基于PowerWorld simulator的配电网抗灾变性可视化模型

摘要：针对建设坚强电网和保障电网安全运行的实际问题，对电力系统进行配电网抗灾变性评价，为能够直观地反映出故障情况下的系统运行情况和故障恢复策略的效果，采用美国伊利诺伊(Illinois)大学开发的PowerWorld可视化软件建立配电网抗灾变性评价模型。结果表明，仿真结果可以很直观形象地反映出系统正常运行和故障情况下的运行状态，同时也可对恢复策略做一直观展示。
关键词：可视化；电力系统；抗灾变性评价；PowerWorld

0 引言
全球范围内频发恶劣的大面积停电事故引起电力工作者的广泛关注，自2003年美加大电网停电事故以来，不少电力工作者致力于研究通过规划未来电网和对现有电网的改造来降低大停电的概率，国外相当一部分电力研究人员对配电网的安全提出了新的要求与看法。在国内，一部分电力工作者提出配电网的静态安全评价和可靠性评价的方法，作者一直从事配电网配电网的安全评价工作，并提出了考虑配电网区域故障权重的配电网抗灾变性评价指标。在研究中发现，采用已有的配电网的模型在展示配电网的灾害性事故发生的后果与影响方面不够直观，同时对配电网故障的恢复策略也只能够用抽象的数值表示。这给使用或者想利用配电网抗灾变性评价结构的电力运行、规划和建设的部分带来不便。为此，考虑对配电网模型采用可视化的技术，直观地展示出配电网故障后灾害情况以及恢复策略，以便于上述机构的工作人员快速了解、掌握电网的情况，从而达到建设、优化坚强电网的目的。

1 PowerWorld simulator简介
PowerWorld电力系统仿真软件(PWS)是一个电力系统仿真软件包，其构筑在对用户良好交互性的基础上。它的核心是一个功能强大的潮流计算软件，可以有效求解多达60 000个节点的系统。这使得电力世界仿真器作为一个独立的潮流分析软件包十分有用。与其他同类商业应用软件不同，PWS允许用户通过可缩放的彩色动画单线图来模拟一个系统。在PWS中，输电线路的通断、变压器或发电机的增加、以及联络线功率的交换，一切仅需点击鼠标即可完成。此外，图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在问题和限制条件的理解以及如何修改。
PWS提供了极为方便的模拟电力系统时间特性的工具。同样，它可以图形化地显示负荷、发电量和联络功率随时间的变化，以及因此产生的系统运行条件的变化。这项功能在解决电网扩建引起网络结构变化之类问题十分有用。
除了上述特点外，PWS的一体化经济调度、联络功率交易经济性分析、功率传输分配因子(PTDF)计算和突发事故的强大分析能力都可以通过一个易用的界面来实现。

2 配电网抗灾变性模型的建立
2．1 原有的配电网抗灾变性模型
配电网原有的抗灾变性模型建立在配电网简化模型的基础之上的，采用网基结构矩阵DT节点关联矩阵CT以及负荷矩阵LT表示各节点之间的电气联系和各节点的负荷情况，应用此类模型进行配电网抗灾变性评价即使在节点众多的情况下仍具有运算速度快的优势，同时为进一步简化计算，简化模型采用电流代表功率从而简化运算。
(1)定义N行5列的网基邻接表DT反映网架结构，其中的元素di1描述节点i的类型，其取值可以为1，2，3，4或5，分别表示该节点是源点(10 kV出线开关)、开关节点、T接点、末梢点或母线节点。di2描述节点i是否过负荷，若过负荷则di2=1，否则di2=0。di3～di5描述和各节点邻接的节点的序号，如果节点vi和节点vk，vm和vn相邻接，则di3=k，di4=m，di5=n，在DT中的空闲位置填1；对于母线节点di2，di4和di5没有任何含义，而在di3中描述反映母线相邻节点序号的数组的地址(指针)，母线节点数组的第1个单元存放母线相邻节点的个数，以后各个单元分别存放各个相邻节点的序号。
(2)定义N行5列的网形邻接表CT反映当前的运行方式，其中的元素ci1描述节点i所处的状态(一般的，源点、T接点和母线节点均认为处于合闸状态；联络开关节点和末梢点均认为处于分闸状态)，1表示合、0表示分。对于除过母线节点之外的其他节点，ci2和ci3分别表示以节点i为终点的有向边(即“弧”，其方向为相应馈线段上潮流的方向)的起点序号ci4和ci5描述以相应的节点为起点的弧的终点序号；在CT中的空闲位置填1；对于母线节点ci1，ci3和ci5没有任何含义，而在ci2中描述母线的入点的序号，在ci4中存放母线数组的地址(指针)。
(3)定义N行4列的负荷邻接表LT，则li1表示流过节点(开关)i的负荷；li2～li4分别表示以节点i为端点的边(馈线段)供出去的负荷，在LT中的空闲位置填1。负荷邻接表LT中的元素的顺序和网基结构邻接表DT的第3列至第5列对应的边的顺序一致。
(4)定义N行4列的额定负荷邻接表ET，以反映各个节点和边所代表的元件的电气极限参数，其中ei1描述节点i的额定负荷；ei2～ei4描述以相应的节点为端点的边的额定负荷；在ET中的空闲位置填0．01(这样做是为了在计算时不至于使分母为0)。额定负荷邻接表ET中的元素的顺序和网基结构邻接表DT的第3列至第5列对应的边的顺序一致。
(5)定义N行4列的归一化负荷邻接表LnT，以反映负荷的相对轻重程度，即：
lni,j=li,j／ei,j
若LnT中某个元素大于1．0，则表示相应的节点或边过负荷。
2．2 配电网抗灾变性可视化模型
在实际的电力工程中，节点电流往往不易获得，而节点功率却可以确定。同时，考虑到在实际的电网络中，功率潮流往往是电力工作者所关心的，采用电流代替功率虽然可以简化模型方便计算，但与电力系统真实的运行状况相差较大。为此，本文采用可视化软件PowerWorld simuIator建立与电网实际运行更为贴近的模型，同时将代表电流还原为有功功率和无功功率。
建立可视化的配电网抗灾变性模型如图1所示，它是根据该地区的实际地理分布情况和各负荷分布建立的模型。