（电力系统及其自动化专业论文）配电网供电能力分析方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 地方经济的迅速发展，对配电网供电能力提出更高的要求，给配电网供电能力 研究带来新的挑战。本文在综述目前供电能力研究方法的基础上，拓展供电能力研 究的领域和方法：通过详细介绍可视化技术在电力系统中的应用以及通过利用 p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 进行供电能力研究的4 个算例，得出可视化软件在配电网供 电能力研究领域将会有广泛应用前景的结论；本文的重点是在讨论发输电系统最大 负荷供应能力模型的基础上，提出基于直流潮流的配电网负荷供应能力概念，推导 出模型、原理、计算方法，并通过实际的配电网进行验证。 关键词：供电能力，可视化，可靠性，配电网 a b s t r a c t t h eg r o w t ho fl o c a l se c o n o m y , r e q u i r e st h es u p p l y i n gc a p a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o n e l e c t r i c a l s y s t e mb e c o m i n gs t r o n g e r , g i v e st h es t u d yo ft h ed i s t r i b u t i o n e l e c t r i c a l s y s t e m ss u p p l y i n gc a p a b i l i t yan e wo p p o r t u n i t y o nt h eb a s i so ft h es t u d y0 nt h em e t h o d o ft h ed i s t r i b u t i o ne l e c t r i c a ls y s t e m ss u p p l y i n gc a p a b i l i t y , t h i sp a p e re x p a n di t ss t u d y f i e l da n dr e s e a r c hm e t h o d ：t h o u g hi n t r o d u c i n gt h ev i s u a l i z et e c l i n o l o g yi nt h ee l e c t r i c a l a p p l i c a t i o na n dt h e4f o r t u n e t e l l i n gb yt h ep o w e r w o r l ds i m u l a t o r , t h ep a p e rh a v et h e c o n c l u s i o nt h a tt h ev i s u a l i z es o f t w a r ew i l lh a v eas h i n i n gf o r t u n ei nt h es t u d yo ft h e d i s t r i b u t i o ne l e c t r i c a ls y s t e m ss u p p l y i n gc a p a b i l i t y ；o nt h eb a s i so ft h ed i s c u s s i o no nt h e l o a ds u p p l y i n gc a p a b i l i t y ( l s c ) ，t h em o s ti m p o r t a n c eo ft h ep a p e rg i v e sac o n c e p to f d i s t r i b u t i o nl o a ds u p p l y i n gc a p a b i l i t y ( d l s c ) ，a n de x t r a c t si t sm o d e l 、t h e o r ya n dt h e c a l c u l a t em e t h o d i nt h ee n d ，t h ep a p e rg i v e sar e a l i t ye x a m p l e h uz u n z h a n g ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n ga n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f a ix i n k e y w o r d s ：s u p p l ye l e e t r i e i t yc a p a b i l i t y ，v i s u a l ，s t a b i l i t y ，d i s t r i b u t en e t w o r k ； 华北电力大学硕士学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网供电能力分析方法研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豳受递日期：盖型：i ：! