基于數(shù)據(jù)庫的電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性評估數(shù)據(jù)平臺開發(fā)

陳明帆，石佳，寧光濤，高玉潔，別朝紅

（1.海南電網(wǎng)公司，海南海口 570204；2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

電力系統(tǒng)規(guī)劃及可靠性分析對電網(wǎng)的投資、運行、效益等方面有著重要意義。隨著電網(wǎng)的發(fā)展及多類型新能源的接入，電力系統(tǒng)規(guī)劃及可靠性分析評估日趨復雜，現(xiàn)有的電力系統(tǒng)分析軟件已難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)劃在更全面、更科學、更高效等方面的需求。

科學的規(guī)劃及可靠性評估需建立在對海量原始數(shù)據(jù)處理分析的基礎上，如何對數(shù)據(jù)進行快速貯存、修改、運算及分析，如何提高規(guī)劃及可靠性的評估效率，如何提高規(guī)劃的科學性是現(xiàn)代電力系統(tǒng)規(guī)劃需迫切解決的問題，是促進電力規(guī)劃設計往更科學、更高效方向發(fā)展的關鍵問題。因此，形成一套電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性評估的數(shù)據(jù)平臺是十分必要的[1-6]，其可大大提高電力系統(tǒng)規(guī)劃人員的工作效率，并為之提供更加全面、科學、準確的數(shù)據(jù)及分析結(jié)果。

目前部分軟件如電力系統(tǒng)分析綜合程序PSASP，BPA程序等可以進行電力系統(tǒng)規(guī)劃分析，但集規(guī)劃和可靠性評估于一體的成熟軟件尚未出現(xiàn)[7-9]。文獻[10]針對中高壓配網(wǎng)設計綜合規(guī)劃平臺，詳細闡述了我國規(guī)劃使用軟件平臺的發(fā)展歷程，并給出相關定義以及設計步驟。文獻[11]對比了B/S和C/S兩種模式下平臺開發(fā)的特點，綜合兩者長處，深入探討了圖形處理平臺的設計。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的應用日漸頻繁，文獻[12]將關注點放在了網(wǎng)絡上，基于互聯(lián)網(wǎng)進行電力系統(tǒng)規(guī)劃平臺的開發(fā)，采用ADO方式鏈接數(shù)據(jù)源，用數(shù)據(jù)庫和XML文件來存儲中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。

雖然眾多高校和企業(yè)關注大型電力系統(tǒng)可靠性評估軟件的研發(fā)，但注重的是在建模、算法、采用的指標及計算規(guī)模上的改進創(chuàng)新，這些軟件程序減少了用戶的計算量及操作強度，但現(xiàn)仍缺乏合理的數(shù)據(jù)平臺在電力規(guī)劃及可靠性方面來統(tǒng)一電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的收集、校核及分析，且能兼容現(xiàn)有電力系統(tǒng)分析軟件通信接口，以保留原有規(guī)劃的持續(xù)性，提高電力規(guī)劃效率及科學性。

本文完成了統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺的搭建，采用C/S模式進行系統(tǒng)的開發(fā)，并在此基礎上實現(xiàn)了功能模塊的調(diào)試和軟件接口的研發(fā)。文中所指的數(shù)據(jù)平臺是基于某種計算機語言開發(fā)的操作界面，可以對固定格式的數(shù)據(jù)進行解析處理，鏈接數(shù)據(jù)庫進行存儲，與其他功能程序模塊留有接口，可以按照用戶要求進行拓展的平臺。具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，功能全面，擴充方便的數(shù)據(jù)平臺可以為電力系統(tǒng)規(guī)劃及可靠性評估帶來便捷，從而提高規(guī)劃人員的工作效率。

1 總體框架設計

電力系統(tǒng)主要采用表格法進行規(guī)劃計算，目前常用的工具為Excel軟件和自帶的VBA編程語言，這種方法的效率較為低下，需要耗費工作人員大量的時間和精力去儲存和修改數(shù)據(jù)，而且VBA語言已不再大范圍的使用，因此有必要對其更新。由于電力系統(tǒng)的記錄多達上萬條，Excel表單存儲數(shù)據(jù)量有限，所以本文采用Access數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源。首先，作為專業(yè)的數(shù)據(jù)庫，Access便于存儲數(shù)十萬條數(shù)據(jù)，從而確保了原始數(shù)據(jù)的準確存儲，其次，關系型數(shù)據(jù)庫易于通過項目一對多的關系建立表格之間的聯(lián)系，形成表格網(wǎng)結(jié)構(gòu)，用以模擬實際生產(chǎn)模型。同時該數(shù)據(jù)庫操作簡便，被廣泛使用，適于開發(fā)。

BPA軟件被廣泛應用于電力系統(tǒng)分析計算中，BPA數(shù)據(jù)文件中存放有可靠性計算所需要的大量數(shù)據(jù)信息，如發(fā)電機組、輸電系統(tǒng)、無功補償設備等電力設備參數(shù)和運行方式數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)平臺的BPA轉(zhuǎn)換接口，可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)有選擇性的讀取與輸出，見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)平臺框架結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of data platform

