第46卷 第8期 电力系统保护与控制 Vol.46 No.8 2018年4月16日 Power System Protection and Control Apr. 16, 2018 DOI: 10.7667/PSPC170515 配电自动化潮流计算测试平台设计 范闻博1，关石磊1, 符金伟1，尹 惠1, 王 丰2，凌万水2 (1.中国电力科学研究院，北京100192；2. 上海金智晟东电力科技有限公司，上海200233) 摘要：为了全面测试配电自动化高级应用功能，借助电力系统仿真软件DIgSILENT，提出了配电自动化主站潮流计算高级应用功能测试的一种方法，并搭建了测试系统。在IEEE 33/69节点测试系统的基础上，针对配电网潮流计算正确性进行了验证分析。结果表明，利用本测试系统能够对配电自动化潮流算法进行有效测试，为配电自动化主站系统高级应用功能测试提供了有效方法。 关键词：配电自动化主站功能测试；DIgSILENT；配电网潮流计算；OPC接口；测试平台 Test bench design for distribution automation power flow calculation FAN Wenbo1, GUAN Shilei1, FU Jinwei1, YIN Hui1, WANG Feng2, LING Wanshui2 (1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China; 2. Shanghai Wiscom Sunest Power Technology Co., Ltd, Shanghai 200233, China) Abstract: By leveraging the functions of DIgSILENT software, a method to comprehensively test the power flow functions within advanced applications of distribution automation master station is presented. The test bench is established and the results of power flow calculation of distribution network are testified with the IEEE 33/69 buses test system. The results demonstrate this test bench examines the power flow calculation of distribution network effectively and provides an valid method for testing advanced application functions of distribution automation master station. This work is supported by Science and Technology project of State Grid Corporation of China(research and development of key technologies for operation supervision and testing platform of distribution automation system). Key words: testing for distribution automation master station functions; DIgSILENT; power flow calculation; OPC interface; test bench 0 引言 配电自动化利用现代计算机及通信技术将配电网的实时运行、电网结构、设备、用户以及地理图形等信息集成，实现配电网运行监控及管理的自动化、信息化。截至2013年4月底，国家电网公司已在26个省(直辖市)共64个城市开展了配电自动化优化工程建设，其中30个项目已完成工程建设并投入运行，初步建设了涵盖范围广、建设规模大、推进速度快、应用效果好的多地区的试点智能配电网体系[1-3]。开展对配电自动化系统应用功能测试平台的研发是实施配电自动化系统功能指标检测及流程化测试的基础。 基金项目：国家电网公司科技项目资助“配电自动化系统运行监管与试验检测平台关键技术研究与开发” 目前针对配电自动化系统的测试是衡量配电自动化水平的关键[4-7]。配电自动化主站系统(即配电主站)是配电自动化系统的核心部分，主要实现配电网数据采集与监控等基本功能和电网拓扑分析应用等扩展功能，并具有与其他应用信息系统进行信息交互的功能，为配电网调度指挥和生产管理提供技术支撑。国家电网针对配电自动化主站的要求，也制定了《配电自动化主站系统功能规范》作为企业标准，并依据此对各个厂家的主站系统进行测试。文献[8]针对主站SCADA系统的出厂试验与现场实验的要求，探讨了SCADA主站系统的普遍采用的测试方法和测试内容。然而，针对配电自动化主站扩展功能的分析应用和智能化功能的测试，由于缺乏测试标准、检验步骤繁琐，检验过程存在较大的不确定性，还没有一个明确的实施方法，不利于配电自动化主站系统功能的全面考核。