覃海，黃育松，沈冠全，黃俊，鄭杰輝，李志剛

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力調(diào)度控制中心，貴陽 550002；2.華南理工大學電力學院，廣州 510640)

0 引 言

近年來，隨著我國提出的電力系統(tǒng)向大容量、遠距離、特高壓發(fā)展的口號，電網(wǎng)每年都會建設大量的基礎項目，此時對于各省電力調(diào)度機構(gòu)來講，需要及時根據(jù)電網(wǎng)變化錄入各種新建基礎設備的參數(shù)信息，并對添加其他基礎設備之后的電網(wǎng)進行分析計算，以保證電力系統(tǒng)滿足安全、可靠、經(jīng)濟運行的前提條件。PSD-BPA是南方電網(wǎng)總調(diào)、中調(diào)以及電科院用于電力系統(tǒng)的主要軟件[1-3]，PSD-BPA軟件是來源于美國的一款國際先進水平的電力系統(tǒng)分析軟件包，中國電力科學研究院在1983年將其引入國內(nèi)后，經(jīng)過開發(fā)與完善后，形成了適用于我國電力系統(tǒng)分析計算的中國版BPA[4-6]，經(jīng)推廣。在電網(wǎng)調(diào)度運行、設計規(guī)劃、電力科學研究院等電網(wǎng)及科研機構(gòu)得到了廣泛的應用，是現(xiàn)在我國電力系統(tǒng)分析計算的重要工具之一，現(xiàn)各級電網(wǎng)均有該地區(qū)完整而詳細的BPA電網(wǎng)數(shù)據(jù)。Matpower是一種電力系統(tǒng)進行潮流計算和最優(yōu)潮流最為常用的開源軟件[7-9]。Matpower的設計理念是盡可能簡單易懂，它可以快速的執(zhí)行常規(guī)潮流運算，如P-Q分解法、牛頓拉夫遜法、高斯-賽德爾法等，也可以執(zhí)行最優(yōu)潮流程序，因此已成為全球范圍類的高校及其他科研機構(gòu)用于電網(wǎng)規(guī)劃與分析的重要研究與教學工具。MATLAB可以為Matpower提供進行潮流計算、電力系統(tǒng)分析計算的環(huán)境和平臺，例如無功優(yōu)化。然而現(xiàn)有的電網(wǎng)數(shù)據(jù)一般都是BPA數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在需要用MATLAB對實際電網(wǎng)進行分析計算的情況下，將面臨著BPA數(shù)據(jù)和Matpower數(shù)據(jù)不兼容的問題。當電網(wǎng)規(guī)模較小時，尚可人工進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，但是隨著近年來各電網(wǎng)基礎建設項目的日益增多，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)越發(fā)復雜，這種人工轉(zhuǎn)換的方式顯然是費時費力，并且轉(zhuǎn)換的準確性也沒辦法保證。不僅如此，有關這兩種模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式的文獻也偏少。因此，為了提高MATLAB平臺對電力系統(tǒng)分析計算的效率，為電網(wǎng)分析提出有力依據(jù)，開發(fā)BPA-Matpower的快速轉(zhuǎn)換接口程序?qū)⒆兊糜l(fā)重要。

在詳細分析了BPA模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和Matpower模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后，提出了BPA至Matpower快速準確轉(zhuǎn)換的接口方法。該接口方法在轉(zhuǎn)換過程考慮了邊界節(jié)點傳輸功率的方向與大小、電網(wǎng)直流線路傳輸功率的方向和大小以及并聯(lián)高壓電抗器對線路的功率補償，最后以從實際運行的大電網(wǎng)數(shù)據(jù)中分離出的74節(jié)點子系統(tǒng)A和1 209節(jié)點子系統(tǒng)B作為兩個算例，通過對轉(zhuǎn)換前后的潮流計算結(jié)果進行對比分析，驗證該轉(zhuǎn)換程序的準確性與有效性。

