國(guó)建寶，李興源，李 寬，王 峰

(1．中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東廣州510663; 2．四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065)

電力系統(tǒng)BPA與PSS/E潮流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換研究

國(guó)建寶1，李興源2，李 寬2，王 峰2

(1．中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東廣州510663; 2．四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065)

中國(guó)電力科學(xué)研究院引進(jìn)開(kāi)發(fā)的BPA仿真程序及德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的PSS/E電力仿真程序，在電力系統(tǒng)數(shù)字仿真中得到了廣泛應(yīng)用。PSS/E仿真程序以其強(qiáng)大的仿真計(jì)算功能得到國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)青睞，完成BPA程序到PSS/E程序數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換具有實(shí)際工程意義。本文采用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)轉(zhuǎn)換程序，并以IEEE300節(jié)點(diǎn)純交流輸電系統(tǒng)、IEEE四機(jī)兩區(qū)域交直流并聯(lián)模型以及南網(wǎng)2013豐大系統(tǒng)模型作為實(shí)際仿真算例。仿真結(jié)果表明，本文提出的轉(zhuǎn)換思路能有效完成BPA到PSS/E潮流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

交直流電力系統(tǒng);BPA仿真軟件;PSS/E仿真軟件;潮流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

1 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，高壓直流輸電在中國(guó)的廣泛發(fā)展［1-4］，尤其是大電網(wǎng)的互聯(lián)為電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［5］。為保證電力系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，需在電力系統(tǒng)規(guī)劃、分析與運(yùn)行時(shí)實(shí)際考察電力系統(tǒng)的靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性，這就需要一種可靠準(zhǔn)確的電力仿真軟件來(lái)對(duì)實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行模擬仿真，為電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，且為電力系統(tǒng)的調(diào)度與安全可靠運(yùn)行提供依據(jù)［6］。

BPA(Bonneville Power Administration)［7-9］電力系統(tǒng)分析程序是中國(guó)電力科學(xué)研究院1980年左右從美國(guó)BPA引進(jìn)的電力系統(tǒng)分析軟件包。BPA仿真程序可用于短路電流計(jì)算和電網(wǎng)靜態(tài)等值分析，具有計(jì)算規(guī)模大、計(jì)算速度快、穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且BPA配備有較完善的輔助工具，在電力系統(tǒng)調(diào)度規(guī)劃、生產(chǎn)運(yùn)行以及科研部門(mén)得到了廣泛應(yīng)用。

PSS/E(Power System Simulator for Engineering)［10-12］是由德國(guó)Siemens公司開(kāi)發(fā)的大型電力系統(tǒng)仿真軟件。PSS/E仿真軟件具有輸入數(shù)據(jù)方式簡(jiǎn)單、系統(tǒng)模型完整、分析計(jì)算功能多樣性、仿真計(jì)算結(jié)果輸出透明性與完整性等特點(diǎn)。且PSS/E仿真程序具有靈活的自定義功能，超大規(guī)模系統(tǒng)計(jì)算快速準(zhǔn)確，PSS/E在國(guó)內(nèi)已得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

BPA是具有廣泛影響的電力系統(tǒng)綜合仿真程序，為實(shí)現(xiàn)BPA與PSS/E程序間交換和共享數(shù)據(jù)，比較仿真結(jié)果，并進(jìn)一步對(duì)電網(wǎng)安全分析、可靠調(diào)度提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)BPA到PSS/E的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是必要的。兩種仿真軟件中潮流數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換是電力仿真計(jì)算的基礎(chǔ)。本文分析了兩種仿真軟件潮流數(shù)據(jù)的差別，并利用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)轉(zhuǎn)換程序。通過(guò)IEEE300節(jié)點(diǎn)、IEEE四機(jī)兩區(qū)域以及南網(wǎng)2013豐大方式算例進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，編寫(xiě)轉(zhuǎn)換程序能有效完整地實(shí)現(xiàn)潮流數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

