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摘要:可视化电力系统是目前数字化电网的研究方向之一,是未来电力系统的潮流管理、网络控制、电力市场等的发展方向。可视化技术使得程序的应用变得简单、直观,是今后电力系统分析、仿真程序的发展趋势。在电气工程教学和培训中采用Power World Simulator软件,以某地区电网的简化模型为例搭建可视化电网模型,实现了地区电网潮流的可视化运件,运行结果与BPA潮流程序的计算结果基本吻合,达到了教学目的,收到了较好的教学效果。
关键词:可视化技术;Power World Simulator;电气工程教学
作者简介:李昂(1971-),男,陕西汉中人,陕西理工学院电气工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:电力系统及其自动化的教学与科研。(陕西 汉中 723003)
电力系统是一个大规模、时变的复杂系统,电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划和设计的重要手段。电力系统仿真分析软件是用数学模型和数值方法对系统的运行特性进行研究,可用来确定规划设计方案、拟定运行方式,整定自动装置的控制参数、进行事故分析和辅助运行人员作出正确的决策。此外还可用于教学和培训。目前,国际上有多种电力系统分析软件包,在我国应用较为普遍的是由电力科学研究院开发的电力系统综合分析程序(PSASP)和引进后改进的BPA程序(邦维尔电力局开发),由于目前电力系统仿真研究工作主要集中在潮流分析、电磁暂态分析、机电暂态分析及新装置、新电气现象的原理特性分析等,长过程分析和实时分析进行得相对较少,因此这类软件应用亦不太普遍,而且这类软件的专业陸很强,对使用者的专业知识要求较高。因此笔者在电气工程课程的教学中尝试引入交互性更强、更易于初学者理解和掌握的可视化分析程序Power World Simulator,收到了较好的教学效果。
一 电力系统可视化技术
可视化技术是20世纪90年代初期随着计算机技术的发展而出现的一门新兴技术,它融合了计算机技术中的图形学、图像处理、数据管理、网络技术和人机界面等诸多分支。利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换成图形或图像在屏幕上显示,反映客观世界的本质和内在联系,从而有利于人们正确理解数据或过程的含义。近20年来,可视化技术在很多领域如研究流体力学、气象预测与分析、高分子生物合成、医学图像虚拟再现得到了广泛的应用并获得了巨大成功。
随着电力系统市场化席卷全球,智能电网建设的积极推进,数据成倍增加,可视化的要求也愈加迫切。科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing,ViSC)技术是对计算结果进行形象化描述的重要辅助手段。国际上已有不少学者开展了将计算机图形引入电力系统的规划、运行、调度、培训等而大受欢迎,可视化技术使得程序的应用变得简单、直观,其面向对象的技术使程序代码易于开发、管理、扩充和移植。可视化是电力系统计算分析软件的发展趋势,是今后电力系统的潮流管理、网络控制、电力市场等的发展方向。
在系统的快速仿真及智能可视化调度与预警方面,研究工作较为突出且广泛应用于实践的首推美国伊利诺斯(Illinois)大学学者Thomas Jeffrey Overbye教授和Mark James Laufenberg博士,其掌管的Power Worm公司开展了电力系统可视化的系列研究工作,在电压等位线(contouring)显示技术的基础上,对节点数据(如节点电压、电价、灵敏度、参与因子、振荡模态等)、线路数据(如线路传输容量、线路负载率、线路功率分布因子等)、稳定域(如电压稳定域、功角稳定域等)的算法和显示进行了可视化研究。其应用主要分两个方面,一是侧重于大型复杂电网规划、运行和调度控制的工程应用,二是针对电网的技术培训、演示和教学。
电力系统可视化技术不是为了可视化而可视化,电力系统可视化的基本意义在于:一幅生动逼真的画面可以表达很多数字才能表述的信息。可视化软件的应用是为了将大量数字表述的信息用图形方式表达出来,而且更为重要的是:数字间的潜在联系也可能通过图形信息更清楚的体现,对计算所得到的海量数据进行数据挖掘和综合。发现其内部的本质联系以得到可准确反映系统状态的简洁指标,井以正确的方式予以可视化显示才是可视化技术在电力系统中应用的真正内涵。Power World simulator大型电力系统可视化程序及其各种附加专业软件包以其庞大、灵活的功能和互动、细腻的三维可视化技术贏得了科研机构、电网规划以及调度和运行人员的格外亲睐。
