数据叠加在地块图 上 , 通过查询可以知道各地块负荷分布和大用户数 据。 ②区域供电能力 : 根据电力的拓扑关系 , 采 用染色技术形成以变电站为中心的供电范围图 , 并 标注区域面积、供电能力、负载情况等。 11114 　故障影响区域分析 以变电站、变压器和线路为故障对象 , 选择单 一或多个故障对象 , 然后进行拓扑分析 , 调用 BPA 进行计算 , 对计算结果再次分析 , 得到停电 区域、电力不足区域和正常区域 , 以地块的不同颜 色进行显示[8 ] 。 11115 　地图管理 该模块基于 Map Info 的图形界面对电力的多个 图层以及各区块图层进行维护 (除了几个固定图层 外 , 用户可以自行添加其它地形、等高线等图层) , 并实现常用的地图操作 , 例如地图的放大、缩小、 漫游等。 11116 　系统数据维护及输出 提供系统中常规数据表 (用户、电网基本参数、 负荷等)的基本维护 , 并对计算结果进行查询、统 计 , 并以 EXCEL 报表的形式输出。 112 　软件体系架构 该系统基于 Windows XP , 采用了 SQL Serv2 er、Map Info Professional 915、BPA 和 Power2 Builder 等系统进行集成开发。基于 C/ S 构架的控 制结构见图 1。 客户端包括界面层、事务处理层、接口层 ; 服 务器为数据层。在界面层 , 系统用 PowerBuilder 图 1 　系统的控制结构 应用程序通过事务处理层及接口层调用 Map Info 的 OL E 自动化服务器 , 并将 Map Info 的地图窗口集 成到客户程序中 , 用 MapBasic 程序实现地图窗口 的控制 ; 事务处理层为实现事物处理的功能模块 ; 接口层为事务处理和数据库之间提供接口 , 包括数 据库接口、BPA 接口及 OL E 技术 , 数据层为 SQL Server 数据库服务器和 Map Info 地图数据库。 113 　数据结构设计 基于 IEC 61970 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 基于 CIM (公共信息模 型)对电力系统设备的关系及属性描述进行系统的 数据建模[9 ] 。根据 CIM 中核心包、线包的模型建 立了各类电气数据的表结构 , 并利用主键和外键的 映射实现了 CIM 中的继承、关联、聚集、组合等 关系。 图 2 　系统数据分类 系统中与地图相关的信息分为 3 类 : 地理背 景、电气信息类和应急信息类。每类都分为多个图 层 , 见图 2。应急图层包含城市地块信息 , 每个地 块与电网构成对应的供电关系 ; 电气图层对应电气 类的数据 , 每种设备拓扑数据和计算结果都单独分 层。背景地图可以为矢量或栅格形式 , 但为了满足 8 现 　代 　电 　力 　　　2010 年 实际地理需求 , 使用前要根据准确的控制点对栅格 图像进行配准。 图形平台中每个电气元件由图形属性、电气特 性和关系特性 3 类数据表示。电气特性是参照 Do2 main 包中的相关类型定义的 , 电气参数与图形属 性用设备图形唯一的句柄联系 , 实现了图形数据库 一体化建模。 2 　关键技术 211 　分析结果的图形化显示 该技术是系统稳态分析、区域电力状况分析和 故障影响区域分析的基本功能 , 其主要任务是把各 类计算分析的结果在地图窗口中表示出来。采用 PowerBuilder 和 Map Info 集成开发 , 需主要解决前 台显示与后台处理的交互问题 , 交互过程包括 3 个 步骤 : OL E 对象的创建、与服务器的连接和交互 回调技术。 21111 　OL E 对象的创建 要将 Map Info 的地图窗口集成到客户程序中 , 必须在前台客户程序 PowerBuilder 中为 Map Info 的应用窗口重新指定一个父窗口 , 在该窗口中添加 一个 Pict ure 控件 , 同时在包含地图窗口的框架窗 口事件中 , 创建一个新的 OL E Object , 将 Map In2 fo 作为这个新的 OL E Object 的 OL E 服务器 , 实现 窗口的集成显示。 21112 　OL E 对象与服务器的连接 该模块通过采用 OL E 自动化技术实现客户程 序和服务器的连接和断开。具体过程是首先调用 Connect ToNewObject ()函数 , 建立 OL E 自动化对 象与 Map Info OL E 自动化服务器的连接 , 然后传 递 OL E Object 标识 , 调用 Map Info 服务 , 完成连 接过程。