针对配电网分- 118 - 电力系统保护与控制 析应用软件的算法正确性，一般基于企业内部进行算法测试和验证，缺乏包含配电主站整个模型、通信、数据流过程的测试。本文针对《配电自动化系统主站功能规范》关于配电网扩展功能中高级应用测试的要求，以潮流计算功能验证为基础，研究了基于电力系统仿真软件DIgSILENT搭建配电自动化系统主站扩展功能测试系统的方法。针对配电网扩展功能中潮流计算的功能要求，搭建了测试案例，利用DIgSILENT的潮流计算结果验证了被测试主站系统潮流计算的正确性，并给出了度量指标，为配电自动化主站系统扩展功能测试，提供了方法和手段。 1 配电自动化主站的测试要求 配电自动化主站系统是配电自动化系统的核心。配电网的分析应用功能是配电自动化主站系统的扩展功能，必须建立在配电SCADA等基本功能的基础上，对实时数据的完整性和准确性有较高的要求。主要包括：拓扑分析、状态估计、潮流计算、解/合环分析、负荷预测、负荷转供和网络重构。 配电网潮流计算作为配电自动化主站高级应用的一部分，是配电网分析的基础。配电网有自身的特点，其潮流计算方法多样[9-10]。配电网的网络重构[11]、优化分析[12]等都涉及成百上千次的潮流计算，必须保证其计算的正确性。针对配电网潮流计算的要求，《配电自动化系统主站功能规范》主要给出了其功能要求。针对主站平台潮流高级应用的测试必须在主站平台上，基于实时量测数据进行，针对整个主站系统的数据流进行。还必须选择具有代表性的测试案例，具有可靠的对照结果进行对比分析，进而考察潮流计算方法的收敛能力和算法稳定性[13-14]。 2 配电自动化主站的测试要求 结合以上配电自动化主站系统测试要求，本文基于DIgSILENT软件，利用其系统建模和模型/数据接口丰富的功能，提出了一种配电自动化主站扩展功能测试系统的方法，并依据此搭建了配电自动化主站测试平台。DIgSILENT提供了OPC (Object Linking and Embedding for Process Control)接口广泛应用在SCADA系统和过程控制。利用DIgSILENT OPC接口，将仿真信号转换为物理信号，利用网络转递给配电主站的数据采集与监视控制(SCADA)系统，为主站的分析控制等高级应用功能提供注入数据。同时主站针对电力系统设备的控制命令也可以通过接口传递给DIgSILENT仿真电网，以实现主站系统针对仿真电网的闭环控制功能测试。 DIgSILENT提供了非常丰富而实用的元件模型和对外接口，方便搭建各种配电网网络模型[15]。DIgSILENT具有非常丰富的电力系统分析功能，包括：AC/DC潮流计算、最优潮流、故障分析、动态仿真、谐波分析、保护分析、配电网应用分析工具等等，为验证配电自动化主站系统分析功能，提供了可靠的对照结果。针对潮流计算，DIgSILENT提供了三种方法可供选择：经典的牛顿—拉夫逊算法、牛顿—拉夫逊电流迭代法和线性方程法(直接将所有模型作线性化处理)。算法的迭代次数和允许误差可以根据计算需要具体指定。测试系统利用DIgSILENT潮流计算结果作为验证主站平台潮流计算的对照结果，并依据此进行结果比较，给出测试评价。 2.1 测试系统量测数据接口设计 根据配电自动化功能规范要求，配电自动化主站平台SCADA系统要求支持DL/T634《远动设备及系统》标准的IEC60870-5-104通信规约。DIgSILENT支持为SCADA系统提供了过程控制标准接口OPC的数据交换方式。将以上两个接口规范打通就可以实现DIgSILENT和配电主站通信，进而利用DIgSILENT所建立的电力网络仿真模型，为主站系统注入量测数据。DIgSILENT提供的OPC接口由OPC服务器和OPC客户端构成，之间通过标准COM和DCOM进行数据的交互。OPC项(Item)代表与OPC服务器到数据源的一个连接，包括值(Value)、品质(Quality)、时间戳(Time Stamp)三个基本属性。每一个OPC项可以映射为IEC60870-5-104规约表述的一个遥信点或者遥测点或者遥控点或者遥调点。 配电自动化主站测试平台根据OPC规则，建立一个自定义OPC Client，其与DIgSILENT之间通过OPC Server进行信息交互。通过协议转换将OPC Client数据转换成IEC60870-5-104协议类型，同配电主站之间进行数据通信。DIgSILENT和OPC Server也可以根据需要定义数据更新速率，这样可以根据现场实际情况调整数据更新速率，使平台的测试效果更贴近实际。 为了方便进行规约转换点表的配置，测试平台采用配置文件的方式将OPC Client与104规约进行转换。例如，将运行数据保存成104规约文件形式，只需将配置文件保存OPC Item与104协议信息体地址的对应关系，配置文件的实现方式如图1。在规约转换通信接口程序设置OPC项同SCADA点的映射关系，利用配置工具导出配置文件(包含点表)。OPC服务端读取此配置文件，实现了OPC Server范闻博，等 配电自动化潮流计算测试平台设计 - 119 - 的自动配置功能。 DIgSILENT利用此配置文件中定义的OPC标签，将OPC Item配置到相应的被仿真设备的物理量上(有功、无功、电力、电压等)。通过启动DIgSILENT的时域仿真模式(Time Domain Simulation)，将电网的仿真数据，发送到OPC Server。规约转换通信接口(OPC Client)读入配置文件的信息体地址数据，放入实时库对应位置，104规约程序将此数据传递给配电主站SCADA系统，实现了配电主站量测数据的注入功能。