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：塑垒丛 导师签名： 日期：型堕：! 厂 日 期：臣g ：；。r 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 电力，是当今社会发展的主要动力。 当前的中国，经济快速发展，各项事业欣欣向荣，逐步促成了以城市为中心的 政治、经济区。这些区域的负荷增长迅速。作为区域持续发展的关键因素，人们对 电力的发展提出了更高的要求，配电网的供电能力引起越来越多的关注。 电力负荷迅速增长，但是一些地区原有的配电网由于投资、维护等原因，形成 了一些供电瓶颈，供电能力满足不了用户的电力需求。为了应对地区政治、经济的 迅速发展，配电网的改造、扩建正在全国范围内迅速展开。 为了适应这种形势，为了指导配电网的发展，国家相关部门陆续颁发了城市 电力网规划设计导则及“实施补充意见及说明”、城市中低压配电网改造技术导则 及“实施补充意见及说明”、关于加快城市电网建设改造的若干意见等若干规则。 规则颁发以来，各地区供电部门积极应对，积极开展本地区电网的供电能力分析工 作。这些工作，对本地区电网的健康发展，起到了关键性的作用，促进了本地区电 网可靠、安全、经济运行，提高了经济效益和社会效益。 目前，对于地区电网供电能力分析，主要的方法是：在地方供电部门提供的电 网基础技术数据和运行数据的基础上，运用统计的方法，辅以潮流计算，计算供电 能力评估指标，根据这些指标评估本地区电网的供电能力。也就是说，对配电网的 供电能力评估，主要评估当前电网的运行现状，对于电网应对负荷增长的能力，简 单的以当前总体负荷水平增加2 0 、4 0 核算。也就是说，目前对地区电网供电能 力的研究，还刚刚开展，还有待深入。 因此，对配电网供电能力进行更深层次的研究，拓展研究领域及其研究方法， 指导地区电网的规划、运行，支持地方政治、经济的迅速发展，将具有巨大的政治 意义和巨大的经济效益。 可视化是当前电力系统计算分析软件的发展趋势和追求目标，其直观的数据显 示和方便的交互式操作日益受到用户的青睐。随着配电网的发展，对于供电能力分 析的计算工作量也日趋庞大，可视化软件对于配电网供电能力分析计算，意义重大。 本论文正是基于这样的出发点展开的。期望通过研究，拓展配电网供电能力研 究的领域及其研究方法，将自己的工作融入到当前经济发展中，为当前的社会政治、 经济发展，贡献自己的智力力量。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 配电网实例 首先介绍城市配电网( c i t yd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 。城市配电网是向一个城市及其 郊区分配和供应电能的电力网。它包括高压配电网、中压配电网、低压配电网。城 市配电网连同为其提供电源的输电线路及其变电所，统称为城市电力网，简称城网。 建在城市外围的环网，是供应大城市配电网的主要电源，是城市配电网的重要网架。 这个网架上的枢纽变电所，一方面向城市中心地区直接以放射结构供电或降压配 电，另一方面向城市近郊区及其远郊区县供电。城市外围的环网，以建成双环网为 目标，一般采用2 2 0 k v 输电电压。大城市的负荷增长较快，当需要新的电源接入而 使环网的短路容量超过规定值时，有必要建成更高一级电压的5 0 0 k v 双环网。在更 高一级电压双环网形成后，应将原有的双环网开环分片运行，以取得降低短路容量 的效益，并避免形成高压与低压电磁环网的运行困难1 4 1 , 4 9 】。 下面以巴彦淖尔地区电网2 0 0 5 年年度运行方式为例，介绍配电网的运行特点、 结构特点和发展的特点。图1 1 节选自巴彦淖尔电网接线简图【4 引。 图1 1巴彦淖尔电网接线籀图( 节选) 2 - 华北电力大学硕士学位论文 1 巴彦淖尔电网的结构特点和运行特点。巴彦淖尔电网的电压等级为2 2 0 k v 、 1 1 0 k v 、3 5 k v 、1 0 k v 、3 8 0 2 2 0 v 。外围是2 2 0 k v 的双回骨干网架，每个2 2 0 k v 枢纽变电所有两路电源，如临河东郊变电所的临棋线和前临线。正常运行时，2 2 0 k v 的i 、i i 母线并列运行，出线单编号上i 母、双编号上i i 母运行。电网中有电磁环， 如图中的三盛公变磴口变陕坝变临河东郊变，断开点在磴口变1 1 1 开关；厂 汉变炭窑口变陕坝变临河东郊变，断开点在炭窑口变1 1 1 一l 刀闸。2 个负荷 环是临东临西陕坝；临东新华陕坝。这两个负荷环不能同时运行，其中临 东临西陕坝负荷环为长期运行方式。电磁环和负荷环可短时合、解环倒负荷。 2 配电网负荷增长迅猛。2 0 0 4 年，巴彦淖尔电网的供电量增长了1 1 2 0 1 6 万千 瓦时，比2 0 0 3 年增长了6 8 8 ；2 0 0 5 年全网负荷预计最大用电负荷1 1 0 0 m w ，将 比2 0 0 4 年最大负荷5 6 8 3 m w 增长9 3 6 。 