王同勛，李 寒，周勝軍，李亞瓊，談 萌

(1.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點實驗室,北京 102211;2.北方工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,北京 100144;3.大規(guī)模流數(shù)據(jù)集成與分析技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100144)

1 引言

在我國，電力系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，電力系統(tǒng)規(guī)劃運行及控制日漸復(fù)雜。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用計算機(jī)輔助電力系統(tǒng)仿真分析已在電力行業(yè)得到認(rèn)可、應(yīng)用和逐步推廣。這類將計算機(jī)技術(shù)和電力技術(shù)相結(jié)合的軟件系統(tǒng)被稱為電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)。本文將電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)定義為以支持電力系統(tǒng)物理過程的數(shù)學(xué)建模，運用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法編制電力系統(tǒng)模擬程序，并在計算機(jī)上進(jìn)行實驗、分析并反饋分析結(jié)果為目標(biāo)的軟件系統(tǒng)[1]。

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各種非線性設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的諧波源迅速增加，給電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)運行帶來了嚴(yán)重影響，諧波問題已受到世界范圍內(nèi)的普遍關(guān)注。諧波分析已成為電力系統(tǒng)分析的一項重要內(nèi)容，用以研究電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行中與諧波有關(guān)的各種問題。諧波分析指根據(jù)給定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及負(fù)荷、諧波源、濾波器等元件的運行條件，通過諧波潮流計算確定系統(tǒng)中諧波電流的分布以及各節(jié)點電壓和電流波形畸變程度，或通過計算網(wǎng)絡(luò)的阻抗頻率分析來判斷系統(tǒng)是否臨近諧波諧振狀態(tài)以及如何減小系統(tǒng)諧振發(fā)生的可能性[2]。

由于諧波已成為國內(nèi)外電力行業(yè)普遍關(guān)注和迫切要解決的問題，為了更有效地發(fā)現(xiàn)諧波源并進(jìn)行后續(xù)治理，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)被運用于諧波分析。目前，較為常用的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件有ETAP(Electrical Transient Analysis Program)、PSASP(Power System Analysis Software Package)、EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC system)、NETOMAC(NEtwork TOrsion MAchine Current)等[3]。盡管上述電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)能夠較全面地覆蓋電力行業(yè)的絕大多數(shù)常用分析模型，但也各有側(cè)重。在完成諧波相關(guān)的分析時，都是基于電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)的諧波分析模塊實現(xiàn)的，諧波源類型和諧波分析模型種類均不完善，且在擴(kuò)展性方面存在不足。針對該問題，本文設(shè)計了一種面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠覆蓋絕大多數(shù)諧波源和諧波分析模型，還具有良好的擴(kuò)展性，并在系統(tǒng)操作的便捷性、建模和分析結(jié)果的直觀性方面具有一定優(yōu)勢。

2 相關(guān)工作

在電力系統(tǒng)的設(shè)計、分析和研究過程中，由于經(jīng)濟(jì)性、安全性和可能性等原因，在實際系統(tǒng)上進(jìn)行試驗和研究，常常會遇到困難，有些困難甚至是不可能解決的。因此，研究人員往往需要借助電力系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件進(jìn)行相關(guān)試驗來代替實際系統(tǒng)上的試驗，以輔助生產(chǎn)和決策。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真一般包括三項任務(wù)：第一項任務(wù)是建立被仿真系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述，即數(shù)學(xué)模型；第二項任務(wù)是針對不同形式的數(shù)學(xué)模型設(shè)計相應(yīng)的算法，編制計算程序和數(shù)字仿真過程，使數(shù)學(xué)模型成為存在于數(shù)字計算機(jī)中的“活的數(shù)學(xué)模型”；第三項任務(wù)是在計算機(jī)上模擬實際系統(tǒng)完成各種試驗和研究項目，并對結(jié)果進(jìn)行分析和評價。