1 BPA及Matpower模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

要實現(xiàn)兩種模型數(shù)據(jù)的準確轉(zhuǎn)換，就必須對兩種模型數(shù)據(jù)在節(jié)點數(shù)據(jù)、變壓器數(shù)據(jù)、支路數(shù)據(jù)、發(fā)電機數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)以及直流數(shù)據(jù)上的差異有著深入了解，以下先分別介紹這兩種模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.1 BPA模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

BPA電網(wǎng)模型是根據(jù)實際電網(wǎng)模型抽象得到的，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的建立或修改通過操作數(shù)據(jù)卡實現(xiàn)，主要數(shù)據(jù)卡可分為3類：區(qū)域控制卡、節(jié)點卡、支路卡，這三類卡還包括各種子卡型。電網(wǎng)的各種參數(shù)在數(shù)據(jù)卡中都有固定的位置。本方法在該轉(zhuǎn)換過程中需要對以下數(shù)據(jù)卡的信息進行讀取與轉(zhuǎn)換，各數(shù)據(jù)卡中的主要數(shù)據(jù)與其位置的對應關系如表1～表7所示[10-11]。

表1 區(qū)域控制數(shù)據(jù)卡的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表2 交流節(jié)點數(shù)據(jù)卡的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表3 直流節(jié)點數(shù)據(jù)卡的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表4 交流線路數(shù)據(jù)卡的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表5 直流線路數(shù)據(jù)卡的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表6 線路高抗數(shù)據(jù)卡的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表7 變壓器數(shù)據(jù)卡的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

例如某電網(wǎng)實際BPA數(shù)據(jù)中，有：

(1)“B NF 4ANS51 525.AS -136 1.01”數(shù)據(jù)行含義是：基準電壓為525 kV的交流節(jié)點4ANS51，屬于AS片區(qū)，并聯(lián)導納無功負荷為-136 Mvar，節(jié)點電壓標幺值為1.01;

(2)“BQ 4LZg2 22.AS 50. 15. 660.400. 220. 0.97”數(shù)據(jù)行含義：是基準電壓為22 kV的發(fā)電機節(jié)點4LZg2，屬于AS片區(qū)，恒定有功負荷50 MW，無功負荷15 Mvar，最大有功出力660 MW，實際有功出力400 MW，最大無功出力220 Mvar，節(jié)點電壓標幺值為0.97;

(3)“L 4ANS51 525. 4AS51 525. 2240 .00015 0.0016 0.1143 16.1”數(shù)據(jù)行含義是：交流線路的起始節(jié)點為基準電壓525 kV的4ANS51節(jié)點，末端節(jié)點為基準電壓為525 kV的4AS51節(jié)點，線路的額定電流2 240 A，線路電阻的標幺值為0.000 15，線路電抗的標幺值為0.001 6，線路對地電納的標幺值為0.114 3，線路的長度為16.1 km；

(4)“LD XR-POS 210. 1 BA-POS 199.3000 12.15R1500. 500. 15. 18. 980”數(shù)據(jù)行含義是：直流線路起始節(jié)點為210 kV的XR-POS，末端節(jié)點為199 kV的BA-POS，線路額定電流為3 000 A，線路傳輸功率為1 500 MW;

(5)“L+ 4LIP51 525. GUILIN51 525.2 136. 109.”數(shù)據(jù)行含義是線路高抗的起始節(jié)點4LIP51節(jié)點消耗136 Mvar無功，末端節(jié)點GUILIN51消耗109 Mvar無功;

(6)“T 4PDz2 38.5 4PD11 115.31.5 .0104 .3387 38.5 121.0”數(shù)據(jù)行含義是：變壓器的起始節(jié)點為基準電壓38.5 kV的4PDz2節(jié)點，末端節(jié)點是基準電壓為115 kV的4PD11節(jié)點，變壓器的容量為31.5 MVA，由銅耗引起的等效電阻標幺值為0.010 4，漏抗標幺值為0.338 7，節(jié)點1的固定分接頭為38.5 kV，節(jié)點2的固定分接頭為121 kV。

1.2 Matpower模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

Matpower是以矩陣形式來保存電網(wǎng)數(shù)據(jù)的，共由三種矩陣[12]所構(gòu)成，分別是節(jié)點矩陣，發(fā)電機矩陣，支路矩陣，各個矩陣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式如表8～表10所示。