图1给出了OPC接口数据转换流程。 图1 OPC接口数据转换示意图 Fig. 1 Diagram of OPC interface data transition 2.2 测试系统量测数据接口设计 为了测试潮流的功能，首先利用DIgSILENT软件搭建网络模型，并建立电网仿真数据的OPC接口。配电自动化主站系统同时需要建立同DIgSILENT仿真网络相同的网络模型，以满足测试电网同源性的要求。DIgSILENT支持多种模型导出方式，包括支持基于IEC 61970 CIM的ENTSO-E 2009规范的模型导出格式，此文件可以进行模型转换后，方便生成配电自动化主站系统接受的CIM规范格式，导入后即可建立网络模型。 除了网络模型，配电自动化主站系统还要配置SCADA测点模型以及采集模型。其中量测模型定义了电力设备与SCADA量测的关联关系，采集模型定义了同规约转换接口的通信信息。利用配置工具可以导出包含测点模型、采集模型以及量测模型的量测配置文件。利用测点模型和采集模型，配电主站进行采集通道配置，建立与测试系统的104规约通信模型。结合CIM网络模型和量测模型，配电主站完成SCADA量测同电力设备的映射关系，至此主站侧完成潮流计算所需对外依赖性的所有配置。 2.3 测试系统量测数据接口设计 作为配电主站系统高级应用功能的潮流计算必须基于主站基础SCADA功能进行，以保证其输入同DIgSILENT潮流计算输入数据的一致性。由于针对潮流计算所需SCADA功能主要是针对“二遥”数据，不涉及遥控和遥调的内容，所以只需要针对SCADA“二遥”数据进行验证即可。在DIgSILENT时域仿真模式下，改变系统运行状态(如开关变位和修改负荷有功/无功功率)，观察配电主站是否正确反馈了这些变化，来校验数据接口的正确。 2.4 潮流计算结果比较设计 利用DIgSILENT软件，建立针对配电网潮流计算的多个测试案例，可以分别针对传统辐射状配电网、含分布式能源的配电网以及三相不平衡运行的配电网建立测试案例模型。利用DIgSILENT提供的潮流计算功能，以DGS(DIgSILENT Interface for Geographical Information Systems)格式导出潮流计算结果。这里选择DGS格式，可以支持多种格式和方便定制导出内容[16-17]。 配电主站在进行完潮流计算后，将结果文件传给测试平台获取后，与DIgSILENT导出的潮流计算结果进行比较。在确认两方的输入数据(开关位置、负荷功率、分布式能源功率)一致的基础上，针对潮流计算结果进行分析比较，图2给出了整个测试平台架构图。 图2 测试平台架构示意图 Fig. 2 Architecture of test bench 3 测试过程的设计 在DIgSILENT中预先建立用于配电网潮流计算的仿真测试网络模型，设计其量测输出(给主站注入)。将测试案例模型以CIM格式导出给测试平台。进行潮流计算，将计算结果以DGS格式导出给测试平台，计算结果包括各节点电压和支路潮流。 测试平台利用配置工具配置针对主站注入的测点以及同OPC Item的对应关系，将仿真测试过程中，配电主站需要的网络运行信息(有功、无功、电流、电压、开关量测、控制点等)进行配置，将其导出到OPC服务端。配电主站导入模型(网络模型，- 120 - 电力系统保护与控制 量测模型)，完成对外依赖性配置，完成配电主站测试前的准备工作。 激活DIgSILEN的仿真案例，启动DIgSILENT时域仿真。验证OPC服务端数据正常，验证规约转换通信接口实时库数据正常。配电主站同规约转换通信接口通信正常，至此配电主站测试平台准备完成。通知配电主站进行潮流计算，将计算结果导出到配电主站测试平台。测试平台将DIgSILENT潮流结果文件同测试平台导入结果文件进行比较，给出测试结论。 4 配电自动化主站的测试要求 4.1 基于算法收敛性的判断 潮流计算的收敛能力是衡量算法的重要指标。针对配电网的特殊情况，对算法的收敛性有了更高的要求。利用测试平台可以针对不同网络进行收敛性测试，方便搭建IEEE 33/69母线模型的配电网络，进行潮流收敛性的测试。 4.2 基于潮流计算准确性的结果评价 如被测试主站潮流计算收敛或过早收敛，可以针对潮流计算结果，如：节点电压的幅值和相角，各个支路潮流(有功和无功)，同DIgSILENT参考结果进行比较，来衡量计算结果的准确性。 欧式距离(Euclidean Metric)是一个通常采用的距离定义，指在n维空间中两个点之间的真实距离，它定义于欧几里得空间中。n维空间中两个点A(a1, a2,, an)与B(b1, b2,, bn)间的欧氏距离，可以表示为式(1)。 nD2AB(AiBi) (1) i针对多个母线节点和多条支路的潮流计算结果。可以将对照组的潮流计算结果(DIgSILENT结果)和测试组的潮流计算结果，理解为空间中的两组向量，通过计算向量之间的距离来衡量潮流结果的总体偏差。同时，列出偏差较大的几个点，以对潮流计算单点的误差给出的判断。其中，比较计算结果对象可以选为节点电压(幅值或相角)，也可选择线路潮流(有功功率或无功功率)。 另外可以通过计算两个向量的平均相对误差，作为评估计算算法相对误差的指标。平均相对误差表示为式(2)。 |e|=1Tˆxi|T(11nn|xi) (2) ti1|xi|式中：xˆi为测试组的计算结果向量；xi为对照组结果向量，n为向量个数；T为测试轮数(此处选为1)。 