3 电网建设发展迅速。在2 0 0 4 年，新投运的2 2 0 k v 变电所就有5 座，新增主 变6 台，变电容量7 7 0 m v a ；1 1 0 k v 变电站4 座，新增主变5 台。电网改建2 2 0 k v 线路4 条，新建2 2 0 k v 线路3 条；改建1 1 0 k v 线路3 条，新建1 1 0 k v 线路5 条。 所有这些极大地改善了电网的电源结构、网架结构。 4 地区负荷发展速度分布不均匀。由于该地区建成了很多冶炼厂，在不同的负 荷点上，负荷发展速度并不一致，并不是全网负荷同步增长。 1 3 主要研究内容 本文是在配电网快速发展的背景下进行的，出发点是希望通过本文的研究，拓 展配电网供电能力研究的领域，研究配电网供电能力分析的新方法。本文的主要研 究内容是： l ，综述当前的配电网供电能力分析研究的领域及方法。在此基础上，论文对配 电网供电能力分析研究的领域进行了拓展，认为供电可靠性、可用传输容量 ( a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ，a t c ) 的研究属于供电能力研究的重要领域；可视 化软件是供电能力计算分析的发展方向。 2 综述当前电力系统可视化发展概况。可视化技术的发展，主要表现在三个方 面：电力系统的数据显示、运行安全状态显示、运行的趋势显示。以p o w e r w o r l d s i m u l a t o r 软件为例，系统介绍可视化软件的特点。 3 介绍我们所开发的一个实际的配电网供电能力计算软件。使用结果表明，这 种软件具有信息的直观显示、方便的交互式操作等特点，极大地方便了工作人员的 工作，实用性强。 4 通过4 个算例，证明可视化软件对于配电网供电能力的分析，将有极大的方 华北电力大学硕士学位论文 便性、实用性。利用经典的可视化软件p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 进行。分析表明，利 用可视化软件分析配电网供电能力，可以直观、迅速、准确的给出分析结果；更为 重要的是，它可以模拟各个负荷点的负荷变动给全网带来的影响，弥补目前分析方 法的缺陷。分析认为，将可视化技术引入对配电网供电能力的计算分析，将会丰富、 完善研究的手段。 5 通过对电力系统可靠性的研究，认为电力系统可靠性研究，是配电网供电能 力分析领域的一项重要内容。发输电网系统可靠性研究中的最大负荷供应能力概 念，更是和配电网供电能力有相通的地方。论文详细讨论了最大负荷供应能力的概 念、原理、计算方法。认为将这个概念应用于配电网供电能力的分析，可以指导配 电网的规划以及指导制定运行计划。 6 提出基于直流潮流的配电网负荷供应能力的概念，推导出它的模型、计算方 法。这种模型主要研究配电网承受负荷的能力，就是在不考虑电力供给约束的前提 下，配电网可承受的负荷能力。同时讨论了求解这种模型应用的直流潮流算法、线 性规划的求解方法一单纯形法和改进的单纯形法。 7 利用配电网负荷供应能力模型，计算一个实际配电网的供电能力。算例表明， 这种模型是实用的，可以用来评估现有配电网的负荷承受能力，用于指导配电网的 电源规划布局以及配电网内部负荷点的布局，是对配电网的供电能力分析的一个重 要拓展。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章配电网供电能力分析方法研究综述 配电网供电能力的研究，近几年因为对城市电网的改造而获得蓬勃的发展。自 从城市电力网规划设计导则及“实施补充意见及说明”、城市中低压配电网改造 技术导则及“实施补充意见及说明”、关于加快城市电网建设改造的若干意见等 规则、意见颁发以来，地方供电部门结合自身的实际，依据这些规则，协同高校、 科研单位，对本地区的供电能力进行了评估，指导了本地区的电网规划、运行，获 得了很好的经济、社会效益。 本章首先对配电网供电能力研究内容、方法进行综述，明确目前研究配电网供 电能力的方法、研究内容及现状；其次对供电能力的研究内容进行拓展。 2 2 配电网供电能力分析方法研究综述 文章 9 】对配电网的供电能力评估系统进行了方案设计。其设计的配电网评估系 统、评估内容如图2 - 1 、2 - 2 ： 图2 - 1配电网评估系统图 - 5 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 配电网评估内容图 论文 1 0 依据城市电力网规划设计导则、城市中低压配电网改造设计导 则、城市建设与改造评估的若干规定等文件，在系统搜集、分析苏州供电企业 的背景资料( 企业概况、电力需求、输电网、配电网状况) 的基础上，熏点研究了 当前负荷下的中低压配电网供电情况，通过数学分析得出线路的负载率、理论线损 率以及电压降等各项运行指标，综合评估得出其供电能力。此外，还对中低压配电 网的供电能力进行了裕度分析，在保证电网安全运行的前提下，分析、评估配电网 的承受负荷能力。