李 寒， 張成宇， 王同勛， 王 翀

1(北方工業(yè)大學 計算機學院，北京 100144)

2(大規(guī)模流數(shù)據(jù)集成與分析技術北京市重點實驗室，北京 100144)

3(全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院先進輸電技術國家重點實驗室，北京 102211)

4(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 信息通信分公司，南京 210024)

1 引言

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的逐年擴大，電力業(yè)務計算的復雜度愈來愈高，各類支撐電力系統(tǒng)的應用系統(tǒng)應運而生. 電力仿真系統(tǒng)即為一類重要的電力應用系統(tǒng)，主要負責通過計算機系統(tǒng)支撐電力系統(tǒng)的相關分析，涉及電力電氣分析、電能管理以及潮流穩(wěn)態(tài)計算等. 近年來，隨著諧波源的不斷出現(xiàn)，給電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟、運行帶來了嚴重危害，諧波問題在世界范圍內(nèi)受到關注. 為了更有效的發(fā)現(xiàn)和治理諧波源，有必要將電力仿真系統(tǒng)應用于諧波分析.

目前，主流的電力仿真系統(tǒng)各有側重，普遍存在對諧波分析模型的支持度有限，諧波源類型和諧波分析模型類型不完善的不足. 此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術的發(fā)展，電力大數(shù)據(jù)的規(guī)模迅速增加. 若能將電力大數(shù)據(jù)與諧波仿真系統(tǒng)相結合，基于實測數(shù)據(jù)的諧波仿真能夠實現(xiàn)未監(jiān)測測點諧波數(shù)據(jù)的預估、諧波源特性的分析，以及附加新諧波源后的電網(wǎng)分析和規(guī)劃等.

針對上述情況，本文設計并實現(xiàn)了一種基于電力大數(shù)據(jù)的諧波仿真系統(tǒng).

2 相關工作

電力仿真系統(tǒng)的出現(xiàn)最早可追溯到1950年，而后隨著計算機技術的快速更迭，電力仿真系統(tǒng)得以不斷發(fā)展[1]. 目前，廣泛應用的各類電力仿真系統(tǒng)各有側重.電力電氣分析與電能管理分析系統(tǒng)(ETAP)、電力系統(tǒng)仿真分析系統(tǒng)(EMTDC)和電力系統(tǒng)分析系統(tǒng)包(BPA)分別側重輸配電、交直流電、潮流和穩(wěn)態(tài)計算等分析功能[2-4]. 在國內(nèi)，由中國電力科學研究院研發(fā)的綜合電力系統(tǒng)分析程序(PSASP)在行業(yè)內(nèi)得到普遍認可. 盡管PSASP能夠支持大部分電力計算模型，但在諧波源類型和諧波分析模型方面的支持有限[5]. 在諧波仿真分析方面，openDSS是美國電科院提供的一個開源的配電網(wǎng)潮流軟件[6]. 它不僅支持配電網(wǎng)的潮流計算，還具有基本的諧波計算功能，并具有可擴展性，提供如C++、Vb、Python、Matlab等接口. 由上述文獻可知，目前尚無獨立的針對諧波分析的電力仿真系統(tǒng).