5 算例分析 5.1 IEEE 33节点配电网测试算例 在DIgSILENT中搭建IEEE 33节点算例[18]模型，如图3所示。使用DIgSILENT潮流计算模块，选择交流潮流计算，单相模式，经典牛拉法，迭代次数为25次，节点功率误差选0.01 kVA，母线电压计算结果如表1所示。 图3 IEEE 33节点系统示意图 Fig. 3 IEEE 33 bus system diagram 表1 IEEE 33母线节点系统DIgSILENT潮流计算结果 Table 1 DIgSILENT power flow solution for IEEE 33 bus system 母线 电压幅 电压相 值/kV 角/(º) 母线 电压幅 电压相 值/kV 角/(º) 0 12.660 0 0 17 11.559 7 0.495 1 1 12.622 4 0.014 5 18 12.615 7 0.003 7 2 12.444 0 0.096 0 19 12.570 4 -0.063 3 3 12.349 3 0.161 7 20 12.561 5 -0.082 7 4 12.255 6 0.228 3 21 12.553 4 -0.103 0 5 12.022 7 0.133 9 22 12.398 6 0.065 1 6 11.978 6 -0.096 5 23 12.314 1 -0.023 7 7 11.917 2 -0.060 4 24 12.272 0 -0.067 4 8 11.837 9 -0.133 5 25 11.998 2 0.173 3 9 11.764 2 -0.196 0 26 11.965 8 0.229 5 10 11.753 4 -0.188 8 27 11.820 9 0.312 4 11 11.734 4 -0.177 3 28 11.716 9 0.390 3 12 11.657 0 -0.268 5 29 11.671 9 0.495 6 13 11.628 3 -0.347 2 30 11.619 2 0.411 2 14 11.610 4 -0.384 9 31 11.607 6 0.388 1 15 11.593 0 -0.408 2 32 11.604 0 0.380 4 16 11.567 4 -0.485 4 — — — 同标准算法计算结果几乎无差，可以作为衡量被测主站潮流结果的参考。 测试一：潮流算法节点收敛精度设为10 kVA 如配电主站运行正常，配电主站潮流算法可靠时，潮流计算各个结点的功率失配量会由此设定精范闻博，等 配电自动化潮流计算测试平台设计 - 121 - 度决定。此时，以DIgSILENT潮流计算结果为参考，选择不同计算对象(节点电压幅值，节点电压相角，支路有功或支路无功)分别计算的欧式距离结果如表2所示。 表2 IEEE 33节点测试案例欧式距离结果(测试1) Table 2 Euclidean distance results for IEEE 33 bus system (test case 1) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.000 154 0.000 39 2.738 1.944 表3给出最大偏差误差的绝对值。针对节点电压幅值，节点电压相角，支路有功或支路无功的平均相对误差结果如表4所示。 表3 IEEE 33节点测试案例潮流最大误差(测试1) Table 3 Maximum error for IEEE 33 bus test system (test case 1) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.000 042 0.000 154 1.109 0.763 表4 IEEE 33节点潮流平均相对误差(测试1) Table 4 Average relative error for IEEE 33 bus test system (test case 1) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.000 024 0.000 363 0.000 398 0.000 440 测试二：潮流算法的节点收敛精度设为500 kVA 当被测试算法给出的节点收敛精度较大(500 kVA)时，会导致迭代过早结束的情况，其结果必然是偏差更大。表5和表6分别给出以DIgSILENT潮流结果为参考，针对节点电压幅值/相角、支路有功功率和无功功率计算得出的欧氏距离和最大绝对值误差。表7给出了平均相对误差结果。 表5 IEEE 33节点测试案例欧式距离结果(测试2) Table 5 Euclidean distance results for IEEE 33 bus system (test case 2) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.0244 2 0.086 67 451.418 317.694 表6 IEEE 33节点测试案例最大误差(测试2) Table 6 Maximum error for IEEE 33 bus system (test case 2) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.006 41 0.032 78 202.677 135.141 表7 IEEE 33节点潮流平均相对误差(测试2) Table 7 Average relative error for IEEE 33 bus test system (test case 2) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.003 851 0.065 619 0.061 934 0.065 226 由以上结果可以看到，相对支路的有功和无功潮流，电压的欧式距离相差较小，选取支路潮流做为计算对象，可以从度量上更准确地衡量潮流计算的偏差情况。