具体评估内容如表2 1 ： 表2 - 1配电网评估指标表 评估分类评估指标 运行数据统计分析 供电可靠性统计指标、综合电压合格率、全网综合线损率 主变投运时间分布、高压线路投运时间分布、中压配电网 设备投运时间分布 建设时间分布 电力需求预测与行业用电分析 地区电力发展预测( 裕度分析) 变电站及网架结构分析 当前负荷条件下高压网络现状分容载比和容载率分析 析 无功补偿分析 自动化程度分析；出线间隔分析 架空线路和电缆线路长度、截面分析 分段联络线状况分析 当前负荷条件下中压网络现状分负载率及供电能力裕度分析 析理想线损率分析；电压降分析 线路平均运行率分析 可报装控制容量分析 线路负载率及供电裕度分析 负荷发展条件下中压配电网分析 理论线损率、电压降、配变平均运行率分析 相对于论文【1 0 ，论文 1 2 】、文献 4 】开发了一套城市电网供电能力评估软件， 这仑软件可以对当前电网的运行状况进行分析评估，可以完成论文 】 评估的大部分 - 6 - 华北电力大学硕士学位论文 内容，其具备了在潮流分析的基础上，n 一1 分析功能。具体分析思路是：首先计算 在现有条件下电网是否存在相对薄弱的地方；如果没有，则计算负荷增长到什么水 平时电网会出线薄弱环节；最后，计算在n 1 条件下电网是否能正常供电。值得注 意的是。该论文在评估系统可靠性时候，针对中压配电网络采用了一种基于最小路 的实用快速评估算法分析简单辐射型城市电网的可靠性。这比论文【l 】前进了一步。 论文 1 0 、【1 2 】基本代表了目前国内地区电网供电能力评估发展水平。这种评估 的核心理念是，在已有的地区电网统计数据的基础上，根据规定或导则中的各个要 求项目，对地区电网的供电能力进行评估。在评估过程中，基本不需要大的潮流计 算，即使计算n 一1 条件时，也仅仅是考虑负荷能否可靠地转移。其它的论文、研究 是在其某些方面的发展。 论文1 1 1 将可靠性研究和供电能力研究联系起来，并且指出：配电网的线路负 载率( 线路负载裕度) 在很大程度上影响着负荷转移的成败，进而对配电网的可靠 性有重要的影响。首先，论文基于模糊理论分析了北京城区配电网的供电能力( 包 括线路负载率、电压转移、网损及n 1 校验) 的现状，其突出贡献是综合考虑线路 负载率、电压转移、网损及n 一1 校验对地区电网供电能力的影响，采用隶属函数对 北京城区配电网的整体供电能力做出了评价。该论文建立了基于统计数据的可靠性 评估指标；此外，为了衡量网架转带负荷的灵活性，提出了故障影响度的指标，该 指标级别越高，说明网架结构越不合理。论文最后采用故障模式后果分析法对配电 网的可靠性进行了计算分析。论文中运用的利用模糊算法来分析配电网供电能力的 方法在文献【2 】、【3 】也得到应用，它们都能对配电网的综合供电能力进行较好的评估。 当然，这种评估，要依据运行经验，才能对不同的供电能力指标分配不同的系数， 这无疑增加了综合评估的随机性。 与前面描述的供电能力分析相比，文献 1 的创新之处在于其紧跟电力系统新技 术的发展，充分利用最新的技术如配电网地理信息系统( g i s ) 、管理信息系统( m i s ) 、 安全监控和数据采集系统( s c a d a ) 来获得数据。其把1 0 k v 配电网供电能力评估 系统分成8 个功能模块： ( 1 ) 线路平均分段、联络情况分析模块； ( 2 ) 1 0 k v 线路负荷转供能力分析模块； ( 3 ) 变电所n 1 能力分析模块： ( 4 ) 变电所主变压器容量与出线间隔使用率之间关系分析模块； ( 5 ) 变电所无功设备投切量分析模块； ( 6 ) 电压水平分析模块： ( 7 ) 电网设备情况统计模块； ( 8 ) 区域容载比和线损率统计模块。 与上述的文献对地区电网供电能力评估不同，文献【7 】、 8 】、 1 3 】利用潮流计 7 + 华北电力大学硕士学位论文 算，计算了地区电网的供电能力。在文章中，以系统电压水平达到安全运行下限为 判断标准，计算了乌海地区的供电能力。 在对提高苔菜镇的供电能力进行探讨时，文献 6 首次考虑经济因素，对几个方 案从供电质量、供电能力、资金投入和产出效益方面进行了比较。 从以上综述可以看出，目前对地区电网供电能力的分析，主要集中在根据导则 等规定的各个项目，在广泛搜集运行数据、电网结构数据、地方负荷发展趋势数据 的基础上，对电网的各种指标进行评估。指标涉及电网结构评估、运行年限评估、 运行指标评估、n 1 评估、负荷发展后电网供电能力评估。在评估n 1 条件时，运 用潮流计算评估供电能力：在文献【8 仲，以系统电压水平达到安全运行下限作为判 定标准，计算地区配电网的供电能力。 2 3 配电网供电能力分析方法总结及其拓展 从上述综述中可以看出，目前对配电网供电能力的研究，从论文【1 0 】的评估指 标可以看出，研究思路主要是从电网的运行结果来推断配电网的供电能力，主要表 现在评估规则制定的一系列指标是否满足。对这些指标评估的主要依据是根据搜集 到电网的物理结构数据、运行数据，对电网物理结构的合理性、年限，以及电网运 行指标进行分析评估。并且开发了许多相关软件。这些软件，可以完成配电网供电 能力分析的某些功能，并且一些软件可以做到将分析的数据形成图表或在地理信息 系统图( g i s ) 上显示】。 研究的主要内容包括： 1 满足用户电力需求的能力。不但要满足负荷高峰时候的正常供电，而且要满 足负荷低谷时候的用电； 2 满足用户电量需求的能力。就是在总量上保证用户对电力的需求； 3 满足用户对电能质量的需求。