王 勇，李 峰，潘玲玲，劉 俊，徐 鵬

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基于PSS/E潮流API接口的動態(tài)過程仿真系統(tǒng)

王 勇，李 峰，潘玲玲，劉 俊，徐 鵬

（中國電力科學(xué)研究院，江蘇南京 210003）

電力系統(tǒng)仿真分析軟件PSS/E提供了豐富的API接口，為應(yīng)用程序的二次開發(fā)提供了便利?；赑SS/E的Fortran API接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以PSS/E潮流計(jì)算為核心的動態(tài)過程仿真系統(tǒng)。通過對API接口的二次開發(fā)和封裝，建立潮流計(jì)算接口層，實(shí)現(xiàn)對PSS/E潮流計(jì)算的控制。建立了用戶自定義調(diào)速器模型，將頻率和調(diào)速器仿真結(jié)果通過接口層與PSS/E潮流進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程仿真。通過潮流計(jì)算前的不平衡功率動態(tài)預(yù)分配技術(shù)，使擾動過程中聯(lián)絡(luò)線功率分配更加真實(shí)合理。通過9節(jié)點(diǎn)算例和華北實(shí)際電網(wǎng)模型對仿真系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，利用PSS/E的API接口進(jìn)行二次開發(fā)能夠滿足大型應(yīng)用程序?qū)?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求。

PSS/E；API；潮流計(jì)算；動態(tài)過程仿真系統(tǒng)；不平衡功率動態(tài)預(yù)分配

0 引言

系統(tǒng)頻率和區(qū)域聯(lián)絡(luò)線功率是自動發(fā)電控制（AGC）軟件的主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和控制目標(biāo)?？刂撇呗缘难芯恐贫ㄐ枰蟹抡嬗?jì)算提供持續(xù)、準(zhǔn)確的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，而對控制策略執(zhí)行結(jié)果的仿真驗(yàn)證是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行必不可少的重要環(huán)節(jié)。

調(diào)度員培訓(xùn)仿真系統(tǒng)（DTS）通常具備了AGC等高級應(yīng)用軟件的培訓(xùn)態(tài)模擬功能，但其面向于調(diào)度操作模擬，對計(jì)算精確性要求不高，且與調(diào)度系統(tǒng)深度集成，使用固定的電網(wǎng)模型，靈活性差。BPA、PSASP、PSS/E等仿真分析軟件的潮流計(jì)算準(zhǔn)確性已得到廣泛認(rèn)可，但其應(yīng)用主要是對給定的單斷面進(jìn)行分析計(jì)算，且計(jì)算過程無法由用戶進(jìn)行控制，交互性較差。雖然目前大多數(shù)仿真分析軟件都提供了用戶自定義接口（UPI）功能，但UPI通常是嵌入到分析軟件的計(jì)算流程的某一固定環(huán)節(jié)中，由分析軟件進(jìn)行對自定義模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行主動調(diào)用，外部程序仍無法實(shí)現(xiàn)對計(jì)算流程的驅(qū)動和控制。在這些分析軟件中，除了UPI功能，PSS/E還提供了強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口（API），用戶程序通過對API接口的調(diào)用，可以實(shí)現(xiàn)對PSS/E計(jì)算結(jié)果和計(jì)算流程的控制。目前國內(nèi)對于PSS/E接口二次開發(fā)方面的研究還相對較少，文獻(xiàn)[13]基于PSS/E的Python接口進(jìn)行了電網(wǎng)孤立島的判斷和線路定步長等應(yīng)用程序的開發(fā)。

本文利用PSS/E提供的Fortran API接口，對PSS/E的潮流計(jì)算進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)用戶程序?qū)SS/E計(jì)算全過程的控制，并通過API接口實(shí)現(xiàn)PSS/E與用戶自定義調(diào)速器模型的交互，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)長周期動態(tài)過程的模擬。提出了不平衡功率動態(tài)預(yù)分配方法，改善了常規(guī)計(jì)算在系統(tǒng)擾動過程中不平衡功率堆積到平衡機(jī)，造成潮流分布不合理的問題。最后用9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和華北實(shí)際電網(wǎng)模型對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 電網(wǎng)模型管理