表8 節(jié)點矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表9 發(fā)電機矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表10 支路矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

以Matpower的30節(jié)點模型為例，節(jié)點矩陣的第七行：“7 1 22.8 10.9 0 0 1 1 0 135 1 1.05 0.95”，表示該節(jié)點的節(jié)點編號為7，類型為1(PQ節(jié)點)，有功負荷22.8 MW，無功負荷為10.9 Mvar，并聯(lián)電導和電納為0，電壓幅值的標幺值為1，相角為0，電壓的上限為1.05，下線為0.95。

2 BPA-Matpower數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法

2.1 BPA-Matpower的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理操作要點

由前面對BPA和Matpower模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析，可以看出這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅在形式上，而且在存儲方式上均存在較大的差異，因此在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時有如下需要注意的要點：

(1) BPA節(jié)點數(shù)據(jù)卡只含有節(jié)點的名稱，而沒有節(jié)點的編號順序，而Matpower節(jié)點矩陣中只有節(jié)點的編號，需要建立節(jié)點名稱與節(jié)點編號的一一對應關系;

(2) BPA節(jié)點數(shù)據(jù)卡分為很多種，在轉(zhuǎn)換過程中需要格外注意數(shù)據(jù)卡的類別，采用不同的轉(zhuǎn)換方法，如B節(jié)點數(shù)據(jù)卡、BD節(jié)點數(shù)據(jù)卡(直流節(jié)點)對應于Matpower節(jié)點矩陣中type-1、BQ節(jié)點數(shù)據(jù)卡對應于Matpower節(jié)點矩陣中type-2、BS節(jié)點數(shù)據(jù)卡對應于Matpower節(jié)點矩陣中type-3;

(3) BPA區(qū)域控制數(shù)據(jù)卡對控制的區(qū)域都進行了分區(qū)，而且每個節(jié)點都有對應的分區(qū)，可利用分區(qū)名對所需要的節(jié)點數(shù)據(jù)、發(fā)電機數(shù)據(jù)、變壓器數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)進行精確篩選，提高數(shù)據(jù)的提取速度;

(4) BPA模型數(shù)據(jù)會有直流節(jié)點數(shù)據(jù)卡，需要尋找連接該直流節(jié)點的直流線路，將直流線路上傳輸?shù)墓β兽D(zhuǎn)換成該節(jié)點的負荷功率，而Matpower的負荷功率都是直接寫在節(jié)點矩陣中;

(5) 當所提取區(qū)域的BPA模型數(shù)據(jù)中沒有平衡節(jié)點時，我們需要從對應的區(qū)域控制數(shù)據(jù)卡中提取出該區(qū)域的區(qū)域緩沖節(jié)點名，將該節(jié)點當做平衡節(jié)點，實際區(qū)域電網(wǎng)也是用區(qū)域緩沖節(jié)點當做平衡點計算潮流，再由提取出來的節(jié)點名稱匹配到對應節(jié)點序號，修改節(jié)點類型;

(6) BPA和Matpower線路都是采用π型等效電路，但區(qū)別在于BPA線路數(shù)據(jù)卡中的線路導納標幺值是線路總導納標幺值的一半，所以在轉(zhuǎn)換到Matpower中的支路矩陣時要乘以2;

(7) BPA中含有很多雙回線，而且雙回線的參數(shù)一般還是有些差別，轉(zhuǎn)換成支路矩陣時需要進行一定的區(qū)別，在將解析的BPA潮流結(jié)果文件中線路傳輸功率匹配到對應線路時，可以作為辨別方法;

(8) BPA把發(fā)電機節(jié)點用節(jié)點數(shù)據(jù)卡表示，線路數(shù)據(jù)卡和變壓器數(shù)據(jù)卡分開表示，并且線路中用并聯(lián)高抗線路數(shù)據(jù)卡(L+卡)來表示并聯(lián)高壓電抗器，Matpower則把發(fā)電機節(jié)點用單獨的發(fā)電機矩陣表示，線路和變壓器都寫入支路矩陣中，而且不存在高抗線路的數(shù)據(jù)，因此得對高抗線路卡做相應的轉(zhuǎn)換，需要將高抗線路前后側(cè)的高抗容量轉(zhuǎn)換成前后側(cè)節(jié)點對應的Matpower節(jié)點數(shù)據(jù)中的Bs列;