電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)是仿真技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)在電力行業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，已成為保障電力系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度和運行的最有效工具[4]。電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50～60年代。受限于計算機(jī)的低運算性能和高昂的價格，早期的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)并未得到應(yīng)用和推廣。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代取得長足發(fā)展。目前，主流的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)已多達(dá)幾十種，這些電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)的功能各具側(cè)重。ETAP是由美國OTI(Operation Technology Inc.)公司研發(fā)的電力電氣分析、電能管理的綜合分析軟件系統(tǒng)[5]，主要面向發(fā)電、輸配電和工業(yè)電氣系統(tǒng)提供分析功能。EMTDC是由加拿大巴尼托巴水電局研發(fā)，由曼尼托巴高壓直流輸電研究中心完善的電力系統(tǒng)仿真分析軟件[6]，主要關(guān)注交直流電力系統(tǒng)的分析。NETOMAC是德國西門子輸配電集團(tuán)研發(fā)的電力系統(tǒng)分析軟件，主要用于支持電力系統(tǒng)的機(jī)電和電磁的暫態(tài)現(xiàn)象和穩(wěn)態(tài)運行的時頻域仿真[3]。BPA(Bonneville Power Administrator)是美國邦納維爾電力局研發(fā)的電力系統(tǒng)分析軟件包[7]，主要用于支持潮流和穩(wěn)態(tài)計算。在我國，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)起步較晚。到目前為止，僅有中國電力科學(xué)研究院研發(fā)的綜合電力系統(tǒng)分析程序PSASP[8]和基于美國BPA程序的中國版PSD(Power System Department)-BPA在電力行業(yè)得到普遍的應(yīng)用。PSASP能夠支撐絕大多數(shù)電力行業(yè)的計算模型，并采用圖形化的輸入和輸出方式，但在支持新型諧波源和諧波分析模型方面存在局限性。PSD-BPA主要用于潮流和暫態(tài)穩(wěn)定程序分析，與PSASP相似，對諧波分析的支持存在不足。由上述分析可知，盡管已存在了多種電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)，但這些背景和使用目的均不相同的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)各有側(cè)重，其諧波分析功能的完整性、可擴(kuò)展性和開放性均不完善，尚不存在專門針對諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)。

在電力系統(tǒng)數(shù)字仿真領(lǐng)域，電力系統(tǒng)可視化也是電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)的核心問題。傳統(tǒng)的可視化系統(tǒng)生成和發(fā)布圖形數(shù)據(jù)的方式主要有兩類，分別是位圖圖像和JAVA Applet[9]。由于位圖圖像的屬性相對固定且不具有可交互性，已不再滿足規(guī)模龐大，且時變的現(xiàn)代電力仿真需求。在基于Java Applet的可視化系統(tǒng)方面，盡管JAVA Applet能夠支持用戶的交互操作，但其可操作性、可重用性和效率方面都存在不足。由此可知，電力系統(tǒng)可視化技術(shù)在可交互性和靈活性方面都面臨著挑戰(zhàn)。SVG (Scalable Vector Graphics)是一種基于XML的圖像文件格式。它支持可縮放矢量圖形，在圖像縮放時質(zhì)量不會受到影響[10]。與JavaScript等網(wǎng)絡(luò)腳本語言相配合，還具有良好的交互性。文獻(xiàn)[11]研究表明，SVG能夠滿足圖形網(wǎng)絡(luò)在可視化呈現(xiàn)和交互方面的需求。建立電力元件庫是基于SVG的電網(wǎng)信息可視化方法的前提。文獻(xiàn)[12]對SVG格式的電力圖元庫進(jìn)行研究，提出了基于SVG的電力圖形構(gòu)造方式和屬性定義方法。然而，該方法的應(yīng)用和推廣受限于GML(Geography Markup Language)的普及情況。為了支持電網(wǎng)的可視化建模，在構(gòu)建的SVG電力元件庫的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步構(gòu)建完整的單線圖。文獻(xiàn)[13]探討了基于SVG的單線圖的構(gòu)建問題，提出基于SVG的電網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化圖形描述方案，并將其應(yīng)用于電網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)設(shè)計。該方案僅考慮了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的可視化，未涉及交互問題。文獻(xiàn)[14]使用Web發(fā)布SVG單線圖，該方法能夠較好地呈現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但在單線圖的可交互性方面存在局限性。在圖形的可交互性方面，文獻(xiàn)[9]采用Ajax(Asynchronous JavaScript and XML)技術(shù)支持?jǐn)?shù)據(jù)的動態(tài)刷新，該方法能夠呈現(xiàn)時變數(shù)據(jù)，但未探討該方法在電力行業(yè)的應(yīng)用。文獻(xiàn)[15]將SVG和Ajax技術(shù)運用于電力行業(yè)，提出的電網(wǎng)分析與輔助決策支持系統(tǒng)利用DOM(Document Object Model)實現(xiàn)單線圖與用戶的交互，能夠支持時變數(shù)據(jù)的動態(tài)刷新，但不支持用戶對SVG的操作。