二、Power World Simulator仿真软件简介
Power World simulator是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序,其设计特点是用户界面友好以及优异的交互陸能,使它在胜任严谨的电网运行分析的同时,还可以用来向非专业人员阐明电力系统的运行原理和进行专业培训。Power World仿真器的核心是一个强大的潮流计算综合软件,可有效地求解多达60000个节点的系统,允许用户通过可缩放的彩色动画单线图模拟电力系统,图形化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化,以及因此产生的系统运行状况的变化。
1 可视化潮流
仿真器可以对有功功率和有功功率传输分配因子进行可视化仿真,井对无功功率潮流进行可视化仿真。在系统图中发电机、负荷的PQ值等参数都可以自定义或在线动态调节。通过不同颜色的箭头表示线路有功潮流和无功功潮流,以饼型图表示线路负载情况,从而将整个系统运行情况都可视化的呈现出来。
2 故障分析
仿真器可以进行单相、三相、相间和两相接地故障后每相电压和电流的计算,包括母线电压节点故障分析和各母线间线路上接地故障分析。
3 区域电压可视化
仿真器通过电压等高线的方式对各节点进行颜色分区,不同区域因电压高低各异而色彩深浅不同,并且随着潮流分布的改变,各节点彩色区域可以实现动态变化(扩展或深浅变化)。
4 电压稳定性分析
软件中的电压充分性和稳定性分析工具以内置的牛顿一拉夫逊法潮流计算为基础,允许用户在某特定传输容量下求解多重潮流解,从而得到给定节点的PV或QV曲线,电压充分性和稳定性分析的目的是在用户定义的传输容量自动增加时允许用户监视系统的任一参数。电压充分性和稳定性仿真结束后,用户可用图形显示所监视的参数。每个计算周期在几秒至几分钟内(由网络规模大小决定)即可完成,因此在线电压稳定性监视功能得以实现。
5 其他的功能简介
该仿真软件具有对潮流计算收敛性、移相器建模、交流线和直流线混合建模、无功补偿装置(并补和串补)建模、PQ、 PV、平衡节点的自动定义等功能。此外,该软件采用最新的交互式二维和三维动画技术,可以动态、可视化地分析各种系统特性参数,能够瞬时了解电网的快速变化情况,在可视分析大电网动态稳定性方面比其他电力系统分析软件有更大优势。
需要说明的是,目前此软件只能进行电力系统稳态分析,暂态分析功能不足,不能监视电压、电流的暂态波形。
三、Power World Simulator仿真软件在教学中的应用
电力系统课程有明显的工程性特点,内容涉及到很多工程实际中的概念和知识,利用Power World仿真器直观的可视界面及良好的交互性可以大大增强初学者对于电力系统运行的感性认识,加深对所学知识的理解。
1 Power World Simulator软件的建模与仿真
在该软件中用户可以运用可视化分析程序个性鲜明的样程(CASE)编辑器对模型任意进行修改直至满意。输电线路的投切、负荷调整、发电机的投退及其各种功能切换以及联络线的建立等等,这一切只需点击鼠标就可完成,此外,图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在的问题和限制条件的理解,粗知道如何采取补救措施。
Power World Simulator可视化分析程序有两种模式:编辑模式(EDIT MODE)和运行模式(RUN MODE)。编辑模式用来创建新模型或修改已存在的样程:而运行模式则用来模拟演示实际系统。通过点击程序栏的EDIT MODE或RUN MODE按钮,可在两者之间任意切换。
图1给出了一个简单电力系统潮流单线图的示例,单线图中采用了可视化技术来增强对电网运行状况直观且便于理解的表达。这些技术包括利用不同的颜色、动画、饼图以及数字信息来表示设备、系统潮流以及负荷等电网的运行状态。同时,单线图也清楚地表明了系统内各个设备之间的联结关系,以及它们之间在运行期间的相互影响等。输电线路上的箭头表示本条线路潮流的方向,绿色箭头表示潮流运行在正常范围内,箭头大小与该线路潮流数值大小成正比例关系;圆形饼图表示该输电线路负荷的大小,饼图内的阴影部分表示线路负荷数值占额定值的百分比,蓝色为在正常范围内,橘黄色表示额定值的85%,红色表示超过该线路的传输极限。这种可视化方法与传统的数据列表以及静态图形显示方法有着很大的不同,它表达的信息量更大、更清晰、更直观,运行人员更容易接受。