(9) 對于所提取區(qū)域的對外聯(lián)絡線上功率也要找到對應的區(qū)域內(nèi)落點，將線路上傳輸?shù)墓β实刃мD(zhuǎn)換到該節(jié)點矩陣中的Ps，Qs列。

2.2 BPA-Matpower的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程圖

本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化接口是基于MATLAB平臺進行設計開發(fā)的，首先是讀取BPA的.dat潮流數(shù)據(jù)文件，接下來開始識別所需要得到的基準功率信息和區(qū)域信息包括平衡節(jié)點和區(qū)域分區(qū)名，并根據(jù)得到的區(qū)域分區(qū)名對初始的BPA數(shù)據(jù)進行精確篩選，得到該區(qū)域下的所有節(jié)點、線路、變壓器等有效數(shù)據(jù)卡，實現(xiàn)高效的提取技術(shù)。

該BPA和Matpower潮流格式數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換程序的具體流程和結(jié)果對比程序流程如圖1、圖2所示。

圖1 BPA-Matpower數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口流程圖

圖2 BPA潮流數(shù)據(jù)結(jié)果和Matpower潮流數(shù)據(jù)結(jié)果對比流程圖

3 基于實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)的算例分析

3.1 74節(jié)點子系統(tǒng)A的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與對比

以74節(jié)點子系統(tǒng)A的BPA電網(wǎng)數(shù)據(jù)為例來驗證該接口程序轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準確性。

該子系統(tǒng)A的電網(wǎng)數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢喊?4個關鍵節(jié)點，6個發(fā)電機節(jié)點，87條線路。由于篇幅限制，在此僅展示部分比較數(shù)據(jù)，如表11、表12所示。

表11 子系統(tǒng)A的部分節(jié)點電壓數(shù)據(jù)

表12 子系統(tǒng)A的部分發(fā)電機電壓數(shù)據(jù)

從表11、表12的負荷節(jié)點、發(fā)電機節(jié)點信息可以看出，在該片區(qū)內(nèi)，包含各種電壓等級的負荷節(jié)點、發(fā)電機節(jié)點，和實際的電網(wǎng)情況很接近。首先，我們通過該接口程序從實際大電網(wǎng)中提取出該片區(qū)數(shù)據(jù)，再進行轉(zhuǎn)換，然后對轉(zhuǎn)換前后的兩種數(shù)據(jù)相應節(jié)點，相應線路潮流信息進行對比分析，比較兩種數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換誤差。從表11可以看出，BPA和Matpower計算的每個對應節(jié)點電壓都相當接近，誤差很小。不僅如此，表12還顯示BPA和Matpower計算的平衡節(jié)點有功，無功輸出更是幾乎一樣，說明了轉(zhuǎn)換的準確性。

BPA的潮流計算結(jié)果和Matpower的潮流計算結(jié)果在節(jié)點電壓，線路功率傳輸?shù)膶Ρ热鐖D3～圖6所示。

圖3 子系統(tǒng)A的74個節(jié)點電壓對比圖

圖4 子系統(tǒng)A的74個節(jié)點電壓的電壓偏差對比圖

由圖3、圖4該片區(qū)電網(wǎng)的BPA節(jié)點電壓數(shù)據(jù)和Matpower節(jié)點電壓數(shù)據(jù)對比圖可以看出，兩種方法轉(zhuǎn)換的節(jié)點電壓誤差都很小，大部分節(jié)點電壓誤差都在±0.002以內(nèi)，極少數(shù)電壓偏差達到0.008，所有的節(jié)點電壓誤差都在可接受范圍內(nèi)。