基于Visual C++語言開發(fā)，相比于VBA語言通俗易懂，為后續(xù)開發(fā)提供便利。通過建立單文檔工程，利用C++中Microsoft Foundation Classes（MFC）基本類庫形成數(shù)據(jù)平臺操作框架，通過Active Data Objects（ADO）方式鏈接數(shù)據(jù)庫，使用SQL語句操控數(shù)據(jù)，得到用戶所需類型。添加靈活的ActiveX控件用于顯示、編輯，使輸入輸出更為便捷，方便用戶的操作。同時留有文件數(shù)據(jù)讀取的接口，截取所需類型的數(shù)據(jù)并輸出到指定格式的文件中，在后續(xù)運算時調(diào)用。

2 數(shù)據(jù)整合

數(shù)據(jù)平臺的基礎是規(guī)劃和可靠性計算的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中表格的項目和分類需要根據(jù)數(shù)據(jù)特征來設計。該平臺充分考慮各類電站設備的特點以及其在系統(tǒng)中的位置與作用，將相同類別的數(shù)據(jù)融合在同一張數(shù)據(jù)表中，利用表格間項目的映射關系，通過網(wǎng)架和線路參數(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的模型，實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的模型表格化。為了保證所建數(shù)據(jù)庫覆蓋面廣，設計合理，有必要對數(shù)據(jù)類型作一解釋說明。

2.1 規(guī)劃數(shù)據(jù)

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃和實際電網(wǎng)報告的分析，該平臺的基本數(shù)據(jù)有以下4部分：

1）機組信息：考慮電網(wǎng)中各類型電源，包括火電、水電、風電、光伏、抽水蓄能、核電機組等，每種機組根據(jù)其不同特性參數(shù)單獨制表，抽象為點來表征實際各電站。

2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)：相同類型的機組在不同電站有共享的特性，對這些特性統(tǒng)一建表。例如相同型號的火電機組有相同的煤耗率和碳排放指標。水電機組關心的是其所在處的水文特性，包括豐水年，平水年和枯水年機組的預想出力，平均出力和強迫出力。風電機組和光伏機組分別關聯(lián)電站的風速和光照歷史數(shù)據(jù)表格。系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)由線路和變壓器兩張表來反映，可視為連接點的直線。

3）負荷數(shù)據(jù)：由典型日、月、年負荷曲線3張表格構(gòu)成，用于負荷預測，協(xié)助用戶了解電網(wǎng)或者地區(qū)的負荷需求。

4）網(wǎng)架：通過該表中的節(jié)點編號項目可以將各機組，線路以及變壓器等設備集合成網(wǎng)，實現(xiàn)實際電網(wǎng)的表格模型化。

2.2 可靠性數(shù)據(jù)

該平臺可靠性功能模塊基于BPA程序數(shù)據(jù)類型開發(fā)。依照BPA程序使用手冊，其數(shù)據(jù)卡共有4類19種卡片，分別為區(qū)域控制、節(jié)點數(shù)據(jù)、支路數(shù)據(jù)及節(jié)點數(shù)據(jù)修改卡，由這些卡片組成了基礎數(shù)據(jù)庫。每行BPA數(shù)據(jù)一定對應于一種卡片，按說明格式對其截取，獲得系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)。

1）區(qū)域控制卡：以A，I為起始字母，記錄分區(qū)信息和區(qū)域之間的交換功率。

2）節(jié)點數(shù)據(jù)卡：以B，X為標志，按照節(jié)點類型分為交流，直流和電抗電容器，記錄節(jié)點負荷，電壓，無功出力等數(shù)據(jù)。

3）支路數(shù)據(jù)卡：由交流線路，直流線路，變壓器和移相器等設備信息組成，包括連接的節(jié)點名稱，電壓等級和阻抗，導納等，線路信息以L起始。

4）節(jié)點數(shù)據(jù)修改卡：對系統(tǒng)發(fā)電出力，負荷，分區(qū)等信息進行修正。

本文所用到的可靠性數(shù)據(jù)主要來源于節(jié)點數(shù)據(jù)和支路數(shù)據(jù)卡，比如節(jié)點名稱，節(jié)點類型，機組最大和實際有功出力，線路以及變壓器連接節(jié)點名和阻抗等信息。

3 數(shù)據(jù)平臺操作界面

利用VC++建立單文檔工程以搭建數(shù)據(jù)平臺操作界面，如圖2所示。

使用MFC構(gòu)建操作界面，該平臺菜單欄主要由以下模塊構(gòu)成：文件打開，原始數(shù)據(jù)，計算統(tǒng)計和結(jié)果等，具體操作步驟在第4節(jié)進行說明。具體分為兩欄，上層為菜單欄，下層為快捷鍵，如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)平臺操作主界面Fig.2 The main interface of data platform