任何一条输电线路都有其传输极限,当输电线路潮流超出其传输极限长时间运行时,会造成输电线路过热而引发事故,因此监视输电线路的运行状况非常重要。图1中由于母线2的负荷不断增大,系统内的发电机输出进行调节,致使母线1与母线2间的输电线路超过其传输极限150MW,表示线路潮流大小的饼图立即放大,用红色显示,并以数字信息显示潮流超出的百分值。
2 Power World Simulator软件设计实例
某地区电网以220kV电压为主网架,网内有330kV枢纽变电站(GEN2)1座,变电容量为2x240 MVA,220kV变电站2座(STATIONA、STATIONB),主变4台,变电容量为(2 x120+90+120)~0MVA。网内大的电厂(站)有火电厂GENI装机容量(25+3x50)175MW,水电厂GEN2装机容量(5x45)225MW。选取该电网某正常运行方式,线路参数及变压器参数略去。在编辑模式下搭建系统模型,如图2所示,并在元件模型的参数对话框中按照归算的数据进行设置。
GEN2(枢纽变电站)为系统的平衡节点,电压基准为230.0kV。软件中有关平衡节点的设置在对话框中有一项为System Slack Bus(系统松弛节点),GEN2为平衡节点所以此项应该选中。按照该节点在电网中所承担的任务,在电网模型的搭建中其电气模型设置为等值电源。
在运行模式下实现了地区电网的可视化运行,如图3所示。其中收敛条件为0.1000MVA,迭代算法为Full NewtonPower Flow。从图中可以很清晰看到系统的功率分布(绿色箭头代表有功功率,蓝色箭头代表无功功率)、节点电压、发电机及负荷功率、线路负载率及损耗等信息。更详细的潮流运算结果可调出系统潮流列表、区域报表、节点信息等查看。
经与BPA潮流计算结果对比,最大误差仅为1.2%,但Power World Simulator仿真建模过程交互性强,潮流计算可视化程度高,运行方式灵活,同时在故障分析、电压等位线(contouring)显示技术等方面更加方便直观、在此不做累述。
四 结束语
采用Power World Simulator软件对电力系统进行仿真分析,可直观地看到系统的运行情况,并能观察出每个元件状态对整个系统的影响,是高等院校讲授电力系统运行和控制课程和电力企业有关人员培训的有力工具。
责任编辑 苏宇嵬
关键词:可视化技术;Power World Simulator;电气工程教学
作者简介:李昂(1971-),男,陕西汉中人,陕西理工学院电气工程系,副教授,工学硕士,主要研究方向:电力系统及其自动化的教学与科研。(陕西 汉中 723003)
电力系统是一个大规模、时变的复杂系统,电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划和设计的重要手段。电力系统仿真分析软件是用数学模型和数值方法对系统的运行特性进行研究,可用来确定规划设计方案、拟定运行方式,整定自动装置的控制参数、进行事故分析和辅助运行人员作出正确的决策。此外还可用于教学和培训。目前,国际上有多种电力系统分析软件包,在我国应用较为普遍的是由电力科学研究院开发的电力系统综合分析程序(PSASP)和引进后改进的BPA程序(邦维尔电力局开发),由于目前电力系统仿真研究工作主要集中在潮流分析、电磁暂态分析、机电暂态分析及新装置、新电气现象的原理特性分析等,长过程分析和实时分析进行得相对较少,因此这类软件应用亦不太普遍,而且这类软件的专业陸很强,对使用者的专业知识要求较高。因此笔者在电气工程课程的教学中尝试引入交互性更强、更易于初学者理解和掌握的可视化分析程序Power World Simulator,收到了较好的教学效果。
一 电力系统可视化技术
可视化技术是20世纪90年代初期随着计算机技术的发展而出现的一门新兴技术,它融合了计算机技术中的图形学、图像处理、数据管理、网络技术和人机界面等诸多分支。利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换成图形或图像在屏幕上显示,反映客观世界的本质和内在联系,从而有利于人们正确理解数据或过程的含义。近20年来,可视化技术在很多领域如研究流体力学、气象预测与分析、高分子生物合成、医学图像虚拟再现得到了广泛的应用并获得了巨大成功。