綜上所述，專用于諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的可視化已成為電力系統(tǒng)數(shù)字仿真領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。因此，本文對面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)展開研究，并通過融合SVG及其相關(guān)技術(shù)有效支撐單線圖的可視化建模和仿真分析結(jié)果的可視化呈現(xiàn)。

3 面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)框架

面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)的核心功能是可視化建模、諧波仿真模型的計算、結(jié)果的可視化呈現(xiàn)。綜合考慮系統(tǒng)的實用性、擴(kuò)展性和技術(shù)可行性，系統(tǒng)被劃分為兩個子系統(tǒng)，分別是可視化建模子系統(tǒng)和諧波分析子系統(tǒng)，圖1所示為系統(tǒng)架構(gòu)。其中，單線圖指為了清晰地反映接線情況，采用一根線表示連接三根線的電網(wǎng)圖。

Figure 1 Framework of the harmonic analysis oriented power system digital simulator圖1 面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)的架構(gòu)

可視化建模子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)提供電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)圖元；支持基于圖元的單線圖的可視化建模；生成并保存面向建模的數(shù)據(jù)模型。

諧波分析子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收單線圖中元件的計算參數(shù)；支持各類諧波計算功能的選擇；支持面向建模的數(shù)據(jù)模型向面向計算的數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換；執(zhí)行諧波分析；保存計算結(jié)果；采用二維可視化方式呈現(xiàn)計算結(jié)果，如折線圖、柱狀圖等。

4 可視化建模子系統(tǒng)

可視化建模子系統(tǒng)主要由五個部分構(gòu)成，分別是電力元件庫、圖元屬性編輯模塊、單線圖繪制模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和存儲系統(tǒng)。從整個子系統(tǒng)的角度，用戶通過拖拽電力圖元庫中的圖元繪制單線圖，單線圖中元件的屬性可編輯，且單線圖的結(jié)果和元件屬性均保存在數(shù)據(jù)庫中，諧波分析子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫與可視化建模子系統(tǒng)進(jìn)行交互。圖2為可視化建模子系統(tǒng)的工作流程。

Figure 2 Workflow of the visual modeling subsystem圖2 可視化建模子系統(tǒng)的工作流程

可視化建模子系統(tǒng)采用瀏覽器嵌入RCP(Rich Client Platform)技術(shù)平臺的方式實現(xiàn)。其中，RCP和Eclipse的圖形編輯框架GEF(Graphical Editor Framework)用于支持單線圖的繪制和圖形編輯，瀏覽器用于呈現(xiàn)單線圖和支撐元件屬性的編輯。