如今，随着现代工业的迅速发展，这一要求会 越来越高，越来越严格； 4 满足负荷短期、长期增长的能力。这主要表现在供电的裕度问题。这要求在 规划电网时，要充分考虑到负荷的增长类型、潜力，做到统筹规划，既要满足负荷 长期、短期增长的需要，又要满足经济的投资要求，支持地方经济的发展。 随着研究的逐渐深入，电力市场化的程度近一步加深，笔者认为下述两项也应 该归入供电能力研究的范畴： 1 满足供电可靠性的能力。电力系统可靠性是指电力系统按照可按受的质量标 准和所需数量不间断地向电力用户供应电能的能力的度量，包括充裕度和安全性两 个方面。充裕度是指电力系统维持连续供给用户总的电能量的能力，同时考虑到系 华北电力大学硕士学位论文 统元件的计划停运及合理的期望非计划停运，又称静态可靠性，即在静态条件下电 力系统满足用户电力和电能量的能力：安全性是指电力系统承受突然的扰动，如突 然短路或未预料的失去系统元件的能力，也称为动态可靠性，即在动态条件下电力 系统经受住突然扰动且不间断地向用户提供电力和电能量的能力口”。 电力系统可靠性研究，目前已经成为一个专门的研究领域，形成了一套完整的 理论体系。电力系统可靠性研究的目的是：为电力系统的发展规划而进行长期的可 靠性估计；为制定每天或者每周运行计划而进行短期的可靠性预测。提高可靠性的 途径，一个就是提高组成系统各元件的可靠性，= 是增加系统的冗余度。电力系统 的可靠性指标主要是以负荷是否能够得到充分的电力供应作为判据。由于电力系统 的规模庞大，电力系统可靠性研究，通常划分为发电系统可靠性研究、互联发电系 统可靠性研究、输电系统可靠性研究、配电系统可靠性研究。这方面的研究，国内 外都有很多优秀的教材、文献和成果【3 7 , 3 8 , 3 9 , 4 0 】。 2 在电力市场条件下，电网从单纯传输、分配职能来看，如何更好满足发电方 和用电方的需求能力。常用下面公式表示【5 0 】： a t c = t t c c b m t r m 一“e x i s t i n g t c 其中： a t c a v a i l a b l et r a n s f e rc a p a b i l i t y ，可用传输容量 t t c t o t a lt r a n s f e rc a p a b i l i t y ，全部传输容量 c b m c a p a c i t yb e n e f i tm a r g i n ，容量效益裕度 t r m t r a n s m i s s i o nr e l i a b i l i t ym a r g i n ，传输可靠裕度 e x i s t i n gt c e x i s t i n gt r a n s m i s s i o nc o m m i t m e n t s ，现有传输计划 伴随着我国电力市场改革的深入开展，对于a t c 的研究，已经广泛展开。 2 4 本章小结 本章对配电网的供电能力，主要是城市配电网的供电能力分析方法进行了综 述。目前研究的方法是依据规则规定的各项指标，主要是从配电网的运行数据、配 电网的网络技术数据来分析配电网的供电能力。在综述的基础上，总结了目前供电 能力研究的四条内容。结合目前我国电力市场化改革，以及国内外日益高涨的对供 电可靠性的需求，本章对配电网的供电能力分析方法进行了拓展，认为配电网可用 传输容量、配电网可靠性的研究也应该成为供电能力研究领域的重要组成部分。 华北电力大学硕士学位论文 第三章可视化供电能力计算软件 3 1 可视化在电力系统中的应用及其发展 科学计算可视化，又称为可视化技术，是2 0 世纪8 0 年代后期随着计算机技术 发展而出现的一门技术。其主要是把各种繁杂的数据转换成直观的图形或图像，从 而有利于人们正确理解数据或过程的含义。电力系统运行状态可视化( v i s u a l i z a t i o n o f p o w e rs y s t e mo p e r a t i n gs t a t e ) 是指利用可视化技术将系统的运行状态以图像或图 形方式予以显示，以使运行人员更方便、更直观地了解当前系统的运行状态，以便 其采取的运行控制措施更有效、更具有针对性。可视化技术在电力系统的进一步应 用，已经扩展到了系统规划、运行模拟等方面1 1 。 3 1 1 可视化在电力系统中发展的背景 随着电力系统的发展，新情况新问题不断涌现，使得对电力系统运行状态可视 化研究的要求越来越迫切。具体体现在： 1 临近运行极限。随着电力市场的发展，出于经济性考虑，现代电力系统一般 都运行于运行极限附近，这种迹象越来越明显。这就要求运行技术人员对出现的问 题快速反应，否则后果难以想象。 2 系统越来越大。随着全国电网互联的进程进一步加快，我国的电力系统规模 越来越大，大范围的功率输送越来越多，这使得运行控制的范围越来越大，控制难 度越来越大。 3 数据越来越多。随着电力市场的进一步发展，对运行、控制的要求进一步加 深，对电力系统的质量要求进一步提高，大量的数据涌现出来，运行人员面临日益 海量的数据。 3 1 2 电力系统运行状态可视化技术发展的现状 对电力系统运行状态可视化的研究，主要表现在三个方面：电力系统的数据 显示、运行安全状态显示、运行的趋势显示。 