大規模電力系統病態潮流分析系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種電力系統仿真及分析技術領域的系統，具體是一種可采用不 同算法對大規模電力系統病態潮流進行求解與分析的系統。
【背景技術】
[0002] 電力系統的潮流是指在給定電源注入功率和負荷輸出功率后，電力網絡中產生流 動的功率流。電力系統的潮流計算在給定電網和已知電網運行條件的情況下，確定電力系 統穩定運行狀態的計算工作，為電力系統短路計算和穩定計算提供初值，是電力系統分析 的基石。潮流計算的本質是求解一組非線性方程組。該方程組表征電力系統節點電壓和注 入功率或注入電流間的關系。在已知網絡參數的情況下，以及除平衡機以外的發電機有功 出力已知的情況下，求解潮流方程組可以獲得電力系統網絡中各節點的電壓、線路輸送的 有功及無功功率、發電機無功出力及網絡損耗。
[0003] 由于潮流計算的重要性和電網規模的不斷擴大，自上個世紀50年代開始，電力行 業的研宄人員就已投入大量的精力到潮流計算的研宄與相關系統的開發中。至今為止，世 界范圍內已出現了諸多用于大規模電力系統潮流計算與分析系統，例如：美國電力研宄院 的ETSMP、ABB公司的SIMP0W、西門子電力技術國際公司開發的PSS/E、中國電力科學研宄院 開發的PSASP和PSD - BPA等。
[0004] 盡管電力系統潮流計算的相關研宄及系統的開發已經歷了數十年的歷史，現階段 還是存在以下問題需要解決：
[0005] 1)潮流計算的核心模塊仍基于上個世紀60年代Tinney和Hart提出的NR(牛頓-拉夫遜）算法[Tinney W F，Hart C E. Power flow solution by Newton's method [J]. Power Apparatus and Systems，IEEE Transactions on，I967(Il) : I449-I46O.]和7〇年代 Stott和Alsac提出的PQ分解算法[Stott B，Alsa 0· Fast decoupled load flow[J]· Power Apparatus and Systems，IEEE Transactions on，1974(3) :859 - 869·]，前者利用導納矩 陣的稀疏性大幅減少了計算機內存的需求，利用優化節點排序技術大幅減少求解線性方程 組的計算量，因此在正常工況下可以快速可靠的收斂至系統潮流解；后者迭代過程中因子 表可重復使用，大幅提高了計算速度。然而，隨著輸電網絡的擴建，華東、華中、華北等幾大 片區電網將緊密連接，我國電網形成了大規模交直流互聯系統。該系統的工況復雜多樣，調 度人員和運行方式規劃人員在得到電網正常的運行方式安排前，需要經過大量的電網運行 參數調整，時常遇到電網參數不匹配等工況，常規牛頓法潮流計算難以收斂，而系統中重負 荷、小阻抗支路等因素，也會影響常規潮流計算方法的收斂性[張堯，宋文南，賀家李.臨近 電壓穩定極限的潮流和靜穩極限算法[J].中國電機工程學報，1994,14(6) :17 - 23.姚玉 斌，魯寶春，陳學允.小阻抗支路對牛頓法潮流的影響及其處理方法[J].電網技術，1999， 23 (9) : 27 -31.姚玉斌，蔡興國，陳學允，等.PQ分解算法潮流求解含有小阻抗支路系統的收 斂性分析[J].繼電器，2000,4 :001.]。這些常規方法無法收斂的情況稱為病態潮流；
[0006] 2)現階段針對病態潮流的問題，已有一定的解決方案，如先采用PQ分解算法迭代 1~2次，將迭代后的解作為初值啟動牛頓迭代[Stott B. Effective starting process for Newton -Raphson load flows[C]//Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. IET Digital Library，1971，118(8) :983 - 987.]，如電科院 PSD - BPA 軟件中 的潮流模塊即有該方法的選項[印永華，卜廣全，湯涌.PSD-BPA潮流程序用戶手冊[Z] [J]. 2007.]。但該方案對于初始PQ分解算法的迭代次數十分敏感，不同的迭代次數會直接 影響最終NR算法迭代的收斂情況。