4.1 電力元件庫

SVG是W3C推出的一種開放標(biāo)準(zhǔn)的文本式矢量圖形描述語言，是IEC61970標(biāo)準(zhǔn)推薦的電力系統(tǒng)圖形交互的標(biāo)準(zhǔn)格式[16]。然而，SVG本身并不具有電力屬性，所以需要將SVG與電力系統(tǒng)圖形的特性相結(jié)合，設(shè)計能夠描述電力系統(tǒng)元件的SVG腳本。從諧波分析的需求出發(fā)，本文采用SVG描述基本的諧波相關(guān)的電力元件，元件的設(shè)計符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并為每個元件設(shè)置諧波分析所必須的屬性。圖3所示為電力元件的主要組成部分，分別是元件圖元、元件屬性、元件數(shù)據(jù)。

Figure 3 Components of electric element圖3 電力元件的組成部分

元件圖元體現(xiàn)元件的幾何特性，包含圖形樣式和坐標(biāo)位置等信息，如諧波源、二繞組變壓器和負(fù)載等。圖4所示為電壓源和二繞組變壓器的圖元。

Figure 4 Graphics of the voltage source and the two-winding transformer圖4 電壓源和二繞組變壓器的圖元

元件屬性是元件基本屬性、計算屬性和拓?fù)鋵傩缘募?，如名稱、描述、相別和基準(zhǔn)電壓等，其存在形式是元件表的屬性。表1為電壓源表，包含4個基礎(chǔ)屬性、4個計算屬性和1個拓?fù)鋵傩浴?/p>

Table 1 Voltage source table

元件數(shù)據(jù)是元件實例的屬性值，包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)指元件的基本描述信息，包括編號、名稱、描述等。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的編號是唯一，且由系統(tǒng)自動生成，名稱和描述信息可根據(jù)實際情況由用戶輸入。拓?fù)鋽?shù)據(jù)來源于單線圖。計算數(shù)據(jù)來源于用戶輸入。在電力系統(tǒng)仿真的過程中，仿真分析常需重復(fù)進(jìn)行，為了區(qū)分多次仿真的輸入數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用時間戳屬性對數(shù)據(jù)組加以標(biāo)記。為了方便計算，將采用當(dāng)前時間相對于1970年1月1日0點的毫秒數(shù)作為時間戳。

4.2 單線圖的交互

在可視化建模子系統(tǒng)中，除了構(gòu)建單線圖之外，還需要與單線圖進(jìn)行交互，包括單線圖的呈現(xiàn)和元件屬性的變更。鑒于電力元件庫采用SVG技術(shù)，單線圖的交互亦以SVG技術(shù)為基礎(chǔ)。

(1) 單線圖的呈現(xiàn)。

面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)采用瀏覽器支持SVG單線圖的呈現(xiàn)。目前，絕大多數(shù)常用的瀏覽器都支持SVG圖形顯示，以下為二繞組變壓器實例的SVG腳本。為了呈現(xiàn)整個單線圖，元件的SVG腳本可采用〈embed〉、〈object〉或者〈iframe〉標(biāo)簽嵌入HTML或其他網(wǎng)頁文檔。

〈svgxmlns="http://www.w3.org/2000/svg"

width="30"height="40"〉

〈pathd="M 0 0 q 20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈pathd="M 0 10 q 20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈pathd="M 0 20 q 20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈pathd="M 0 30 q 20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈pathd="M 30 0 q-20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈pathd="M 30 10 q-20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈pathd="M 30 20 q-20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈pathd="M 30 30 q-20 5 0 10"stroke="black"

stroke-width="2"fill="none" /〉

〈/svg〉

其中，〈path〉代表路徑，M代表移動，q代表貝茲曲線，選擇兩個端點和一個或兩個控制點，通過相對位置來展現(xiàn)弧線，可以抽象表現(xiàn)出二繞組變壓器元件的圖形。stroke-width屬性表示連接線條的粗細(xì)程度。

(2) 元件屬性值的變更。

瀏覽器通常只支持SVG腳本的呈現(xiàn)，無法支持對SVG圖形屬性的修改。面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)將SVG與JavaScript(JS)相結(jié)合，實現(xiàn)對基于SVG的電力圖元屬性的操作。以下為實現(xiàn)SVG元件屬性編輯功能的JS腳本片段。