比较欧式距离结果可以反映总体潮流计算的偏差情况，结合平均相对误差可以更全面地衡量潮流计算结果的计算精度。 5.2 IEEE 69节点配电网测试算例 在DIgSILENT中搭建IEEE 69节点算例模型[18]，利用上面步骤搭建配电主站侧网络模型以及量测模型后，针对配电站潮流计算算法进行测试。同样，分别针对不同的收敛精度，计算其欧氏距离和平均相对误差值。 测试一：潮流算法节点收敛精度设为10 kVA 针对测试一，表8和表9分别给出以DIgSILENT潮流结果为参考，针对节点电压幅值/相角、支路有功功率和无功功率计算得出的欧氏距离和最大绝对值误差。表10给出了平均相对误差结果。 表8 IEEE 69节点测试案例欧式距离结果(测试1) Table 8 Euclidean distance results for IEEE 69 bus system (test case 1) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.000 17 0.000 44 2.930 2.832 表9 IEEE 69节点测试案例潮流最大误差(测试1) Table 9 Maximum error for IEEE 69 bus test system (test case 1) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.000 02 0.000 207 1.301 0.875 表10 IEEE 33节点潮流平均相对误差(测试2) Table 10 Average relative error for IEEE 69 bus test system (test case 2) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.000 052 0.000 231 1.109 0.763 测试二：潮流算法的节点收敛精度设为500 kVA 同样方法，针对测试二，表11和表12分别给出以DIgSILENT潮流结果为参考，针对节点电压幅值/相角、支路有功功率和无功功率计算得出的欧氏距离和最大绝对值误差。表13给出了平均相对误差结果。 表11 IEEE 69 节点测试案例欧式距离结果(测试2) Table 11 Euclidean distance results for IEEE 69 bus system (test case 2) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.047 31 0.167 34 619.864 473.158 - 122 - 电力系统保护与控制 表12 IEEE 69节点测试案例最大误差(测试2) Table 12 Maximum error for IEEE 69 bus system (test case 2) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.007 29 0.043 23 289.091 195.184 表13 IEEE 33节点潮流平均相对误差(测试2) Table 13 Average relative error for IEEE 69 bus test system (test case 2) 电压/kV 相角/(º) 有功/kW 无功/kvar 0.004 463 0.076 312 0.075 806 0.080 792 由以上IEEE 69节点配电系统的潮流计算测试结果，同样可以利用欧式距离值和平均相对误差指标反映潮流计算的计算精度。 6 结论 本文根据配电自动化主站系统潮流高级应用测试的需要，提出了一种利用DIgSILENT OPC接口实现配电自动化主站系统量测注入的方法，并在此基础上，开发了面向配电自动化主站系统量测模型的规约接口模块以及配置工具，搭建了配电自动化主站功能测试平台。设计了基于DIgSILENT动态仿真OPC接口的配电自动化主站潮流计算测试过程，为配电自动化主站系统其他高级应用的测试打下了基础。 在利用以上测试方法，针对配电自动化高级应用潮流计算测试时，本文按照IEEE 33和69节点配电网络模型，搭建了测试案例，利用设计的测试过程，对潮流计算功能进行测试，并采用欧式距离指标结合平均相对误差指标针对潮流计算的算法精度进行评估。算例表明，欧式距离指标结合平均相对误差指标可以给出潮流计算精度的度量，可以为验证配电自动化主站潮流算法提供依据。 参考文献 [1] 徐丙垠, 李天友, 薛永端. 智能配电网与配电自动化[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(17): 38-41. 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