2 BPA和PSS/E交流節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

2.1 BPA和PSS/E潮流數(shù)據(jù)描述

(1)BPA潮流數(shù)據(jù)

BPA數(shù)據(jù)是基于卡片形式填寫(xiě)，主要的潮流數(shù)據(jù)可分為區(qū)域控制數(shù)據(jù)卡、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)卡、線路卡、變壓器卡及數(shù)據(jù)修改卡五類。對(duì)于先后順序沒(méi)有明確要求，但節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)卡需排在前面，即需先定義節(jié)點(diǎn)類型，然后再添加其他數(shù)據(jù)卡項(xiàng)。潮流數(shù)據(jù)最終保存為．dat格式。

(2)PSS/E潮流數(shù)據(jù)

PSS/E潮流數(shù)據(jù)保存為．raw格式，在PSS/E的潮流數(shù)據(jù)中一共有19個(gè)部分組成，分別為母線數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)、固定并聯(lián)導(dǎo)納負(fù)荷數(shù)據(jù)、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)、支路數(shù)據(jù)、變壓器數(shù)據(jù)、區(qū)域數(shù)據(jù)、傳統(tǒng)直流數(shù)據(jù)、柔性直流數(shù)據(jù)、變壓器阻抗校正數(shù)據(jù)、多端直流數(shù)據(jù)、多段線路數(shù)據(jù)、分區(qū)數(shù)據(jù)、區(qū)域間交換數(shù)據(jù)、所有者數(shù)據(jù)、FACTS控制器數(shù)據(jù)、可調(diào)并聯(lián)導(dǎo)納數(shù)據(jù)、通用網(wǎng)元設(shè)備數(shù)據(jù)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，且這19個(gè)數(shù)據(jù)段的順序不可顛倒。不同的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所需求的數(shù)據(jù)形式不同，但母線、負(fù)荷、發(fā)電機(jī)、線路以及變壓器數(shù)據(jù)為必需數(shù)據(jù)。

兩種仿真軟件的數(shù)據(jù)格式有很大不同，BPA數(shù)據(jù)格式要求較為簡(jiǎn)單，PSS/E的數(shù)據(jù)格式需嚴(yán)格按照PSS/E軟件標(biāo)準(zhǔn)來(lái)填寫(xiě)。要完成有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需分別研究?jī)煞N仿真軟件每組數(shù)據(jù)所代表的量，然后根據(jù)軟件的標(biāo)準(zhǔn)格式對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換。

2.2 交流節(jié)點(diǎn)類型的轉(zhuǎn)換

BPA潮流計(jì)算程序中，定義了13種交流節(jié)點(diǎn)類型，而常用的交流節(jié)點(diǎn)僅有B卡、BE卡、BS卡、BQ卡、BC卡。

PSS/E定義了4種類型的節(jié)點(diǎn)，這四種節(jié)點(diǎn)類型分別為:1-負(fù)荷母線(無(wú)發(fā)電機(jī)邊界條件);2-發(fā)電機(jī)母線或電廠節(jié)點(diǎn);3-平衡節(jié)點(diǎn);4-孤立節(jié)點(diǎn)。BPA和PSS/E節(jié)點(diǎn)類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 BPA與PSS/E節(jié)點(diǎn)類型對(duì)照表Tab．1 Bus type comparison of BPA and PSS/E

在BPA中，對(duì)于B卡，要判斷該節(jié)點(diǎn)是否為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)，如果是，對(duì)應(yīng)的PSS/E節(jié)點(diǎn)類型設(shè)為2，否則設(shè)為1。

2.3 變壓器模型的對(duì)比和轉(zhuǎn)換

BPA中只有雙繞組變壓器模型，三繞組變壓器通過(guò)設(shè)置虛擬節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成三個(gè)雙繞組變壓器來(lái)計(jì)算。PSS/E中既給出了兩繞組變壓器，也給出了三繞組變壓器。變壓器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表2所示。