〈html〉

〈body〉

〈embedid="tans1"src="transformer"height="100"width="100"

type="image/svg-xml"

pluginspage=http://www.adobe.com/svg/viewer/install/〉

〈/embed〉

〈/body〉

〈scripttype="text/ecmascript"〉

window.onload=function(){

varsvgdoc=document.getElementById("trans1").getSVGDocument();}

〈/script〉

〈/html〉

JS腳本可直接嵌入SVG腳本，通過getSVGDocument方法獲取SVG的DOM結(jié)構(gòu)，定位JS腳本，并通過執(zhí)行JS腳本完成對SVG圖元屬性的變更。

5 諧波分析子系統(tǒng)

諧波分析子系統(tǒng)負(fù)責(zé)以單線圖及元件的屬性信息為依據(jù)，根據(jù)不同的諧波分析功能為單線圖構(gòu)造矩陣方程組，采用計算引擎求解方程組，并保存和顯示分析結(jié)果。諧波計算模塊和結(jié)果呈現(xiàn)模塊是諧波分析子系統(tǒng)的核心功能模塊。

5.1 諧波仿真計算

盡管目前絕大多數(shù)電力仿真系統(tǒng)都支持諧波仿真分析，但由于這些系統(tǒng)并不側(cè)重諧波分析，在功能完整性、擴(kuò)展性和開放性方面均存在不足，并不能完全適應(yīng)諧波分析多樣性的需求。因此，本文基于現(xiàn)有的電網(wǎng)元件模型、諧波源模型，以及諧波潮流計算算法等，設(shè)計和開發(fā)了面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)的諧波計算模塊。該模塊能夠覆蓋常用的諧波分析模型，并為用戶預(yù)留有擴(kuò)展諧波分析功能的接口。

由于目前主流的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)均是基于早期電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)內(nèi)核發(fā)展而來，所以電力仿真工具普遍存在仿真內(nèi)核高度耦合、仿真算法為單機(jī)算法、可視化程度有限等問題[1]。Java是應(yīng)用最為廣泛的面向?qū)ο箝_發(fā)語言，并已被廣泛應(yīng)用于分布式計算和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域?？紤]到面向?qū)ο缶幊趟枷朐谠O(shè)計和實現(xiàn)方面的靈活性，Java在分布式計算和可視化效果方面的優(yōu)勢，本系統(tǒng)利用Java API形成諧波分析引擎，能夠為電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)的架構(gòu)和服務(wù)模式的變更奠定基礎(chǔ)。圖5所示為諧波分析的工作流程，由4個步驟構(gòu)成，分別是生成諧波分析腳本、Java接口、諧波分析引擎和結(jié)果寫入存儲系統(tǒng)。

Figure 5 Workflow of harmonic analysis圖5 諧波分析的工作流程

如圖5所示，諧波分析子系統(tǒng)與可視化建模子系統(tǒng)相互依賴。在諧波分析的工作過程中，生成諧波分析腳本依據(jù)諧波計算庫中的模型、可視化建模子系統(tǒng)中構(gòu)建的單線圖拓?fù)鋽?shù)據(jù)和元件參數(shù)數(shù)據(jù)構(gòu)造用于諧波分析的Java代碼，生成的Java代碼既支持傳統(tǒng)的諧波分析模型，也支持自定義的諧波分析模型。時序諧波潮流計算和隨機(jī)諧波潮流計算即為自定義的新型諧波分析模型。還可根據(jù)諧波分析需求，基于諧波分析引擎提供的Java接口定制其他諧波分析模型。Java接口負(fù)責(zé)提供支持諧波分析的Java API，以供Java代碼調(diào)用。諧波分析引擎負(fù)責(zé)執(zhí)行Java諧波分析代碼。結(jié)果保存負(fù)責(zé)將分析結(jié)果寫入文件系統(tǒng)或結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