[0007] 現代的電力系統負荷日益加重，大區域間的互聯不斷增強，特別是"三華"（華中-華東-華北）特高壓交/直流電網的互聯，使運行工況變得復雜多變；此外，在負荷不斷增 大的同時，電網中的發電設備的使用越來越接近其使用極限，這些因素都導致病態潮流問 題的產生，使常規潮流計算方法難以收斂的情況變得越來越常見。
[0008] 另一方面，電力系統的運行需要絕對的安全、穩定，一旦發生了大范圍的故障，其 造成的經濟損失難以估量。而電力系統的潮流計算作為電力系統靜態及動態分析的基礎， 在電力系統的規劃與運行中充當基石的作用。當電力系統中發生故障時，需要及時對故障 進行診斷分析，從而進行改變運行方式或切負荷等操作來切除故障。然而，當故障導致系統 中元器件過負荷后，可能產生連鎖反應，致使故障擴大，進而出現病態潮流的問題。若在此 時無法求得正確的潮流解，會影響故障的分析診斷和及時切除，進一步惡化故障的范圍，最 終甚至引發電網解裂以及大范圍停電。因此，為了保證系統在極限運行工況下的安全穩定 運行，亟需解決常規潮流算法在求解病態潮流時出現的收斂性問題。
[0009] 經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CN104091092A，公開（公告）日 2014. 10. 08,公開了一種大規模電力系統小干擾穩定性的特征值分析系統，包括：用于實現 BPA數據文件的無縫讀寫操作的BPA數據接口模塊、用于實現小干擾穩定性特征值分析中 的稀疏矩陣相關處理的稀疏矩陣計算模塊、潮流計算模塊、系統建模及其線性化模塊、狀態 矩陣計算模塊、全部特征值計算引擎模塊、部分特征值計算引擎模塊和振蕩模式提取和分 析模塊，采用TTQRE、多種計算方案的IRAM及JDM，實現對實際大規模電網進行全方位、無遺 漏的小干擾穩定性特征值仿真分析。但該技術采用常規的NR法，面對求解Jacobian矩陣 接近奇異的情況會出現不收斂的問題，影響整個系統的正常工作，本發明與該現有技術相 比的本質性進步為：采用Levenberg -Marquardt(LM)方法解決了大規模電力系統病態潮流 求解與分析問題。
【發明內容】
[0010] 本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種大規模電力系統病態潮流分析系 統，引入新的方法解決極限運行工況下的病態潮流求解問題：根據PSD - BPA格式的電網數 據文件（*. dat)，采用常規的NR算法及PQ分解算法，快速高效地得到電力系統潮流計算結 果；采用PQ分解算法迭代數次后作為NR算法初值的方法，解決部分潮流不收斂的情況；采 用Levenberg -Marquardt(LM)方法，有效解決極限運行工況下的病態潮流求解與分析問 題。
[0011] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0012] 本發明涉及一種大規模電力系統病態潮流分析系統，包括：BPA數據接口模塊、用 于實現潮流計算中的稀疏矩陣相關處理的稀疏矩陣計算模塊、系統建模模塊、潮流計算模 塊和潮流結果分析模塊，其中：BPA數據接口模塊接收電網數據文件，并分別與潮流計算模 塊和系統建模模塊相連并提供API (Application Programming Interface，應用程序編程 接口）；稀疏矩陣計算模塊與潮流計算模塊相連并提供API，實現計算過程中大規模稀疏矩 陣求解的計算功能；系統建模模塊根據BPA數據接口模塊提供的API，實現大規模電力系統 建模，即生成各電力元器件的已知量并形成初始潮流方程；潮流計算模塊根據BPA數據接 口模塊以及稀疏矩陣計算模塊提供的API，依據預設配置選取對應算法，對系統建模模塊形 成的潮流方程進行求解，并形成潮流計算結果至潮流結果分析模塊；潮流結果分析模塊對 潮流計算結果收斂情況進行分析，并根據結果中的靜態最低、最高電壓指標，完成病態潮流 的電壓穩定性分析，輸出各節點的電壓、功率、各支路的功率流動以及電壓穩定性等潮流分 析結果。該系統具備大規模電力系統病態潮流的求解及分析能力，能夠解決常規潮流求解 系統在計算病態潮流時不收斂的問題，在現