程序退出时 , 调用 DisConnect ToObject () 函数断开此连接 , 并撤消 OL E 自动化对象 , 以释 放系统资源。 21113 　交互回调技术 在 PowerBuilder 的客户程序中 , 对集成的地 图窗口的控制是通过 OL E 自动化对象来实现的。 当客户程序在地图窗口进行一些操作后 , 对应的响 应事件只传递给 Map Info 服务器 , 而不直接传递给 客户程序 , 为了能在客户程序中对事件进行处理 , 需采用回调技术 , 其回调原理图见图 3。在集成了 地图窗口的 PowerBuilder 客户程序中定义用户事 件 , 针对窗口事件调用能在 Map Info 服务器中运行 的 MapBasic 处理程序 , 当对集成地图进行操作时 , 触发事件处理应用程序 , 同时程序以消息的形式传 递给 PowerBuilder 客户端的用户自定义事件 , 实 现对集成地图窗口的控制。 图 3 　在 PowerBuilder 和 Map Info 间实现回调的原理图 212 　动态显示 基于 GIS 的动态轨迹实现是非常有用的 , 可用 于 GPS 定位、热点跟踪等。本系统采用此技术可 以动态显示潮流的流向[10 ] 。实现动态轨迹方法有 两种 , 一种是对原来点的坐标位置进行偏移 , 从而 实现位置更新 ; 另一种是先删除原有的点 , 再在新 的位置添加一个新点。本文在第一种方法的基础 上 , 借鉴彩灯循环动态显示的思想 , 以线为单位 , 在线上等间隔设置插入箭头 , 根据线路的长度决定 插入箭头对象的数量 , 对箭头对象的坐标位置进行 存储 , 按奇偶两组进行位置的偏移 , 通过循环显示 实现动态效果。实现过程中 , 根据线路长短和布局 决定插入箭头的个数 , 自动调整箭头的疏密程度 , 线路长度的计算方法见公式 (1) ; 箭头的角度根据 线路的走向进行旋转调整 , 基准旋转角度θ的计算 见公式 (2) , 结合始末节点的坐标特征进行90°±θ 或 270°±θ调整 , 得到最终旋转角度。 L i = ( b2 - b1 ) 2 + ( l2 - l1 ) 2 (1) θ= arcsin | b2 - b1 |( b2 - b1 ) 2 + ( l2 - l1 ) 2 (2) 式中 : ( l1 , b1 )和( l2 , b2 )为线路始末节点地理坐标。 由于电网结构较为复杂 , 涉及地图对象较多 , 而且动态显示潮流时 , 需插入箭头对象表示潮流流 向 , 箭头对象的大小随潮流值大小而变化 ; 所以从 成批对象动态变化的更新速率考虑 , 建议把所有的 线路整合成一个多点对象 , 并且把这些对象建立在 动态图层之上 , 既便于实现对集成地图窗口的控 制 , 又可提高动态可视化效果的流畅性。 213 　区域分析显示 故障情况下 , 根据 BPA 的电网计算能够分析 实际的地理区域内负荷受故障影响的程度 , 该功能 采用了区域着色技术。每个区域对应一个影响程度 9第 4 期 阙华坤等 : 潮流计算可视化技术分析 因子 , 根据因子的大小用不同的颜色填充。填充过 程中 , 影响因子ωij 的计算方法见式 (3) 。 ωij = L ij ∑ ernum i = 1 ∑ stnum j = 1 pij ×L ij ×100 % (3) 式中 : enum 为地块数 ; st num 为电网节点数 ; p ij 是节点和地块的关联因子 (若节点为该地块的电源 点则为 1 , 否则为 0) , L ij 为某节点给某地块所供负 荷 , ωij 为某节点对某地块的影响因子 ; 假设节点对该区域影响因子为 100 %时 , 设定 的区域填充色为纯黑 R GB (0 , 0 , 0) , 则根据地块 影响因子得到颜色变化的偏移量 I j , 其中颜色变化 的偏移量 I j 的计算方法见式 (4) 。 I j = 255 ×ωij / / 颜色偏移量 (4) 　　由偏移量 I j 得到新的填充色函数 R GB (0 + I j , 0 + I j , 0 + I j ) , 为方便程序使用 , 根据 R GB ( red , g reen , bl ue ) 计算 R GB 值 R GB V al ue , 见式 (5) 。 RGBV alue = ( red ×65 536) + ( green ×256) + blue (5) 　　该模块采用的影响区域填充法是从深到浅逐渐 淡化的填充方法。