5.2 數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換

在電力系統(tǒng)諧波仿真計算系統(tǒng)中，存在多種格式的數(shù)據(jù)，包括可視化建模系統(tǒng)產(chǎn)生的圖形輸出文件、諧波分析腳本文件和用于保存結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。不同格式的數(shù)據(jù)由不同的模塊產(chǎn)生，但存在相關(guān)性?？梢暬Ｏ到y(tǒng)產(chǎn)生的圖形輸出是腳本文件的產(chǎn)生基礎(chǔ)，元件數(shù)據(jù)庫和結(jié)果數(shù)據(jù)庫是構(gòu)建SVG圖形腳本的依據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)完成不同數(shù)據(jù)類型之間的格式轉(zhuǎn)換，圖6所示為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作流程。其中，可視化建模子系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)到諧波分析腳本文件的轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵問題。

Figure 6 Workflow of the transformation of data models圖6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作流程

如圖6所示，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作流程由4個階段構(gòu)成。第一階段，電力系統(tǒng)單線圖輸出SVG腳本和元件數(shù)據(jù)庫。第二節(jié)階段，基于元件數(shù)據(jù)庫和諧波計算庫中的分析模型生成諧波分析腳本。第三階段，運行諧波分析腳本，并輸出計算結(jié)果到結(jié)果數(shù)據(jù)庫和結(jié)果文件系統(tǒng)。第四階段，融合SVG單線圖和結(jié)果數(shù)據(jù)生成疊加結(jié)果的SVG腳本和統(tǒng)計圖。以下為由電壓源的SVG腳本生成諧波分析腳本的代碼片段。

Stringresult="";

if(generator!=null){

if(generator.getGeneratorid()!=null){

result+="new circuit."+generator.getGeneratorid()+" ";}

if(generator.getBasekv()!=null){

result+="baseKV="+generator.getBasekv()+" ";}

if(generator.getPhases()!=null){

result+="phases="+generator.getPhases()+" ";}

if(generator.getPhases()==3){

result+="mvase3="+generator.getMvasc3()+" "+generator.getMvasc3();}}

5.3 諧波分析結(jié)果的呈現(xiàn)

面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)主要提供了兩類諧波結(jié)果的呈現(xiàn)方式，第一類是在單線圖上疊加分析結(jié)果，第二類是采用統(tǒng)計圖的方式展示分析結(jié)果。

在將分析結(jié)果疊加至單線圖的過程中，系統(tǒng)預(yù)先在單線圖中為每個可計算元件設(shè)置結(jié)果標(biāo)簽組，包括電流值、電壓值和功率值等。在進(jìn)行諧波分析之前，由于各結(jié)果標(biāo)簽的數(shù)據(jù)值為空，單線圖中不顯示結(jié)果值。當(dāng)諧波分析結(jié)束后，結(jié)果標(biāo)簽組將更新數(shù)據(jù)，將結(jié)果呈現(xiàn)在單線圖中。

在統(tǒng)計結(jié)果的呈現(xiàn)方面，存在許多JS圖形庫插件，如RGraph、Planetary、xCharts等。面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)以ECharts為基礎(chǔ)支撐諧波分析結(jié)果的統(tǒng)計圖展示，包括采用折線圖呈現(xiàn)阻頻圖、概率分布圖和趨勢圖，采用柱狀圖呈現(xiàn)頻譜圖。

6 系統(tǒng)在諧波分析中的應(yīng)用

面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)采用RCP和B/S混合架構(gòu)實現(xiàn)。圖7所示為系統(tǒng)原型的架構(gòu)。其中，可視化建模子系統(tǒng)基于RPC技術(shù)平臺，諧波計算子系統(tǒng)瀏覽器端和諧波計算子系統(tǒng)服務(wù)器基于B/S架構(gòu)?？梢暬Ｗ酉到y(tǒng)和諧波計算子系統(tǒng)通過位于諧波計算子系統(tǒng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

Figure 7 Hardware architecture of the proposed system圖7 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