與DTS和常規(guī)仿真分析軟件的固定電網(wǎng)模型不同，面向應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證的仿真系統(tǒng)需要提供與被驗(yàn)證軟件所處電網(wǎng)相一致的電網(wǎng)模型，因此需要能靈活地從不同類型的模型描述文件進(jìn)行電網(wǎng)模型和方式的解析、接入和管理。典型的模型描述文件包括BPA方式模型文件，以及實(shí)際調(diào)度系統(tǒng)的導(dǎo)出的標(biāo)準(zhǔn)CIM/E物理模型文件。電網(wǎng)模型建立的步驟如下：

1）根據(jù)輸入的模型描述文件類型調(diào)用不同的電網(wǎng)模型適配器進(jìn)行解析，將模型導(dǎo)入仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫中存放了設(shè)備的基本信息、潮流計(jì)算結(jié)果、電網(wǎng)的拓?fù)溥B接關(guān)系等。用戶自定義建模等相關(guān)計(jì)算程序的數(shù)據(jù)都可以從仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫中獲取，人機(jī)展示界面可以直接從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行展示。

2）調(diào)用PSS/E模型導(dǎo)出功能模塊，從仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫中讀取模型信息，生成PSS/E潮流數(shù)據(jù)文件。

3）PSS/E中是以設(shè)備所連母線和設(shè)備ID作為關(guān)鍵信息來定位設(shè)備的，因此，在導(dǎo)出PSS/E設(shè)備模型的同時(shí)，同時(shí)建立起實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中設(shè)備關(guān)鍵字和PSS/E模型中設(shè)備ID的對應(yīng)關(guān)系，以便調(diào)用PSS/E接口時(shí)能快速定位設(shè)備。

2 基于PSS/E潮流API的動態(tài)過程仿真計(jì)算

2.1 PSS/E潮流計(jì)算接口層設(shè)計(jì)

本文采用C++和Fortran混合編程技術(shù)，對所需的PSS/E潮流計(jì)算接口進(jìn)行二次開發(fā)和封裝，提供統(tǒng)一的C++接口層供應(yīng)用程序調(diào)用。

依據(jù)仿真系統(tǒng)對PSS/E潮流計(jì)算的接口需求，將接口層分為三個(gè)大類，如圖1所示。

1）潮流計(jì)算控制類，包括PSS/E潮流數(shù)據(jù)文件的讀取、斷面的保存、PSS/E潮流計(jì)算流程的控制等。

2）設(shè)備潮流數(shù)據(jù)修改類，實(shí)現(xiàn)對PSS/E計(jì)算庫中設(shè)備潮流數(shù)據(jù)和狀態(tài)的修改。同時(shí)修改仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備狀態(tài)和潮流數(shù)據(jù)，以保持仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和PSS/E計(jì)算數(shù)據(jù)庫中的電網(wǎng)方式一致性。

3）設(shè)備潮流結(jié)果獲取類。包括獲取PSS/E所有節(jié)點(diǎn)的電壓結(jié)果、所有支路的潮流結(jié)果等。同時(shí)，根據(jù)仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和PSS/E設(shè)備模型的映射關(guān)系，將獲取的結(jié)果快速寫入仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。

接口層主要的接口函數(shù)如表1所示。

表1接口層主要接口函數(shù)

2.2 基于接口層的PSS/E潮流計(jì)算全過程控制

在已經(jīng)使用模型管理生成了仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和PSS/E潮流數(shù)據(jù)文件的情況下，應(yīng)用層可以使用接口層對PSS/E潮流計(jì)算流程進(jìn)行控制。應(yīng)用程序使用接口層進(jìn)行一次完整的潮流計(jì)算流程如下：