在实际应用中 , 为强调影响程度 的效果展示 , 可以根据影响因子设定颜色等级 , 按 等级进行填充。 214 　暂态分析 BPA接口 BPA 是电力系统分析计算的重要工具 , 能够 快速计算大型复杂电网的暂态稳定性。BPA 的计 算只能针对一种运行状态 , 如果要仿真互动过程 , 需要人工干预修改运行状态参数 , 影响其实用性。 本系统设计了与 BPA 的接口 , 通过统计判断故障 分析时间 , 调用文件读写语句处理固定时段稳定计 算以后的结果文件 , 计算过程不需要人工干预 , 大 大提高了计算的速度与效率 , 图 4 为接口的实现流 程。 在该过程中 , 潮流文件负荷值的自动修改是通 过在 PowerBuilder 程序中模拟正态分布进行负荷 抽样来实现 ; 潮流计算进程采用管道技术侦测 ; BPA 的稳定计算进程等待足够时间之后强制关闭 ; 稳定计算结束后 , 利用故障后不同时间点的功角情 况判断电网暂态稳定性[11212 ] , 对于暂态失稳的情 况 , 要把该故障发生概率等相关参数存放于数据库 中。 图 4 　BPA 接口技术流程图 3 　系统实现 311 　案例的稳态分析与显示 以 IEEE 14 节点电网为例 , 进行潮流计算可视 化分析 , 其结构见图 5。 图 5 　IEEE 14 节点电网结构 根据该电网结构和相关数据 , 在系统平台上搭 建电网模型 , 把电网架构用作地图背景 , 按 14 个 节点方位进行节点和线路的布局 , 建立等效拓扑图 如图 6 , 其中左侧树形菜单为该系统平台的功能模 块区 , 右侧为电网模型结构的展示区。由于该模型 01 现 　代 　电 　力 　　　2010 年 只是等效后的拓扑 , 在实际的地理图形可视化应用 中 , 还有各类设备图层能更加形象、直观地表示电 网结构。 图 6 　电网等效拓扑结构图层 在电网的拓扑和计算参数导入后 , 即可进行稳 态潮流和短路电流计算等。电网潮流的动态显示见 图 5 , 箭头的方向代表潮流的流向 , 箭头的大小与 潮流计算结果值成一定的正比例关系 , 图 7 (a) 中 图 7 　电网潮流的动态显示效果及潮流标注 显示了潮流计算结果和流向 , 图 7 ( b) 以饼状图显 示了线路负载情况 , 分别以紫色、白色标记当前线 路负载和该线路剩余容量 , 使用户清晰了解线路的 负载情况。 312 　故障情况下的区域分析 系统能模拟电网故障情况 , 并能够对故障后果 进行分析。IEEE 14 节点电网中有 5 台发电机组 , 分别挂在 1、2、3、6、8 节点。假设节点 4 故障 , 分析过程如下 : ①首先通过“选择对象”模块选择编号为 4 的节点为故障点 , 则系统自动快速定位到该节点 , 并在该节点上打上红叉 ; ②通过“分析故障关联对象”模块 , 可以分 析该故障点的关联情况 , 并闪烁凸显所关联的支 路 , 同时关联支路显示为红色 , 如图 8 (a) 中故障 点 4 的关联支路为节点 4 到节点 2、3、5、7、9 的 5 条支路。 ③调用 BPA 计算潮流 , 根据故障影响区域负 荷的大小 , 设定影响区域的颜色 , 受影响区域将以 闪烁的形式凸显。 假设区域 3、4、5、9 每个区域的总负荷值都 为 100MW , 其中区域 3、5、9 由多个节点同时供 电 , 区域 4 由节点 4 供电。当节点 4 故障时 , 计算 得到区域 3、4、5、9 负荷损失程度分别为 10 %、 100 %、31 %、3015 % , 根据负荷影响程度划分颜 色等级 (本文划分为 6 个等级 , 其中等级 1 的影响 程度为 100 %～80 % , 黑色 ; 等级 6 的影响程度为 0 % , 白色) , 得到整个电网的负荷影响区域图 , 见 图 8 (b) 。 图 8 　单节点故障分析 正常和故障状态下各线路负载和损耗的比例如 表 1 (只列举正常状态下负载比例超过 10 %的线 路) 。由表 1 可见 , 正常运行情况下 , 线路负载比 11第 4 期 阙华坤等 : 潮流计算可视化技术分析 例超过 10 %的线路有 8 条 , 其中一条超过 50 % , 线路 9、10 为变压器等效线路 , 电阻值为零 , 线路 损耗为零。故障情况下 , 线路 4、6、7、8、9 处于 断开状态 , 负载均为零 , 线路 5 从正常情况下 1015 %上升到 1613 % , 线路 10 的负载率从正常情 况下 1919 %上升到 3412 % , 其余的变化幅度均在 8 %以内 , 可见故障对地区供电的影响不大。