可視化建模是電力仿真系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié). 早期的電力仿真系統(tǒng)采用位圖圖像和Java Applet的方式實現(xiàn)可視化建模. 鑒于位圖圖像的屬性相對固定且不可交互，Java Applet在可操作性、可重用性和效率方面存在不足，基于位圖圖像和Java Applet的可視化建模已不再適應大電網(wǎng)仿真在交互性，易操作性等方面的需求. 目前，國內(nèi)主流的電力仿真系統(tǒng)PSASP基于ActiveX實現(xiàn)電網(wǎng)圖的可視化繪制和編輯，但ActiveX技術具有IE依賴性，配置復雜，以及更新不靈活的不足. 可縮放矢量圖形(SVG)是一種基于XML的圖像文件格式[7].鑒于SVG在可視化呈現(xiàn)和所支持瀏覽器的多樣性方面的優(yōu)勢，可采用基于SVG+JS的方式來實現(xiàn)諧波仿真系統(tǒng)的可視化建模[8]，但基于SVG的可視化建模方式具有編輯不靈活、代碼實現(xiàn)復雜、不易于維護的問題. 因此，需要一種能夠靈活實現(xiàn)圖形編輯的技術支持電力仿真系統(tǒng)的可視化建模. GEF是一個圖形編輯框架，可以圖形化的方式展示和編輯模型，具有輕巧、功能豐富的特點[9]. Vasile G. Teodorovici在文獻[10]中指出GEF相比其他框架減少了模型和視圖之間的依賴，不受開發(fā)框架的局限. JavaFX是基于Java平臺的豐富互聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)平臺[11]. JavaFX技術的發(fā)展已較為成熟，在可視化系統(tǒng)的開發(fā)中得到廣泛應用[12，13]. 總之，在各種圖形化技術中，GEF能夠提供強大的圖形編輯功能，JavaFX在界面呈現(xiàn)方面具有優(yōu)勢.

數(shù)據(jù)是軟件系統(tǒng)的核心要素. 近年來，已有電力專家學者提出將大數(shù)據(jù)引入各類電力應用系統(tǒng)，但實際應用還較少. 文獻[14]分析了工程仿真數(shù)據(jù)的特點，指出大數(shù)據(jù)技術已成為現(xiàn)代仿真建模領域重要支撐技術之一. 文獻[15]通過梳理大數(shù)據(jù)在智能電網(wǎng)領域的研究現(xiàn)狀，指出將大數(shù)據(jù)與電力系統(tǒng)相結合能夠有效提高電網(wǎng)的運行管理水平，以及對社會和用戶的服務水平.文獻[16]分析仿真計算數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)的相關性，提出將大數(shù)據(jù)技術引入電力系統(tǒng)仿真的基本框架，還闡述了大數(shù)據(jù)技術可能帶來的邊際效應、決策困境等問題，是大數(shù)據(jù)技術與電力仿真的結合積極探索. 由此可知，電力大數(shù)據(jù)對電力行業(yè)的應用系統(tǒng)具有重要和特殊的意義. 在諧波仿真領域，電力專家將電力大數(shù)據(jù)引入諧波仿真系統(tǒng)的實際意義歸納為：能夠實現(xiàn)對未檢測測點的數(shù)據(jù)估計; 能夠支持諧波源特性分析; 能夠發(fā)現(xiàn)新的諧波源; 能夠輔助電網(wǎng)規(guī)劃設計. 因此，有必要將電力大數(shù)據(jù)與諧波仿真計算相結合.

綜上所述，本文設計和實現(xiàn)了一種基于電力大數(shù)據(jù)的諧波仿真系統(tǒng)，并探討了可視化建模、仿真計算、以及電力大數(shù)據(jù)與諧波仿真系統(tǒng)結合的問題.

3 系統(tǒng)的總體架構

考慮到系統(tǒng)的易操作性和可擴展性，本文設計的諧波仿真系統(tǒng)的總體架構分為3個層次，分別是數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)轉換層和應用層，見圖1.

圖1 諧波仿真系統(tǒng)總體架構

如圖1所示，數(shù)據(jù)層由電力大數(shù)據(jù)平臺和本地存儲系統(tǒng)構成. 研究采用的電力大數(shù)據(jù)平臺是國家電網(wǎng)提供的諧波監(jiān)測平臺. 為了利用平臺中采用HBase存儲的各省網(wǎng)諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)抽取、格式轉換和結構化存儲將諧波仿真需要的數(shù)據(jù)存入本地存儲系統(tǒng)的元件數(shù)據(jù)庫. 本地文件存儲系統(tǒng)則由四個部分構成. 文件系統(tǒng)負責存儲線路圖模型文件，計算腳本等諧波仿真計算的過程文件. 元件數(shù)據(jù)庫存儲提取的電力大數(shù)據(jù). 基礎數(shù)據(jù)庫存儲元件的元數(shù)據(jù). 結果數(shù)據(jù)庫存儲供可視化呈現(xiàn)的結果數(shù)據(jù).