圖5 子系統(tǒng)A的87條線路傳輸有功偏差對比圖

圖6 子系統(tǒng)A的87條線路傳輸無功偏差對比圖

由圖5、圖6該片區(qū)電網(wǎng)的BPA潮流數(shù)據(jù)和Matpower潮流數(shù)據(jù)對比圖可以得到，該片區(qū)的87條線路上傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率偏差都分別小于0.5 MW和2 Mvar，基本上可以忽略不計。

通過對小片區(qū)上節(jié)點電壓和線路傳輸功率的比較，可以得出以下結(jié)論：該轉(zhuǎn)換技術(shù)在對小片區(qū)轉(zhuǎn)換上有著良好的有效性以及優(yōu)越的等值轉(zhuǎn)換性能。

3.2 1 209節(jié)點子系統(tǒng)B的電網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與對比

以1 209節(jié)點子系統(tǒng)B的BPA電網(wǎng)數(shù)據(jù)為例來進一步驗證該接口程序轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準確性。

該子系統(tǒng)B的電網(wǎng)數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢喊? 209個節(jié)點，95個發(fā)電機節(jié)點，1 563條線路數(shù)，由于篇幅限制，在此就只展示部分數(shù)據(jù)，如表13、表14所示。并對轉(zhuǎn)換后的Matpower潮流數(shù)據(jù)和BPA潮流數(shù)據(jù)在節(jié)點電壓、線路功率傳輸兩個方面進行對比分析，如圖7～圖9所示。

表13 子系統(tǒng)B的部分節(jié)點電壓數(shù)據(jù)

表14 子系統(tǒng)B的部分發(fā)電機電壓數(shù)據(jù)

圖7 子系統(tǒng)B的1 209個節(jié)點電壓對比圖

圖8 子系統(tǒng)B的1 209個節(jié)點電壓的電壓偏差對比圖

圖9 子系統(tǒng)B的1 563條線路傳輸有功偏差對比圖

由圖7～圖9可以看出該轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅對小片區(qū)轉(zhuǎn)換有著較好的有效性，而且對于整個大區(qū)域乃至省級電網(wǎng)都有著幾乎等值的轉(zhuǎn)換效果，超過95%的節(jié)點電壓偏差都在±0.02以內(nèi)，極個別點由于是該省電網(wǎng)梯級水電站節(jié)點，導致節(jié)點電壓有所偏大。超過95%的線路有功傳輸偏差在±5 MW以內(nèi)，與對應線路上傳輸?shù)墓β氏啾龋瑤缀蹩梢院雎圆挥嫛?/p>

由圖4、圖8的對比，圖5和圖9的對比可以看出，隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大，轉(zhuǎn)換前后的潮流計算結(jié)果差別略微增大，但是都在較小的可接受范圍內(nèi)。

通過對電網(wǎng)所有節(jié)點電壓和線路傳輸功率的比較，可以得出以下結(jié)論：該轉(zhuǎn)換技術(shù)在對大電網(wǎng)轉(zhuǎn)換上同樣有著良好的等值轉(zhuǎn)換性能。

總而言之，轉(zhuǎn)換后，兩種潮流計算的結(jié)果基本一致，細微的差別可能是節(jié)點較為特殊、處理邊界節(jié)點不合理以及軟件計算原理的不同所導致的，比如圖8節(jié)點編號在1 200左右的節(jié)點，都是些靠近電網(wǎng)直流線路邊界直流節(jié)點的交流節(jié)點，而對邊界直流線路上傳輸?shù)墓β?，我們采用的方法是直接找到直流線路在電網(wǎng)的落點，轉(zhuǎn)換成對應節(jié)點的負荷，該等效較為粗糙，由于該直流線路上傳輸?shù)墓β识荚谏锨W，對周圍節(jié)點電壓大小影響較為明顯，這是導致周圍節(jié)點電壓偏差較大的主要原因,這也說明了我們轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的準確性。

4 結(jié)束語

設計了一種能夠準確將BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Matpower數(shù)據(jù)的接口，實現(xiàn)了BPA數(shù)據(jù)仿真程序的擴展，使得以后可以基于MATLAB平臺對實際的電力系統(tǒng)進行實時仿真，成為連接BPA和MATLAB的一種有效快捷的轉(zhuǎn)換工具。