1 数据显示 数据显示是实现可视化的基础功能。数据显示可以归结为网络结构、节点数 华北电力大学硕士学位论文 据、线路数据等3 类基本显示技术。 ( 1 ) 网络结构 在我国，普遍使用的网络结构描述方式是利用粗细不同的线段组成单线图。这 种显示方式的优点是图形规整，可以十分清晰的将节点数据和线路数据标注到相应 的位置上。文献【2 1 】表明，单线图对理解网络很有帮助。基于地理位置的点线图是 在地理位置图上标注节点和线路数据，这种显示方式十分直观。 随着系统规模的增加，在一个屏幕上显示整个系统出现困难，这时的解决方法 是将系统图的显示细分为不同的级，然后应用多窗口操作在不同级的显示图之间进 行切换 2 2 , 2 3 l 。尽管多窗口分级显示方式可较为有效地解决大规模系统的网络结构显 示问题，但很难在对系统全局有整体的把握的同时，能迅速了解局部区域的详细内 容。解决的办法是文献【9 提出的双屏( 多屏) 显示方案。该方案中，网络显示有2 ( 多) 个屏幕组成，使用者在同一时间既可以在主屏幕上看到全网的状况，也可以 通过子屏幕考察感兴趣的细节。 ( 2 ) 线路数据 一般认为线路数据的显示比较容易，因为现实世界中有水流这一情况与之相 似。如可以利用在输电线路上叠加箭头的方式显示潮流，其中箭头的方向对应潮流 的走向，箭头的大小、多少反映潮流的数量。该方法可以利用动画的形式产生流动 的效果，因而得到广泛的应用。由于饼状图是反映百分率的有效手段，o v e r b y e 研 究小组在已有的研究基础上，提出利用饼状图显示线路的负载率，收到良好的效果， 也适用于地理位置图【2 4 1 。但对于超大规模电力系统，显示负载率的饼状图不能过大， 只能采用部分显示的方法( 只是显示负载率超过一定额度的线路的方法) 予以解决。 线路中流动的为复功率，现在一般的做法是显示功率m v a 值，方向为有功功率( 或 无功功率) 流动的方向。 ( 3 ) 节点数据 普遍认为，因为节点的数据是离散的，现实世界中没有普遍被接受的概念与其 对应，因而节点的数据显示比较困难。目前，节点数据一般采用表格数据的形式或 在网络图上用文本方式显示，这种方法的优点是数据显示准确，也能准确地描述数 据的地理分布情况，缺点是很难清晰地反映越限情况和电压分布模式，当系统规模 变大时，问题尤其突出。另外一种方式是在坐标图上用柱图显示【25 1 ，每个电压利用 前后两个柱图来描述，其中一个用来表示电压值，另外一个表示额定电压，该方法 直观，可很好的解决电压分布模式的问题，也可清晰地展示电压越限的情形。比较 这两种方法，节点数据文本显示方式尽管十分准确，但是并不直观。文献 1 1 提出 的用双色矩形柱描述方式可较好地解决上述问题，越上限、下限部分的颜色可相同 或不同。这种电压显示方案的具体做法是将数据节点电压数值所得到的电压图标显 示在对应的节点旁边，运行人员可以通过图标颜色的分布立即判断出当前系统的电 1 1 华北电力大学硕士学位论文 压分布情况。 作为一项全新的节点数据显示方式，双色柱图显示尽管在一般规模的电力系统 中的应用效率很高，但是在大规模的电力系统中的应用会出现问题，当节点增多时， 矩形柱可能会出现交叠。虽然减少矩形图标可避免交叠的情况出现，但随之而来的 情况是会产生某些情况下的由于矩形柱拥挤而造成的视觉上错觉问题。为了解决上 述问题，文献2 6 提出了摒弃双色表示方式，采用利用颜色标度( c o l o rs c a l e ) 来表 示电压大小的解决办法。该方式中节点数据的显示图标由一个而非两个矩形组成， 所表示数值的大小由矩形的颜色来反映。屏幕中放置一个色卡来表示各种颜色对应 的数值大小。因此颜色排列是决定该方法效率高低的关键。 可以想象，随着系统规模的增加，表示电压大小的矩形柱越来越小，矩形柱之 间也越来越紧密，当矩形柱小到一定的程度时，这时看大系统电压水平的显示是连 续的颜色标度显示。这就是利用等高线( c o n t o u r i n g ) 方法来描述电压分布的基本思 想。o v e r b y e 小组对此进行了深入的研究，提出电压等位线显示的计算方法【2 7 1 。该 方法利用距离加权的方法计算出非节点处的电压值( 对应标注的颜色) ，从而将离 散的节点电压着色问题转换为连续的节点电压着色问题。该方法对解决超大规模电 力系统的电压分布显示问题效果显著。 2 运行安全状态显示 运行状态显示包括输电元件状态、发电机状态、系统整体运行状态的显示。早 期的安全分析显示是利用多窗口技术将n 1 的分析结果以文本形式显示于新的窗口 中，利用颜色变化标出越限量以提醒运行人员注意【25 1 ，该方法直观，但由于以文本 方式显示，因而显示容量十分有限。文献【2 8 针对上述问题提出利用像素显示安全 分析结果的安全分析数据显示方式。其优点是显示容量大，不足是不能反映网络的 结构和地理位置。 文献 2 2 1 中提出在系统单线图中将电压越限的节点和功率越限的线路用高亮度 显示，用低亮度来表示线路的断开或退出运行。如果某变电所出现紧急情况，则用 圆或矩形框将该变电所包围以警示调度人员。颜色对网络元件带电状态的显示也很 有效，如电压等级的区别、元件运行与否，孤岛与停电区域的显示等。 