表2 變壓器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab．2 Convert regulation of transformer data

2.4 發(fā)電機(jī)和負(fù)荷數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

BPA中B卡的48～52列所填寫(xiě)的數(shù)字根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型的不同含義也有所不同，對(duì)于PQ節(jié)點(diǎn)(B卡、BC卡)，該數(shù)據(jù)項(xiàng)填寫(xiě)發(fā)電機(jī)安排的無(wú)功出力值，對(duì)于其他節(jié)點(diǎn)填發(fā)電機(jī)無(wú)功出力的最大值。

PSS/E發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)項(xiàng)需填寫(xiě)實(shí)際無(wú)功出力QG、最大無(wú)功出力QT和最小無(wú)功出力QB，在將BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PSS/E數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)BPA的節(jié)點(diǎn)類型來(lái)填寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)。發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表3所示。

表3 發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab．3 Convert regulation of generator data

BPA的負(fù)荷數(shù)據(jù)則在節(jié)點(diǎn)卡中填寫(xiě)，通過(guò)交流節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)卡(B卡)定義恒功率負(fù)荷、并聯(lián)導(dǎo)納負(fù)荷。PSS/E有專門(mén)的負(fù)荷卡，卡項(xiàng)包括恒功率負(fù)荷、恒電流負(fù)荷和恒阻抗負(fù)荷。

BPA中的恒功率負(fù)荷轉(zhuǎn)到PSS/E專門(mén)的負(fù)荷卡里，并聯(lián)導(dǎo)納負(fù)荷轉(zhuǎn)到PSS/E的Fixed Shunt數(shù)據(jù)里。負(fù)荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表4所示。

表4 負(fù)荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab．4 Convert regulation of load data

2.5 輸電線路數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

在BPA中，輸電線路數(shù)據(jù)包括對(duì)稱線路卡(L卡)，不對(duì)稱線路卡(E卡)以及線路高抗參數(shù)卡(L +卡)。

PSS/E里有專門(mén)的輸電線路數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)BPA的L卡和E卡，而B(niǎo)PA里的L+卡需轉(zhuǎn)換到PSS/E的Fixed Shunt卡里。Fixed Shunt數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表5所示。

表5 Fixed Shunt數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab．5 Convert regulation of Fixed Shunt data

需注意的是，BPA中的L+卡要拆分為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到PSS/E的Fixed Shunt里。且BL數(shù)據(jù)項(xiàng)正值表示容性負(fù)荷，負(fù)值表示感性負(fù)荷，與BPA的B卡數(shù)據(jù)相同，但與BPA的L+卡數(shù)據(jù)相反。

輸電線路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表6所示。

表6 輸電線路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab．6 Convert regulation of branch data

3 BPA與PSS/E直流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

BPA中直流線路數(shù)據(jù)由交流節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)卡B、兩端直流節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)卡BD、兩端直流線路數(shù)據(jù)卡LD、換流變壓器T及其控制數(shù)據(jù)卡R組成。直流數(shù)據(jù)中每一個(gè)橋閥需要一個(gè)變壓器，這些變壓器并聯(lián)地連接于交流網(wǎng)絡(luò)，一般總是將它們等值為一個(gè)變壓器。

PSS/E中的換相電阻(RCR)和換相電抗(XCR)數(shù)據(jù)需由BPA中發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)的銅損等效電阻和漏抗轉(zhuǎn)換而來(lái)。對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(1)和式(2)所示:

式中，RCR和XCR分別為換流站的換相電阻和換相電抗;R和X分別為BPA數(shù)據(jù)中換流變壓器銅損等效電阻和漏抗;NB為換流閥個(gè)數(shù);U2為換流變閥側(cè)電壓基準(zhǔn)值;SBASE為系統(tǒng)容量。

直流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表7所示。

表7 直流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab．7 Convert regulation of HVDC data