應用層由可視化建模模塊、諧波計算模塊和結果呈現(xiàn)模塊構成. 可視化建模模塊提供圖元和線路圖的繪制和編輯. 諧波計算模塊是系統(tǒng)的核心，負責執(zhí)行諧波仿真計算任務. 基于openDSS引擎，該模塊包含多種傳統(tǒng)和新型的諧波計算模型. 結果呈現(xiàn)模塊則負責整理諧波計算結果，并采用電網(wǎng)圖疊加數(shù)據(jù)和統(tǒng)計圖表的方式呈現(xiàn).

針對系統(tǒng)各模塊的輸入輸出數(shù)據(jù)格式之間存在差異，數(shù)據(jù)轉換層負責數(shù)據(jù)格式的轉換，包括可視化圖形到線路圖模型文件的轉換，線路圖模型文件到計算腳本的轉換，計算結果到可視化呈現(xiàn)文件的轉換等.

可視化建模、諧波仿真計算，以及電力大數(shù)據(jù)與諧波仿真系統(tǒng)的結合是本文的研究重點，接下來將從上述3個方面進行闡述.

4 可視化建模

可視化建模指用圖形交互的方式構建線路圖，而圖元是構建線路圖的基本元素.考慮到元件類型、元件的電力屬性、元件之間的拓撲關系都是完成諧波計算的必要信息. 為提供獲取上述信息的渠道，可視化建模由圖元的繪制、圖元的操作和圖元參數(shù)編輯部分構成.

4.1 圖元的繪制

電力系統(tǒng)的線路圖是由各類元件連接構成. 為了清晰的呈現(xiàn)各類元件，引入元件圖元展示電力元件樣式. 系統(tǒng)以ANSI/IEC圖元標準為基礎，為11種電力元件建立圖元，如表1所示.

系統(tǒng)采用JavaFX技術實現(xiàn)元件圖元的繪制.JavaFX支持多種基本圖形的繪制，構成系統(tǒng)圖元的基本圖形如表2所示.

基于JavaFX提供的基本圖形，可以通過組合構成元件圖元. 以三繞組變壓器為例，其圖元由橢圓構成，代碼片段如圖2所示.

4.2 圖元的操作

系統(tǒng)用11個JavaFX類實現(xiàn)11種元件圖元. 為了構建結構正確且布局合理的線路圖，還需要根據(jù)仿真需求連接并編輯圖元. GEF提供豐富的圖形編輯功能，其圖元操作流程如圖3所示.

如圖3所示，GEF類似MVC架構，由控制器(controller)、模型(model)、視圖(view)構成. 首先，用戶通過控制器提供的方法對圖元發(fā)出編輯指令，如拖拽和旋轉. 其次，線路圖模型文件是包含圖元位置信息和拓撲信息的模型，編輯指令作用于線路圖模型文件，并更新線路圖模型文件. 最后，視圖采用JavaFX繪制都更新的線路圖模型，完成圖元編輯，并返回用戶.

表1 元件圖元

表2 JavaFX基本圖形

圖2 三繞組變壓器的圖元代碼

圖3 GEF的工作流程

4.3 圖元參數(shù)的編輯

圖元是元件的可視化呈現(xiàn)，線路圖中的圖元能提供元件的拓撲信息，卻無法提供計算信息. 因此，系統(tǒng)通過編輯圖元參數(shù)支持計算屬性的配置. 按照屬性是否與諧波相關，計算屬性被分為基本計算屬性和諧波計算屬性. 在諧波仿真系統(tǒng)中，不同元件具有不同的計算屬性，表3所示為負荷的部分計算屬性，包含4個基本計算屬性和1個諧波計算屬性.