相对于上述简单地将所有安全数据不加处理予以显示的方法，文献 2 9 1 提出了 较为先进的安全分析结果可视化方法。具体做法是利用文献 3 0 1 所提出的节点数据 和线路数据可视化显示手段，对安全分析所得到的节点与线路安全指标进行显示， 以反映故障的严重性和元件的脆弱性。 基于上述研究成果，文献f 3 l ，3 2 1 提出了任务自适应的可视化显示方案，该方案 的出发点是“显示我需要看的区域( s h o w m e w h a t in e e d t os e e ) ”。其具体做法是根 据安全分析结果和一些预定的规则，可自动将屏幕锁定于被放大的问题区域，使运 行人员近距离观察细节，以利于选择和确定正确的安全预防和校正措旆。 t 2 华北电力大学硕士学位论文 电力系统安全分析是一个十分错综复杂的问题，涉及因素众多，考虑三维( 3 d ) 显示是顺理成章的事情。文献 3 3 对此进行研究，提出电压稳定安全分析结果的3 d 显示方法。 实际系统运行中，运行人员最关心的是系统整体运行状态，即当前运行方式下， 系统哪个方面( 功角稳定、电压问题、优化运行还是短路过载等) 存在问题。文献 f 2 7 提出了电力系统运行状态3 级显示方案。其中第一级显示系统的整体运行状态， 第二级显示存在问题或运行人员所关心方面( 功角稳定、电压稳定、静态安全问题 等) 的宏观数据分析结果，第三级则用于显示所关心量的具体数值。 3 运行趋势显示 运行变量的趋势分析十分重要，然而现有文献中对此问题的论述却十分少见， 这主要是由于该问题的复杂性，需要对一个时间段的数据进行对比才能得出趋势分 析的结论，这意味着趋势的显示所涉及的是一个时间段的数据，如果再将时间与空 间因素结合考虑，显示的难度和复杂度就可想而知。这需要对电力系统的运行状态 显示问题本身有深刻的理解。早期的数据显示只是针对某一个特定的变量，如某个 节点的电压。 除了对某个变量的变化趋势感兴趣外，调度人员更关心系统整体的变化趋势， 以对系统的安全程度有更清晰的认识。文献 3 4 ，3 5 探索了实现上述目标的方法。该 方法利用已有的系统安全分析方法对系统进行综合分析，得到系统当前的可反映系 统运行水平的判定指标，将该信息反映在事先已经训练好的自组织映射图上，其位 置就对应了当前系统的安全水平，利用一些预测数据( 如负荷预测) 可确定未来的 系统运行状况发展趋势。根据系统当前运行点及其移动方向，调度员可比较清晰地 掌握系统的运行趋势，从而及时采取措施以维护系统的安全稳定运行。这种方法的 有效性极大程度依赖于安全分析的准确性。 3 1 3p o w e r w o rl dsir r l u i a t o r 简介 电力系统仿真可视化软件包p o w e r w o r l d 是美国伊利诺伊大学电气及计算机工 程系开发的一个基于潮流计算的交互式电力系统仿真软件包。p o w e r w o r l d 能模拟多 区域互联电力系统在给定时间段内的运行情况，在仿真过程中，负荷自动按照预定 的规律随时间变化，用户还能使用鼠标在动态的单线图上进行各种操作，如改变网 络结构和发电机的输出功率等【1 8 】。 p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 自从开发到现在，不断的进行修缮、进步，相应的用户 手册( u s e r sg u i d e ) 已经发展到了第1 1 版本( s i m u l a t o r l l 0 ) 。专门有一个介绍它 的网站( w w w p o w e r w o r l d c o r n ) 。在这个网站中，有这个软件的最新产品、研究成 果、最新进展。后续产品的开发，主要在潮流计算的基础上，不断吸取可视化技术 华北电力大学硕士学位论文 的最新研究成果，比如3 d 视图，不断进行扩展的。现在，研究的成果主要集中在 它的附加工具( t o o l s ) 中，比如电压的充裕和稳定性分析工具( p v q v ) 、最优潮流 ( o p f ) 、安全约束下的最优潮流( s c o p f ) 、可用输电能容量( a t c ) 等等。不同 的用户，由于自身的目的不同，对p o w e r w o r l d 软件包有不同的需求，因而p o w e r w o r l d 的不断发展，主要是它的工具包不断的充实、完善和发展i l5 1 。 下面以第1 1 版本为例，介绍p o w e r w o d ds i m u l a t o r 。p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 是一 个电力系统仿真软件包，其设计基于用户友好的交互界面和操作，不仅具有工程分 析功能，而且具有交互的图形化界面，可用于对初学者进行电力系统操作的解释。 s i m u l a t o r 的核心是一个详细的、坚强的潮流计算工具，能够有效解答具有1 0 0 ，0 0 0 个节点的电力系统。这使得s i m u l a t o r 可以单独作为一个潮流分析软件。与一般的商 用潮流分析软件不同，s i m u l a t o r 允许用户通过具有漫游和缩放能力的真彩色动画单 线图来可视化电力系统。