这是 因为节点 4 故障后 , 导致节点 7 和节点 4 之间线路 断开 , 全网分裂为 2 个子网 , 分裂后节点 8 给节点 7 单独供电 , 电网还能正常运行。 表 1 　正常和故障运行情况下的线路分析 线路号 线路负载比例/ % 线路损耗/ MW 正常 故障 正常 故障 1 5517 4116 4179 2167 2 23 2216 2132 2128 3 3816 3318 517 4138 4 1218 0 0179 0 5 1015 1613 0153 1127 7 1017 0 0113 0 9 1014 0 0 0 10 1919 3412 0 0 另外 , 系统不仅可以模拟单点故障 , 而且还可 以模拟电源节点和多点组合故障的情况。 4 　结束语 本文实现了在 PowerBuilder、Map Info 和 BPA 平台之上对电网分析可视化的集成开发 , 将直观形 象的可视化表现形式与电力系统分析相结合 , 并在 保证可视化效果的同时 , 进一步提高了数据处理能 力。通过该系统平台能对电网结构进行简化 , 并进 行相应的可视化计算分析 , 模拟故障情形 , 按等级 划分影响区域 , 分析故障影响范围 , 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 整个电网 结构的脆弱性和安全性 , 进而为运行人员的辅助决 策提供工具。 参 考 文 献 [ 1 ] 　甘家峰 . 可视化技术在电力调度自动化系统中的应 用 [D ] . 天津 : 天津大学计算机科学与技术学院 , 2007. [ 2 ] 　王康元 , 张洁 , 朱丽娟. 基于 SV G的电网数据可视 化图形描述 [J ]. 电力系统及其自动化学报 , 2006 , 18 (5) : 84287. [ 3 ] 　张艳平 , 张洪平 , 周力行 . PowerWorld Simulator 电 力系统仿真可视化软件包的功能及应用 [J ] . 电力 科学与技术学报 , 2008 , 23 (2) : 76280. [ 4 ] 　刘文霞 , 张建华 , 刘念 , 等. 基于商业化组件的配电 网智能规划平台设计与实现 [J ] . 电力系统自动 化 , 2008 , 32 (12) : 48251. [ 5 ] 　向德军 , 杨银国. 基于地理信息系统的电力网络拓 扑分析 [J ] . 电力系统保护与控制 , 2006 , 34 (20) : 20223. [ 6 ] 　张敏 , 黄翠莲. OL E Automation 在 Map Info 地理信 息系统地图集成中的应用 [J ] . 电力系统保护与控 制 , 2002 , 30 (11) : 33234. [ 7 ] 　刘娆 , 李卫东 , 吕阳. 电力系统运行状态可视化技术 综述 [J ]. 电力系统自动化 , 2004 , 28 (8) : 92297. [ 8 ] 　刘翠艳 , 陈超英 , 张艳霞 , 等. 基于潮流数据文件 的电力系统可视化图形生成系统 [J ] . 电力系统保 护与控制 , 2004 , 32 (21) : 26228. [ 9 ] 　胡继芳 , 王宁. IEC61970 与新一代 EMS数据库管理 系统 [J ]. 电力系统自动化 , 2000 , 24 (24) : 38240. [ 10 ] 　Thomas J Overbye. 电力系统可视化技术 [J ] . 电力 系统自动化 , 2005 , 29 (16) : 60265. [11 ] 　袁宇春 , 张保会 . 最佳切负荷时刻的计算 [J ] . 电 力系统保护与控制 , 1999 , 27 (6) : 124. [12 ] 　毕兆东 , 王建全 , 韩祯祥. 基于数值积分法灵敏度的 快速切负荷算法 [J ]. 电网技术 , 2002 , 26(8) : 427. 收稿日期 : 2010204215 作者简介 : 阙华坤 (1986 - ) , 男 , 硕士研究生 , 研究方向为电力系统 通信和电力系统自动化 ; 刘文霞 (1967 - ) , 女 , 博士 , 副教授 , 主要研究方向为电 力系统通信、电力系统智能规划。 ( 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 编辑 : 杨秋霞) 21 现 　代 　电 　力 　　　2010 年