4 仿真算例

采用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)B(tài)PA轉(zhuǎn)PSS/E程序，并將IEEE300節(jié)點(diǎn)純交流模型、IEEE四機(jī)兩區(qū)域交直流并聯(lián)模型及南網(wǎng)2013豐大實(shí)際系統(tǒng)模型作為仿真算例，驗(yàn)證轉(zhuǎn)換程序的準(zhǔn)確性。

4.1 IEEE300純交流模型

IEEE300節(jié)點(diǎn)純交流系統(tǒng)BPA和PSS/E潮流計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 IEEE300節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果比較Tab．8 Load flow comparison of IEEE300 system

由表8可知，對(duì)于純交流系統(tǒng)模型，BPA和PSS/E兩種仿真軟件的計(jì)算結(jié)果有微小差別，主要是由于BPA和PSS/E對(duì)潮流結(jié)果取的有效位數(shù)不同導(dǎo)致的，BPA數(shù)據(jù)的有效位數(shù)比 PSS/E少了一位。

4.2 IEEE四機(jī)兩區(qū)域交直流并聯(lián)模型

IEEE四機(jī)兩區(qū)域交直流并聯(lián)系統(tǒng)BPA和PSS/ E潮流計(jì)算結(jié)果如表9所示。

表9 IEEE四機(jī)兩區(qū)域統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果比較Tab．9 Load flow comparison of IEEE AC/DC system

由表9可知，對(duì)于交直流并聯(lián)模型，轉(zhuǎn)換程序可實(shí)現(xiàn)兩種仿真軟件的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，BPA和PSS/E計(jì)算結(jié)果有微小差異，這是由兩種仿真軟件保留有效數(shù)位不同造成的。由表8和表9對(duì)比分析可知，算例節(jié)點(diǎn)多少也會(huì)造成差異的大小不同，節(jié)點(diǎn)越多，兩種仿真軟件仿真結(jié)果相差越大。

4.3 南網(wǎng)2013豐大實(shí)際模型

南網(wǎng)2013豐大實(shí)際系統(tǒng)模型共有6050個(gè)節(jié)點(diǎn)，7條直流。BPA和PSS/E潮流計(jì)算結(jié)果如表10 所示。

表10 南網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果比較Tab．10 Load flow comparison of Southern Power Grid system

由表10可知，南網(wǎng)2013豐大實(shí)際系統(tǒng)的BPA和PSS/E計(jì)算結(jié)果有微小差異，差異處于可接受范圍之內(nèi)。

南網(wǎng)數(shù)據(jù)中，7條直流的整流和逆變的有功、無(wú)功潮流對(duì)比如表11和表12所示。

表11 直流整流側(cè)潮流對(duì)比Tab．11 Load flow comparison of HVDC rectifier

表12 直流逆變側(cè)潮流對(duì)比Tab．12 Load flow comparison of HVDC inverter

由表11和表12可知，直流系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)BPA到PSS/E的完整準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)論

對(duì)于純交流系統(tǒng)和交直流并聯(lián)系統(tǒng)，BPA數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)為PSS/E數(shù)據(jù)，通過(guò)算例計(jì)算表明兩者的潮流計(jì)算結(jié)果存在一定誤差，誤差主要來(lái)源于兩個(gè)軟件計(jì)算精度的不同，誤差處于可接受范圍之內(nèi)。

通過(guò)南網(wǎng)2013豐大實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，表明包含直流的BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PSS/E后潮流計(jì)算結(jié)果存在較小的偏差，偏差來(lái)源于兩者在直流模型和計(jì)算方法上的差異。編寫(xiě)的轉(zhuǎn)換軟件可較為準(zhǔn)確地將BPA潮流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PSS/E潮流數(shù)據(jù)，具有實(shí)際工程意義。

［1］趙婉君 (Zhao Wanjun)．高壓直流輸電工程技術(shù)(High voltage DC transmission technology)［M］．北京:中國(guó)電力出版社(Beijng:China Electric Power Press)，2011．