表3 負荷的屬性

配置的計算屬性和由線路圖獲取的拓撲信息均保存至線路圖模型文件. 線路圖模型文件是一種自定義的基于XML的圖形描述文件，包含11種元件標簽，并針對元件基本信息、計算屬性和拓撲信息設計了相應的子標簽，第7節(jié)給出了線路圖描述文件的示例.

5 諧波仿真計算

5.1 仿真計算

系統(tǒng)基于openDSS引擎擴展諧波計算模型，支持時序諧波潮流計算、隨機諧波潮流計算等新型模型.圖4所示為仿真計算的流程，由生成計算文件和調用openDSS引擎執(zhí)行仿真計算任務兩個階段構成.

在第一階段，為了支持新型諧波計算模型，計算文件由Java程序和計算腳本兩部分構成. 其中，Java程序主要用于控制腳本執(zhí)行流程和編輯計算參數(shù). 以隨機諧潮流計算為例，Java程序根據(jù)隨機次數(shù)限定腳本的執(zhí)行次數(shù)，并為各次執(zhí)行提供計算參數(shù). 按照openDSS引擎的要求，計算腳本含3類信息，分別是元件信息，諧波計算模型信息，以及全局屬性. 表4所示為3類信息的計算腳本語法和示例.

為了獲取計算腳本所需信息，第一階段的輸入有四類，分別是線路圖模型文件、諧波計算模型庫、元件數(shù)據(jù)庫和基礎數(shù)據(jù)庫. 線路圖模型文件圖提供元件的拓撲信息，如母線1的J側連接線路1的I側. 諧波計算模型庫提供諧波計算模型的類型及參數(shù); 元件數(shù)據(jù)庫提供由大數(shù)據(jù)平臺抽取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如電源的實測電壓和負荷的實測功率; 基礎數(shù)據(jù)庫提供元件的基本計算屬性.

在第二階段，由于openDSS引擎僅提供com接口，系統(tǒng)采用J-Integra封裝COM組件，形成Java API，再執(zhí)行諧波計算任務. 第二階段的輸出為諧波分析的結果，完整結果以CSV格式保存于文件系統(tǒng)，主要指標的結果保存于結果數(shù)據(jù)庫.

圖4 諧波計算的工作流程

表4 計算腳本的語法和示例

5.2 結果呈現(xiàn)

通常，用戶完成諧波仿真計算后，先要觀測主要的指標值以確定仿真結果的有效性，再對詳細結果進行分析. 針對上述需求，系統(tǒng)采用線路圖疊加主要指標值和統(tǒng)計圖表的方式呈現(xiàn)結果.

第一種方式指在線路圖上直觀的呈現(xiàn)主要指標的數(shù)據(jù)值，能夠提升用戶判定結果有效性的效率. 具體的，在可視化建模的過程中，預先為每個圖元設置一組結果標簽，包括電壓、電流和功率值. 當計算結束后，將相應的計算結果賦值給圖元的相應標簽，即可在線路圖中呈現(xiàn)主要指標的計算結果.

為了直觀的呈現(xiàn)指標的變化趨勢，系統(tǒng)基于JavaFX Chart繪制統(tǒng)計圖，如用柱狀圖對比基波潮流計算結果中的三相電壓幅值，用折線圖呈現(xiàn)阻抗掃描結果中的阻抗幅值. 此外，還基于JavaFX TableView將結果詳情以表格形式呈現(xiàn).