本文以IEEE提供的標(biāo)準(zhǔn)4節(jié)點的潮流分析模型為案例驗證系統(tǒng)的可行性。圖8所示為面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)在可視化建模，元件屬性修改和單線圖結(jié)果呈現(xiàn)、自定義元件和單線圖繪制階段的效果圖。

面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)原型的界面主要由三個區(qū)域構(gòu)成，分別是菜單欄、管理欄和圖形區(qū)域。圖8a所示為采用SVG元件構(gòu)建的4節(jié)點單線圖，包括9個電力系統(tǒng)元件。圖8b所示為單擊電壓源元件后，彈出的屬性設(shè)置窗口，單擊屬性設(shè)置窗口中的確定按鈕后新的屬性值被更新至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。圖8c所示為單線圖與諧波分析結(jié)果的疊加，當(dāng)諧波分析被重新執(zhí)行后，疊加的結(jié)果將自動更新。由于計算結(jié)果可疊加顯示在單線圖上，相比以文本或表格方式呈現(xiàn)計算結(jié)果的其他電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)，本系統(tǒng)的直觀性更強(qiáng)。圖8d所示為本系統(tǒng)提供的自定義元件的界面圖，包含圖元的繪制和屬性的定義。相比其他系統(tǒng)在元件庫方面的封閉性，在可擴(kuò)展性方面具有優(yōu)勢。如圖8e所示，系統(tǒng)的單線圖繪制工具支持在畫布上通過拖拽元件圖元的方式構(gòu)建單線圖，具有良好的交互性。在對諧波模型的支撐方面，本系統(tǒng)直接提供時序諧波潮流計算模型和隨機(jī)諧波潮流計算模型等自定義諧波計算模型的實現(xiàn)。相比其他軟件需要用戶參與腳本編寫或額外添加功能模塊而言，具有更豐富的諧波仿真功能。

Figure 8 Interfaces of the proposed system圖8 系統(tǒng)的實現(xiàn)效果

總之，由面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)原型可知，系統(tǒng)具有可視化建模、諧波分析和結(jié)果的可視化呈現(xiàn)功能。融合RCP技術(shù)平臺和B/S架構(gòu)，使用Java實現(xiàn)諧波分析，采用SVG、JS、Java技術(shù)實現(xiàn)可視化的面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)是可行的。

7 結(jié)束語

目前，電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)各具側(cè)重，在諧波源類型和諧波分析模型種類方面存在不完善和擴(kuò)展性較差的問題。因此，本文對專用于諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)展開研究，提出一種面向諧波分析的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)將RCP技術(shù)平臺和B/S架構(gòu)相融合，由可視化建模子系統(tǒng)和諧波分析子系統(tǒng)構(gòu)成。在可視化建模子系統(tǒng)中，采用SVG呈現(xiàn)電力元件庫和單線圖，并引入JS技術(shù)實現(xiàn)對元件屬性的變更。在諧波分析子系統(tǒng)中，采用Java語言編制諧波分析腳本，支持多種諧波分析模型，并采用SVG單線圖和基于JS圖形庫的統(tǒng)計圖的方式直觀地呈現(xiàn)分析結(jié)果。本文采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)4節(jié)點單線圖的潮流分析實例驗證系統(tǒng)的可行性。案例分析表明方法能夠支撐單線圖的諧波分析，還具有直觀的可視化效果，良好的交互性。本文下一步的工作包括增加諧波元件和分析模型，并依據(jù)生產(chǎn)需求完善原型系統(tǒng)。

[1] Zhang Kai, He Ying. Research on power simulation system based on cloud computing[J].Modern Electric Power,2012,29(6):38-42.(in Chinese)

[2] Song Wen-nan, Liu Bao-ren. Power system harmonic analysis[M].Beijing: Water Conservancy and Electric Power Press,1995.(in Chinese)

[3] Li Guang-kai, Li Geng-yin.The summary of power system simulation software[J].Journal of EEE,2005,27(1):61-65.(in Chinese)

[4] Jun Z,Zhuang E,Ivanov C,et al.A data-driven approach to interactive visualization of power systems[J].IEEE Transactions on Power Systems,2011,26(4):2539-2646.