［2］湯廣福(Tang Guangfu)．基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù) (High voltage direct current transmission technology based on voltage source converter)［M］．北京:中國(guó)電力出版社 (Beijng:China Electric Power Press)，2010．

［3］李少華，劉濤，蘇勻，等 (Li Shaohua，Liu Tao，Su Yun，et al．)．±800 kV特高壓直流輸電系統(tǒng)解鎖/閉鎖研究 (Research on de-blocking/blocking operation in±800 kV UHVDC system)［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 (Power System Protection and Control)，2010，38 (6):84-87．

［4］張志朝，劉濤，宋述波 (Zhang Zhichao，Liu Tao， Song Shubo)．云廣特高壓直流工程換流變分接頭切換控制研究 (Research on switching control of converter transformer tap changer in Yun-Guang UHVDC project)［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 (Power System Protection and Control)，2010，38(20):205-208．

［5］昆德 (Prabha Kundur)．電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制(Power system stability and control)［M］．北京:中國(guó)電力出版社 (Beijng:China Electric Power Press)，2002．

［6］馬龍義(Ma Longyi)．BPA與PSS/E仿真模型分析與轉(zhuǎn)換研究 (Analysis and conversion of simulation models between BPA and PSS/E)［D］．廣州:華南理工大學(xué)(Guangzhou:South China University of Technology)，2010．

［7］PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊(cè)4.0版 (Transient stability program user manual of PSD-BPA，4.0 edition)［K］．北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院 (Beijing:China E-lectric Power Research Institute)，2007．

［8］PSD-BPA潮流程序用戶手冊(cè)4.0版 (Power flow program user manual of PSD-BPA，4.0 edition) ［K］．北京:中國(guó)電力科學(xué)研究院 (Beijing:China Electric Power Research Institute)，2007．

［9］蘇黎，吳廣寧，蔣偉，等 (Su Li，Wu Guangning，Jiang Wei，et al．)．基于 BPA的交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真研究 (Simulation research on stability of AC/DC power system based on BPA)［J］．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制 (Power System Protection and Control)，2009，37 (2):32-36．

［10］GUI users guide of PSS/E-33.1［K］．Siemens Power Transmission＆Distribution，Inc．，2011．

［11］Program application guide of PSS/E-33.1［K］．Siemens Power Transmission＆Distribution，Inc．，2011．

［12］Program operation manual of PSS/E-33.1［K］．Siemens Power Transmission＆Distribution，Inc．，2011．

Data conversion analysis of power flow data between BPA and PSS/E in power system

GUO Jian-bao1，LI Xing-yuan2，LI Kuan2，WANG Feng2
(1．China Southern Power Grid EHV Maintenance＆Test Center，Guangzhou 510663，China; 2．School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

BPA，a simulation program for power system which is introduced into china by China Electric Power Research Institute，and as well as the PSS/E，a similar program developed by Siemens，have been widely used in power system digital simulation．Owing to its powerful numerical computing capability，many research institutions show a particular favorite on PSS/E．There is a practical engineering significance to complete the data conversionfrom the BPA program to the PSS/E．This paper introduces a conversion program written with Fortran and takes IEEE 300-node pure AC system，IEEE 4-machine 2-area power system and the Fengda system of Southern Power Grid in 2013 as examples to ensure its validity．The result turns out that the conversion program can effectively complete the data conversion from BPA to PSS/E．

AC/DC power system;BPA(Bonneville Power Administration);PSS/E(Power System Simulator for Engineering);flow data conversion

TM743

:A

:1003-3076(2015)05-0063-07

2014-03-03

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51037003)、中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(K-GY2012-040)

國(guó)建寶(1981-)，男，山東籍，工程師，碩士，主要從事高壓直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)的檢修維護(hù)工作;李興源(1945-)，男，四川籍，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電。