1）調(diào)用PSSINIT接口進(jìn)行PSS/E的初始化。

2）調(diào)用READAPI接口從指定的潮流數(shù)據(jù)文件中讀取電網(wǎng)數(shù)據(jù)，寫入PSS/E計(jì)算庫中。

3）如需要對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行修改，則調(diào)用對應(yīng)的數(shù)據(jù)修改類接口進(jìn)行操作，該接口將同時(shí)修改仿真實(shí)時(shí)庫和PSS/E計(jì)算庫中的設(shè)備狀態(tài)。

4）調(diào)用FNSLAPI進(jìn)行潮流計(jì)算。

5）調(diào)用對應(yīng)的設(shè)備潮流結(jié)果獲取類接口，從PSS/E中讀取計(jì)算結(jié)果，并寫入仿真實(shí)時(shí)庫中。

2.3 基于接口層的用戶自定義模型與PSS/E潮流計(jì)算交互

上節(jié)基于應(yīng)用程序?qū)SS/E潮流計(jì)算接口層調(diào)用實(shí)現(xiàn)了單次潮流計(jì)算，通過對流程的控制，可以方便地對潮流計(jì)算的周期進(jìn)行控制，擴(kuò)展為電網(wǎng)中長期過程的仿真。但單純的潮流計(jì)算并沒有計(jì)及電網(wǎng)的動態(tài)過程，無法真實(shí)反應(yīng)電網(wǎng)發(fā)生擾動后的系統(tǒng)頻率變化和發(fā)電機(jī)調(diào)速器的響應(yīng)。

通過對發(fā)電機(jī)調(diào)速器的自定義建模和仿真，并通過接口層與PSS/E潮流計(jì)算進(jìn)行結(jié)果的交互，建立反映電網(wǎng)動態(tài)過程的仿真系統(tǒng)。本文的自定義建模參考PSASP的調(diào)速器模型，傳遞函數(shù)框圖如圖2所示，參數(shù)采用汽輪機(jī)參數(shù)，并近似采用全網(wǎng)統(tǒng)一的頻率進(jìn)行計(jì)算。

圖2 調(diào)速器傳遞函數(shù)框圖

PSS/E潮流與調(diào)速器自定義模型的交互計(jì)算流程如下：

1）調(diào)用FNSLAPI進(jìn)行潮流計(jì)算，并使用潮流結(jié)果獲取接口獲取數(shù)據(jù)，包括發(fā)電機(jī)有功出力、負(fù)荷有功和支路有功，存放在仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫中。

5）對每臺發(fā)電機(jī)依次調(diào)用MACHINE_ CHNG_2接口修正PSS/E計(jì)算庫的有功值為，并同步更新仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)庫的有功值。

6）轉(zhuǎn)入步驟1），開始下一輪仿真計(jì)算。

與PSS/E提供的UPI功能相比，利用API接口來實(shí)現(xiàn)與用戶自定義模型的交互具有更高的靈活性和可控性，可以在程序運(yùn)行的任意時(shí)刻調(diào)用API接口與用戶自定義模型進(jìn)行交互，且交互規(guī)模不受限制。

2.4 不平衡功率動態(tài)預(yù)分配

系統(tǒng)發(fā)生擾動時(shí)，發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率和電磁功率的平衡關(guān)系被打破。而傳統(tǒng)動態(tài)潮流計(jì)算時(shí)，直接將發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率參與潮流計(jì)算，系統(tǒng)不平衡功率則堆積到平衡機(jī)上，容易造成潮流分布不合理的情況。本文提出不平衡功率動態(tài)預(yù)分配技術(shù)，將仿真實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中發(fā)電機(jī)的功率進(jìn)行擴(kuò)展，調(diào)速器的仿真計(jì)算仍采用機(jī)械功率進(jìn)行計(jì)算，而在潮流計(jì)算前將系統(tǒng)的不平衡功率根據(jù)調(diào)速器特性預(yù)分配到發(fā)電機(jī)上，得到發(fā)電機(jī)的電磁功率，以分配后的電磁功率進(jìn)行潮流計(jì)算，降低系統(tǒng)擾動過程中支路潮流的波動，得到更為準(zhǔn)確的潮流計(jì)算結(jié)果。不平衡功率動態(tài)預(yù)分配的步驟如下：