更为重要的是，通过图形编辑器，系统元件可以很方便地 进行添加和修改，仅仅通过点击几次，就可以投入或退出运行输电线路、可以添加 新的变压器和发电机、可以建立新的交易。s i m u l a t o r 的图形化和动画功能，极大地 方便了用户对系统特征、系统事故、系统约束以及系统恢复的理解。应用s i m u l a t o r 的关键是理解它具有的两种模式：编辑模式和运行模式。编辑模式用于构建新的 s i m u l a t o r 事件或调整现有的事件，而运行模式用于演示电力系统仿真。这两种模式 可以通过工具栏中的运行按钮和编辑按钮很方便地进行切换。 下面结合单线图3 1 来说明。 1 系统信息的直观显示 单线图图形化地显示了电力系统的信息，它向用户提供所需要的系统的潮流分 布等数据。图中用各种颜色的图元来表示电力系统中的元件：发电机、母线、负荷、 输电线、并联电容、变压器等。图元旁边的数字标注了运行值，如母线电压的幅值、 有功无功负荷值等。p o w e r w o r l d 运用可视化化技术，形象地描绘了电力系统的运 行情况： ( 1 ) 输电线上的饼状图显示了线路的载荷情况，以载荷占线路额定容量的百 分比表示： ( 2 ) 发电机图标中转子的位置形象地表示了发电机母线电压的相角； ( 3 ) 断路器的状态以颜色表示，红色表示断路器的闭合，有电流通过；绿色 表示断路器打开； ( 4 ) 运用动画技术表示系统的潮流情况。仿真过程可以看到一连串的小箭头 在输电线、变压器、发电机上流进流出。箭头的大小、密集程度表示了功率流动的 大小和方向。 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 接线图 用户可以通过各种菜单选项查看关于元件及系统更为详细的信息。p o w e r w o r l d 支持屏幕漫游( p a n n i n g ) 、缩放( z o o m i n g ) 和选择性显示功能，具有显示大规模电 力系统单线图的能力。 2 方便的交互式操作 用户可以随时中断或者开始仿真过程，友好的交互界面可以很方便地进行交互 操作。例如，用鼠标左键单击单线图上的断路器单元，就可以立即改变断路器的运 行状态，从而断开、闭合输电线路。由于程序内部的高效的潮流算法和显示更新速 度，改变后的系统潮流可以立即显示在单线图上。 3 2 可视化技术对于配电网供电能力计算的意义 如前所述，可视化的突出优点是信息的直观显示和方便的交互式操作，可视化 技术的发展主要体现在数据显示、运行安全状态显示、运行的趋势显示。结合第一 章对于地区供电能力研究内容归纳的6 点内容，从中可以得到看出，可视化技术在 配电网供电能力研究领域，将有广阔的前景： 1 直观的信息显示。在第二章我们看到，研究配电网的供电能力，除了要面对 华北电力大学硕士学位论文 海量的统计数据，还要面对众多的评估指标形成的数据图表。这些信息是零散的， 无法让使用者对整个电网全局有整体的认识。利用模糊技术算出的一个综合指标， 除了要依据经验，有很大的人为因素外，还不能给使用者一个总体的认识。利用前 述的可视化信息显示手段，可以很方便地解决这些问题。 由于饼状图是反映百分率的有效手段，利用饼状图显示线路的负载率，具有良 好的效果。配合安全状态显示的技术，将会在系统图上给使用者形象、直观的认识， 很容易了解整个电网的供电能力状况。 2 方便的交互式操作。在目前供电能力研究中，经常要进行n 1 校验，利用图 形化的可视化技术，可以很方便地完成这种功能。目前，对于电网的充裕度分析， 仅仅只能对整个电网各个负荷在均等的发展速度条件下，校验系统各个元件是否超 越安全水平。其实，从第一章的实际电网介绍知道，在电网实际的发展进程中，各 个负荷点的发展速度和潜力是不一致的，有可能在某个负荷点出现容量极大增长， 而其它点的负荷基本保持不变。所有这些，利用可视化方便的交互式操作手段，可 以很方便的进行这方面的研究。 3 随着可视化技术的继续发展，作为地区供电能力研究的一种有效手段，必将 会为地区供电能力研究提供更方面、更直观的技术支持。 3 3 配电网供电能力计算软件的开发 本节简要介绍我们研究所研究的配电网可视化供电能力计算软件，图3 2 是该 软件中的一个算例。该软件利用v i s u a l c + + 6 0 开发，界面全部汉化；软件借鉴 p o w e r w o r l ds i m u l a t o r 软件的风格，应用二维可视化技术，可以连续计算配电网的 潮流；应用各种颜色显示各种元件不同的运行状态；采用饼状图表示线路的负载率； 用箭头的大小、方向和密集程度表示线路潮流的大小和方向；运行过程中各个运行 参数可以直观显示；运行过程如果出现线路过载或电压越限都采用醒目的颜色或数 字警示【5 2 。 软件的特点： 此软件最大的特点是它的可视化和实用性。 可视化：采用可视化技术，也就是g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，即图形化 的用户界面，计算机程序通过图形来和用户交换数据及信息。可视化技术使软件更 加容易使用，操作更直观，提高了工作效率。 1 动态的箭头可显示出线路潮流的方向； 2 线路上的饼状图可动态显示线路的供电能力，当线路的潮流达到极限值的 8