6 電力大數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的結合

智能電網(wǎng)的發(fā)展使電力大數(shù)據(jù)的種類和規(guī)模逐年增長，這些長期積累的數(shù)據(jù)不僅在電力運行監(jiān)管方面發(fā)揮著作用，也開始應用于電網(wǎng)業(yè)務. 諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)是用于評估電能質量的電力大數(shù)據(jù). 鑒于將電力大數(shù)據(jù)引入諧波仿真計算，具有實現(xiàn)對未檢測測點的數(shù)據(jù)估計; 形成諧波源特性; 發(fā)現(xiàn)新諧波源; 輔助電網(wǎng)規(guī)劃設計等用途，本文嘗試將諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)與諧波仿真系統(tǒng)相結合. 以國家電網(wǎng)的諧波監(jiān)測大數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，根據(jù)諧波仿真需求，對部分指標指定時間段的數(shù)據(jù)進行抽取，格式轉換，并存儲于諧波仿真系統(tǒng)的元件數(shù)據(jù)庫.

諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲于HBase數(shù)據(jù)庫，行健由時間戳和元件ID構成，列限定符為指標標記符，如相數(shù)(phases)、頻率(frequency)等，共計34種. 針對諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)的大規(guī)模特性，系統(tǒng)采用MapReduce計算模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取. 經(jīng)實驗驗證，基于5臺16核32 GB內(nèi)存500 GB硬盤的Hadoop-2.6.0-CDH5.11.0的Xen6.5虛擬機集群，從累積2個月總計15 TB的數(shù)據(jù)集中提取單一指標某天的數(shù)據(jù)，平均時間約1500 s.

為了使抽取的數(shù)據(jù)便于使用和共享，系統(tǒng)采用關系型數(shù)據(jù)庫MySQL存儲抽取結果. 為每一類元件建立相應的數(shù)據(jù)表，仍以元件ID和時間戳作為主鍵. 需要注意的是，在HBase數(shù)據(jù)向MySQL數(shù)據(jù)庫存儲的過程中，由于HBase表的數(shù)據(jù)類型為字節(jié)型，需要對數(shù)據(jù)進行格式轉換，由字節(jié)型轉為String、Int或Float類型.

7 案例分析

本節(jié)以IEEE標準4節(jié)點模型作為案例驗證系統(tǒng)的可行性. IEEE標準4節(jié)點模型包含4條母線、1個電壓源、1個二繞組變壓器、2條輸電線和1個負荷.圖5所示為系統(tǒng)界面，中間畫布為可視化建模系統(tǒng)的繪圖區(qū); 右側面板為元件的圖元選擇區(qū); 左側上部為工程菜單，每個列表項代表包含一個線路模型及其相關的諧波仿真計算任務; 左側下部導航欄，可按類型檢索并定位線路圖中的元件. 依據(jù)IEEE標準4節(jié)點模型繪制線路圖，繪制結束后獲得線路圖模型文件，包含9個元件標簽，屬性相關的內(nèi)容近50行.

圖5 系統(tǒng)界面

諧波計算相關的元件參數(shù)分為拓撲信息和計算屬性. 拓撲信息由線路圖中元件的連接關系獲取. 基本計算屬性在圖元的屬性對話框中設置，圖6所示為負荷的屬性對話框，包含額定電壓、額定有功功率、額定無功功率等計算屬性，為驗證本系統(tǒng)的準確性，輸入與IEEE標準4節(jié)點模型相同的計算屬性數(shù)據(jù)進行計算.以負荷元件為例，其所有屬性值均與IEEE標準4節(jié)點模型一致，如圖6所示.

圖7所示為由HBase抽取的電壓幅值計算獲得的頻譜數(shù)據(jù). 當屬性設置完畢后，線路圖中所有元件的拓撲信息和計算屬性將同時保存于線路圖模型文件.圖8所示為4節(jié)點線路圖模型文件的部分內(nèi)容，涉及母線(bus)、二繞組變壓器(transformer2)、電壓源(generator). 完整的線路圖模型文件包含9個元件標簽，其相應的基本信息、計算屬性和拓撲信息作為子標簽存儲.