1）按上節(jié)1）~4）步進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)及調(diào)速器響應(yīng)后的發(fā)電機(jī)機(jī)械功率，取電磁功率=。

3）計(jì)算每臺發(fā)電機(jī)的分配因子，分配因子的選取方式按照機(jī)組的頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)能力來進(jìn)行設(shè)定。第臺發(fā)電機(jī)的分配因子為

同時(shí)應(yīng)滿足約束

4）如果還有剩余的不平衡功率，則轉(zhuǎn)入步驟2）進(jìn)行下一輪迭代，直到系統(tǒng)不平衡功率小于設(shè)定的門檻值。

5）調(diào)用MACHINE_CHNG_2接口將經(jīng)過預(yù)分配后的電磁功率寫入PSS/E計(jì)算庫，得到功率平衡的全網(wǎng)系統(tǒng)注入，并進(jìn)行潮流計(jì)算。

3 動態(tài)過程仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

除了電網(wǎng)模型管理和仿真計(jì)算，仿真系統(tǒng)還包括人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)交互接口模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

人機(jī)交互界面主要提供數(shù)據(jù)展示，設(shè)備交互操作等功能；數(shù)據(jù)交互接口負(fù)責(zé)將電網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)發(fā)送給外部應(yīng)用程序，并接收處理外部應(yīng)用程序下發(fā)的遙控、遙調(diào)等操作指令。仿真系統(tǒng)的總體流程如圖4所示。

為滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控類應(yīng)用軟件對遙測數(shù)據(jù)的采樣需求，仿真系統(tǒng)潮流計(jì)算周期取為1 s，頻率計(jì)算和調(diào)速器仿真計(jì)算步長取為0.2 s，即5個(gè)頻率計(jì)算周期后進(jìn)行一次潮流計(jì)算，這樣一方面能夠更加精確地反應(yīng)頻率的擾動過程，另一方面也能加速發(fā)電機(jī)和負(fù)荷對不平衡功率的吸收，促使系統(tǒng)更快地到達(dá)新的平衡點(diǎn)。

4 算例分析

4.1 IEEE9節(jié)點(diǎn)算例

首先使用小節(jié)點(diǎn)算例進(jìn)行仿真計(jì)算，以便能夠更好地對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析說明。9節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型和參數(shù)由BPA格式文件導(dǎo)入。取節(jié)點(diǎn)2為平衡節(jié)點(diǎn)，設(shè)發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)均為6%，不考慮出力調(diào)節(jié)的限值。設(shè)置系統(tǒng)擾動為仿真系統(tǒng)啟動后2 s時(shí)節(jié)點(diǎn)3所連發(fā)電機(jī)有功出力減少60 MW。擾動后的系統(tǒng)頻率曲線如圖5所示。

圖4 仿真計(jì)算流程圖

圖5系統(tǒng)頻率曲線

表2所示為未進(jìn)行不平衡功率動態(tài)預(yù)分配，系統(tǒng)發(fā)生擾動后平衡機(jī)功率和支路潮流的變化情況。

由表2可見，第2 s發(fā)生擾動后，經(jīng)過五個(gè)步長的頻率計(jì)算，部分不平衡功率被發(fā)電機(jī)和負(fù)荷共同分擔(dān)，到第3 s時(shí)，仍有約37.5 MW的不平衡功率被平衡機(jī)吸收，造成平衡機(jī)附近支路潮流增大。系統(tǒng)穩(wěn)定后，不平衡功率由系統(tǒng)共同承擔(dān)，平衡機(jī)功率和支路潮流趨于平穩(wěn)。由表中數(shù)據(jù)可見，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后平衡機(jī)附近的支路潮流分布與擾動過程中還是有比較大的差距。