[5] Prabhu J A X,Sharma S,Nataraj M,et al.Design of electrical system based on load flow analysis using ETAP for IEC projects [C]∥Proc of the 6th IEEE International Conference on Power Systems (ICPS 2016),2016: 1-6.

[6] Anaya-lara O, Acha E. Modeling and analysis of custom power system by PSCAD/EMTDC[J]. IEEE Power Engineering Review, 2007,21(11):56.

[7] Su Li,Wu Guang-ning, Jiang Wei, et al.Simulation research on stability of AC/DC power system based on BPA[J].Power System Protection and Control,2009,37(2):32-36.(in Chinese)

[8] Zhu W.Modeling and research of online security early warning for power based on PSASP simulation[J].International Journal of Simulation: Systems,Science and Technology,2016,17(7):31-36.

[9] Fan C,Wu Y,Wang F.SVG based on Ajax and its application in graphical network topology management[C]∥Proc of the 2009 IEEE International Conference on Communications Technology and Application (ICCTA’09),2009:185-189.

[10] Vítor C, Diamantino F.Automatic description of SVG images for the visually impaired: A gestaltic approach[C]∥Proc of 2015 International Conference on Software Development and Technologies for Enhancing Accessibility and Fighting Info-exclusion(DSAI’15),2015:2-11.

[11] Moreno E D, Oliveira J D.Architectural impact of the SVG-based graphical components in web applications[J].Computer Standards & Interfaces,2009,31(6):1150-1157.

[12] Xu Chong,Wang Kang-yuan,Qiu Jia-ju, et al.A study on power graphics system based on GML and SVG[J].Power System Protection and Control,2008,36(9):64-66.(in Chinese)

[13] Liu Zun-xiong, Kuang Zhi-jun,Gao Yu-zhu.Realization of power graphics system based on SVG[J].Power System Protection and Control,2005,33(21): 69-73.(in Chinese)

[14] Zhang L,Xiong W,Xian X.Research on web-based real-time monitoring system on SVG and Comet[J].Telkomnika Indonesian Journal of Electrical Engineering,2012,10(5):1142-1146.

[15] Guo Ting,Xie Min,Liu Ming-bo.Application of SVG and Ajax technique into power network analysis and decision support systems[J].Power System Protection and Control,2012,40(4): 83-89.(in Chinese)

[16] Deng Fei,Wang Qian,Hu Qing-you,et al.Information model for power grid fault diagnosis based on coordination between IEC61970 and IEC61850[J].Journal of Electrical Power,2013,28(2):136-139.(in Chinese)

附中文參考文獻(xiàn)：

[1] 張凱，何穎.基于云計算的電力仿真系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電力,2012,29 (6):38-42.

[2] 宋文南，劉寶仁.電力系統(tǒng)諧波分析[M]．北京：水利電力出版社,1995.

[3] 李廣凱，李庚銀.電力系統(tǒng)仿真軟件綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2005,27(1):61-65.

[7] 蘇利，吳廣寧，蔣偉,等.基于BPA的交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(2):32-36.

[12] 徐沖，王康元，邱家駒,等.基于GML和SVG的電力圖形系統(tǒng)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2008,36(9):64-66.

[13] 劉遵雄，況志軍，高玉柱.基于SVG的電力圖形系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2005,33(21):69-73.

[15] 郭挺，謝敏，劉明波,等.SVG和Ajax技術(shù)在電網(wǎng)分析與輔助決策支持系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(4): 83-89.

[16] 鄧飛，王倩，胡慶有,等.基于IEC61970和IEC61850協(xié)調(diào)的電網(wǎng)故障診斷信息模型[J].電力學(xué)報,2013,28(2):136-139.