随着电力系统市场化席卷全球,智能电网建设的积极推进,数据成倍增加,可视化的要求也愈加迫切。科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing,ViSC)技术是对计算结果进行形象化描述的重要辅助手段。国际上已有不少学者开展了将计算机图形引入电力系统的规划、运行、调度、培训等而大受欢迎,可视化技术使得程序的应用变得简单、直观,其面向对象的技术使程序代码易于开发、管理、扩充和移植。可视化是电力系统计算分析软件的发展趋势,是今后电力系统的潮流管理、网络控制、电力市场等的发展方向。
在系统的快速仿真及智能可视化调度与预警方面,研究工作较为突出且广泛应用于实践的首推美国伊利诺斯(Illinois)大学学者Thomas Jeffrey Overbye教授和Mark James Laufenberg博士,其掌管的Power Worm公司开展了电力系统可视化的系列研究工作,在电压等位线(contouring)显示技术的基础上,对节点数据(如节点电压、电价、灵敏度、参与因子、振荡模态等)、线路数据(如线路传输容量、线路负载率、线路功率分布因子等)、稳定域(如电压稳定域、功角稳定域等)的算法和显示进行了可视化研究。其应用主要分两个方面,一是侧重于大型复杂电网规划、运行和调度控制的工程应用,二是针对电网的技术培训、演示和教学。
电力系统可视化技术不是为了可视化而可视化,电力系统可视化的基本意义在于:一幅生动逼真的画面可以表达很多数字才能表述的信息。可视化软件的应用是为了将大量数字表述的信息用图形方式表达出来,而且更为重要的是:数字间的潜在联系也可能通过图形信息更清楚的体现,对计算所得到的海量数据进行数据挖掘和综合。发现其内部的本质联系以得到可准确反映系统状态的简洁指标,井以正确的方式予以可视化显示才是可视化技术在电力系统中应用的真正内涵。Power World simulator大型电力系统可视化程序及其各种附加专业软件包以其庞大、灵活的功能和互动、细腻的三维可视化技术贏得了科研机构、电网规划以及调度和运行人员的格外亲睐。
二、Power World Simulator仿真软件简介
Power World simulator是一个面向对象的电力系统大型可视化分析和计算程序,其设计特点是用户界面友好以及优异的交互陸能,使它在胜任严谨的电网运行分析的同时,还可以用来向非专业人员阐明电力系统的运行原理和进行专业培训。Power World仿真器的核心是一个强大的潮流计算综合软件,可有效地求解多达60000个节点的系统,允许用户通过可缩放的彩色动画单线图模拟电力系统,图形化地显示负荷、发电量和联络线功率随时间的变化,以及因此产生的系统运行状况的变化。
1 可视化潮流
仿真器可以对有功功率和有功功率传输分配因子进行可视化仿真,井对无功功率潮流进行可视化仿真。在系统图中发电机、负荷的PQ值等参数都可以自定义或在线动态调节。通过不同颜色的箭头表示线路有功潮流和无功功潮流,以饼型图表示线路负载情况,从而将整个系统运行情况都可视化的呈现出来。
2 故障分析
仿真器可以进行单相、三相、相间和两相接地故障后每相电压和电流的计算,包括母线电压节点故障分析和各母线间线路上接地故障分析。
3 区域电压可视化
仿真器通过电压等高线的方式对各节点进行颜色分区,不同区域因电压高低各异而色彩深浅不同,并且随着潮流分布的改变,各节点彩色区域可以实现动态变化(扩展或深浅变化)。
4 电压稳定性分析
软件中的电压充分性和稳定性分析工具以内置的牛顿一拉夫逊法潮流计算为基础,允许用户在某特定传输容量下求解多重潮流解,从而得到给定节点的PV或QV曲线,电压充分性和稳定性分析的目的是在用户定义的传输容量自动增加时允许用户监视系统的任一参数。电压充分性和稳定性仿真结束后,用户可用图形显示所监视的参数。每个计算周期在几秒至几分钟内(由网络规模大小决定)即可完成,因此在线电压稳定性监视功能得以实现。
5 其他的功能简介
该仿真软件具有对潮流计算收敛性、移相器建模、交流线和直流线混合建模、无功补偿装置(并补和串补)建模、PQ、 PV、平衡节点的自动定义等功能。此外,该软件采用最新的交互式二维和三维动画技术,可以动态、可视化地分析各种系统特性参数,能够瞬时了解电网的快速变化情况,在可视分析大电网动态稳定性方面比其他电力系统分析软件有更大优势。