圖6 負荷的屬性對話框

圖7 HBase提取的頻譜數(shù)據(jù)

基于線路圖模型文件，結合用戶輸入的諧波計算模型及參數(shù)，將生成計算文件，并調用openDSS引擎執(zhí)行諧波分析任務. 圖9所示為IEEE4節(jié)點計算文件的腳本部分，涉及二繞組變壓器(t1)和輸電線(line1)等.如圖9所示，bus2=n2記錄拓撲信息，代表輸電線line1的J側連接母線(n2); length=2000記錄計算信息，代表line1的長度為2000英尺.

諧波仿真系統(tǒng)的計算結果將以本地文件系統(tǒng)的形式保存，并采用統(tǒng)計圖表和線路圖疊加數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn). 圖10所示為疊加母線電壓和元件電流的線路圖結果，用戶可以通過觀察上述數(shù)據(jù)直接判斷結果的有效性.

圖8 線路圖模型文件片段

圖9 計算腳本片段

為驗證系統(tǒng)執(zhí)行諧波仿真計算的準確性，采用與IEEE標準4節(jié)點模型相同的線路圖和相同的輸入數(shù)據(jù)進行驗證. 執(zhí)行諧波仿真計算時，系統(tǒng)通過提取線路圖模型文件中的元件類型、拓撲和計算信息，構造計算腳本，并調用openDSS引擎執(zhí)行仿真任務. 將諧波潮流計算結果與IEEE提供的諧波潮流計算結果進行對比，如圖11所示. 其中，奇數(shù)行為本系統(tǒng)的仿真結果，偶數(shù)行為IEEE的仿真結果. 由圖11可知，兩種計算結果基本吻合. 盡管部分數(shù)據(jù)存在偏差，但偏差很小，最大誤差約為1%.

圖10 疊加計算結果的線路圖

圖11 諧波計算結果對比

經(jīng)上述驗證，基于電力大數(shù)據(jù)的諧波仿真系統(tǒng)能夠支持多種類型的諧波仿真計算，并具有較好的準確性. 此外，如表5所示，將本系統(tǒng)與其他類似電力仿真系統(tǒng)對比發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在融合電力大數(shù)據(jù)、支持可視化建模，仿真計算模型的豐富性和結果呈現(xiàn)方式的多樣性方面均具有一定優(yōu)勢.

表5 各電力系統(tǒng)對比

8 結論與展望

本文從可視化建模、仿真計算、以及電力大數(shù)據(jù)與諧波仿真系統(tǒng)的結合三方面對諧波仿真系統(tǒng)展開研究. 在可視化建模方面，運用GEF圖形編輯框架和JavaFX技術實現(xiàn)了線路圖的可視化建模，以及多種形式的圖形化結果呈現(xiàn)，直觀且操作簡單. 在諧波仿真計算方面，基于openDSS引擎的諧波計算模塊，將java程序與計算腳本相結合，不僅支持傳統(tǒng)的諧波仿真計算模型，還實現(xiàn)多種新型仿真計算模型，并具有可擴展性. 在電力大數(shù)據(jù)與諧波仿真系統(tǒng)的結合方面，系統(tǒng)以電力大數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，將實測數(shù)據(jù)運用于仿真計算，能夠提高仿真計算的準確性，使系統(tǒng)具有預估未監(jiān)測測點諧波數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)新諧波源、輔助電網(wǎng)規(guī)劃等潛在能力. 為了驗證系統(tǒng)的可行性，本文以IEEE標準4節(jié)點模型為案例進行驗證. 案例分析表明系統(tǒng)能夠支持多種類型的諧波仿真計算，準確性良好，并在仿真計算模型豐富性、結果呈現(xiàn)方式的多樣性、直觀性、靈活性等方面具有優(yōu)勢. 本文下一步的研究重點是增加新型的諧波源和諧波仿真計算模型.