表2 未進(jìn)行動態(tài)預(yù)分配的計(jì)算結(jié)果

表3所示為進(jìn)行不平衡功率動態(tài)預(yù)分配，系統(tǒng)發(fā)生擾動后平衡機(jī)功率和支路潮流的變化情況。

表3 進(jìn)行動態(tài)預(yù)分配的計(jì)算結(jié)果

由表3可見，在擾動過程中，平衡機(jī)功率和支路功率都比較平穩(wěn)，且結(jié)果與表中進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的值基本一致，有效避免了擾動過程中平衡機(jī)功率和支路功率的波動。

4.2華北電網(wǎng)算例

為了驗(yàn)證仿真系統(tǒng)的計(jì)算性能，采用華北電網(wǎng)某時(shí)刻的實(shí)際電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。電網(wǎng)模型和運(yùn)行方式由實(shí)際調(diào)度系統(tǒng)生成的標(biāo)準(zhǔn)CIM/E格式文件導(dǎo)入，包含了實(shí)際系統(tǒng)所有開關(guān)刀閘設(shè)備。系統(tǒng)規(guī)模如表4所示。

表4算例規(guī)模

Table 4 Scale of example

在仿真過程中通過API接口設(shè)置開關(guān)變位和出力負(fù)荷調(diào)整等系統(tǒng)擾動，在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的情況下進(jìn)行采樣，觀察系統(tǒng)的計(jì)算性能，各主要計(jì)算模塊平均花費(fèi)時(shí)間如表5所示。

表5 各模塊計(jì)算時(shí)間

在極端情況下：①每個(gè)周期都出現(xiàn)遙信變位，需要進(jìn)行拓?fù)浞治觯虎诿看味及l(fā)送全遙測報(bào)文；③潮流采用平啟動模式，一個(gè)仿真周期總耗時(shí)為0.667 s，而正常計(jì)算周期應(yīng)該小于該值，因此，仿真系統(tǒng)完全能夠滿足應(yīng)用程序?qū)γ爰墧?shù)據(jù)采樣的要求。

5 結(jié)語

本文基于PSS/E的潮流API接口進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以PSS/E潮流計(jì)算為核心的，反映電網(wǎng)中長期動態(tài)過程的仿真系統(tǒng)。通過對PSS/E接口的封裝、調(diào)用，以及與用戶自定義模型之間的交互，闡述了使用PSS/E的API接口進(jìn)行二次開發(fā)的方法。通過算例對開發(fā)的仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，基于API接口二次開發(fā)的應(yīng)用程序，能夠滿足準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求，非常適用于大型應(yīng)用程序的開發(fā)以及與現(xiàn)有用戶應(yīng)用程序的快速集成。

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Dynamic process simulation system based on power flow API of PSS/E

WANG Yong, LI Feng, PAN Ling-ling, LIU Jun, XU Peng

(China Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China)

Power system simulation software PSS/E provides many interfaces to develop the application program. The dynamic process simulation system,with PSS/E power flow calculation as the core, is designed by Fortran API interface.First, the power flow calculation interface layer is achieved via API secondary developing and encapsulation to control the PSS/E power flow. Then a user-defined governor model is established, and frequency and governor simulation results interact with PSS/E power flow through the interface layer to achieve the dynamic process simulation. Dynamic predistribution technology of unbalance power during the simulation process is proposed, which makes the distribution of tie line power flow more reasonable during disturbance. Finally, the simulation results of IEEE 9-buses system and North China Power Grid verify that secondary development by PSS/E API interface can satisfy the requirements of real-time and high accuracy of large applications.

PSS/E; API; power flow calculation; dynamic process simulation system; dynamic predistribution technology of unbalance power

TM71

A

1674-3415(2014)15-0136-06

2013-10-09；

2014-01-06

王 勇(1979-)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與仿真方面的研究；E-mail: wangyongepri@ gmail.com

李 峰(1976-)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與仿真方面的研究；

潘玲玲(1985-)，女，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析與仿真方面的研究。

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“調(diào)度自動化系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”；國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“‘源-網(wǎng)-荷’互動環(huán)境下電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析方法研究”