需要说明的是,目前此软件只能进行电力系统稳态分析,暂态分析功能不足,不能监视电压、电流的暂态波形。
三、Power World Simulator仿真软件在教学中的应用
电力系统课程有明显的工程性特点,内容涉及到很多工程实际中的概念和知识,利用Power World仿真器直观的可视界面及良好的交互性可以大大增强初学者对于电力系统运行的感性认识,加深对所学知识的理解。
1 Power World Simulator软件的建模与仿真
在该软件中用户可以运用可视化分析程序个性鲜明的样程(CASE)编辑器对模型任意进行修改直至满意。输电线路的投切、负荷调整、发电机的投退及其各种功能切换以及联络线的建立等等,这一切只需点击鼠标就可完成,此外,图形和动画演示的广泛使用增加了用户对系统特性、存在的问题和限制条件的理解,粗知道如何采取补救措施。
Power World Simulator可视化分析程序有两种模式:编辑模式(EDIT MODE)和运行模式(RUN MODE)。编辑模式用来创建新模型或修改已存在的样程:而运行模式则用来模拟演示实际系统。通过点击程序栏的EDIT MODE或RUN MODE按钮,可在两者之间任意切换。
图1给出了一个简单电力系统潮流单线图的示例,单线图中采用了可视化技术来增强对电网运行状况直观且便于理解的表达。这些技术包括利用不同的颜色、动画、饼图以及数字信息来表示设备、系统潮流以及负荷等电网的运行状态。同时,单线图也清楚地表明了系统内各个设备之间的联结关系,以及它们之间在运行期间的相互影响等。输电线路上的箭头表示本条线路潮流的方向,绿色箭头表示潮流运行在正常范围内,箭头大小与该线路潮流数值大小成正比例关系;圆形饼图表示该输电线路负荷的大小,饼图内的阴影部分表示线路负荷数值占额定值的百分比,蓝色为在正常范围内,橘黄色表示额定值的85%,红色表示超过该线路的传输极限。这种可视化方法与传统的数据列表以及静态图形显示方法有着很大的不同,它表达的信息量更大、更清晰、更直观,运行人员更容易接受。
任何一条输电线路都有其传输极限,当输电线路潮流超出其传输极限长时间运行时,会造成输电线路过热而引发事故,因此监视输电线路的运行状况非常重要。图1中由于母线2的负荷不断增大,系统内的发电机输出进行调节,致使母线1与母线2间的输电线路超过其传输极限150MW,表示线路潮流大小的饼图立即放大,用红色显示,并以数字信息显示潮流超出的百分值。
2 Power World Simulator软件设计实例
某地区电网以220kV电压为主网架,网内有330kV枢纽变电站(GEN2)1座,变电容量为2x240 MVA,220kV变电站2座(STATIONA、STATIONB),主变4台,变电容量为(2 x120+90+120)~0MVA。网内大的电厂(站)有火电厂GENI装机容量(25+3x50)175MW,水电厂GEN2装机容量(5x45)225MW。选取该电网某正常运行方式,线路参数及变压器参数略去。在编辑模式下搭建系统模型,如图2所示,并在元件模型的参数对话框中按照归算的数据进行设置。
GEN2(枢纽变电站)为系统的平衡节点,电压基准为230.0kV。软件中有关平衡节点的设置在对话框中有一项为System Slack Bus(系统松弛节点),GEN2为平衡节点所以此项应该选中。按照该节点在电网中所承担的任务,在电网模型的搭建中其电气模型设置为等值电源。
在运行模式下实现了地区电网的可视化运行,如图3所示。其中收敛条件为0.1000MVA,迭代算法为Full NewtonPower Flow。从图中可以很清晰看到系统的功率分布(绿色箭头代表有功功率,蓝色箭头代表无功功率)、节点电压、发电机及负荷功率、线路负载率及损耗等信息。更详细的潮流运算结果可调出系统潮流列表、区域报表、节点信息等查看。
经与BPA潮流计算结果对比,最大误差仅为1.2%,但Power World Simulator仿真建模过程交互性强,潮流计算可视化程度高,运行方式灵活,同时在故障分析、电压等位线(contouring)显示技术等方面更加方便直观、在此不做累述。
四 结束语
采用Power World Simulator软件对电力系统进行仿真分析,可直观地看到系统的运行情况,并能观察出每个元件状态对整个系统的影响,是高等院校讲授电力系统运行和控制课程和电力企业有关人员培训的有力工具。
责任编辑 苏宇嵬