圖3 菜單欄與快捷鍵Fig.3 M enu bar and shortcut keys

3.1 數(shù)據(jù)庫鏈接

在數(shù)據(jù)庫中建立電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫實例[13]，創(chuàng)建原始表格來存放數(shù)據(jù)，其中網(wǎng)架數(shù)據(jù)表如表1所示，通過表格間字段的一對多關系，形成表與表之間的聯(lián)系，即由數(shù)據(jù)表格構(gòu)成電網(wǎng)模型。

表1 網(wǎng)架數(shù)據(jù)表Tab.1 Grid data

用戶進入平臺界面后，鏈接已有數(shù)據(jù)庫完成數(shù)據(jù)源的連接，在原始數(shù)據(jù)模塊可以查看，修改數(shù)據(jù)庫中電網(wǎng)機組，負荷及網(wǎng)架等原始數(shù)據(jù)。

3.2 功能模塊

該數(shù)據(jù)平臺已開發(fā)的基本功能有BPA程序格式可靠性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，電力電量平衡計算，系統(tǒng)機組信息統(tǒng)計以及可靠性評估計算模塊接口，以上功能在成熟軟件中鮮有應用。

針對不同功能模塊，利用靈活多變的SQL語句獲得對應的數(shù)據(jù)集，進行計算分析?？紤]實際電力系統(tǒng)規(guī)劃運行總結(jié)的原理規(guī)則設計算法，添加對話框提示用戶輸入計算所需系數(shù)，提高軟件的可視化與靈活性[14-15]。采用表格輸出形式，用以顯示計算統(tǒng)計部分的結(jié)果，可以對其中數(shù)據(jù)修改，刪除，提取。

3.2.1 BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口

電力系統(tǒng)可靠性評估包含大量系統(tǒng)信息，如機組額定容量、線路阻抗、變壓器參數(shù)等等，多以BPA程序的數(shù)據(jù)格式儲存在文本文件中。因此該平臺開發(fā)了BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，用以快速準確的查詢與保存所需信息。

平臺的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口任務是讀取系統(tǒng)卡片的信息。通過對每種卡片定義結(jié)構(gòu)體數(shù)組，根據(jù)數(shù)據(jù)的格式說明，對數(shù)組成員進行劃分和定義，可以在平臺內(nèi)部進行調(diào)用。將數(shù)據(jù)保存至平臺內(nèi)的數(shù)組中，并能提取與可靠性有關數(shù)據(jù)，例如節(jié)點名稱、發(fā)電機組的最大有功出力、實際有功出力、輸電線路的兩端節(jié)點名和阻抗等接口程序需要的數(shù)據(jù)信息，并能對其進行更改、比較、刪除等操作，最后生成用戶程序需要的數(shù)據(jù)格式文件。

用戶可以在數(shù)據(jù)文件調(diào)用窗口中，選擇該終端中滿足條件的文本文件進行讀取轉(zhuǎn)換。得到的可靠性數(shù)據(jù)暫時保存在平臺內(nèi)部的結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，并能以如下兩種方式顯示：一是在數(shù)據(jù)平臺界面上顯示，可將查詢到的數(shù)據(jù)填充到表格相應項目中，形成新的數(shù)據(jù)庫文件；二是生成結(jié)果文本文件，數(shù)據(jù)具體輸出格式可由用戶指定。獲得的數(shù)據(jù)文件可作為可靠性評估模塊的輸入文件。

通過對海南電網(wǎng)的BPA數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換測試，證實該接口穩(wěn)定，讀取速度快，多達14000多條的記錄可以在2 s內(nèi)完成選擇性讀取、存儲和展示。遇到與格式說明不一致的數(shù)據(jù)，可以自動進行判別修改，并以正確的格式存儲。使得在進行電力系統(tǒng)可靠性評估時可以快速準確的獲取電網(wǎng)最新數(shù)據(jù)，大大提高了工作效率。

3.2.2 電力電量平衡

電力電量平衡是電力系統(tǒng)規(guī)劃設計的重要組成，其根據(jù)系統(tǒng)負荷預測和機組出力的情況，得到連續(xù)多年的電力盈虧。在系統(tǒng)水電容量比重大的時候，需要進行電量平衡的分析[16-17]。

平臺通過讀取調(diào)用相關表格里涉及電力電量平衡計算的原始數(shù)據(jù)，如最大負荷，水火電出力以及各自備用容量等，在計算模塊中處理分析，得到電網(wǎng)的電力電量平衡結(jié)果。為使平臺更具有實用性通用性，計算的基本原則來源于實際電網(wǎng)運行報告的總結(jié)。在實際操作中，用戶關注的年份有限，且在不同地區(qū)的電網(wǎng)運行中，備用的系數(shù)選取有差，因此用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的差異性，在圖4對話框中輸入關注的年份、備用系數(shù)和年利用小時數(shù)，得到5年的電力電量平衡結(jié)果。

圖4 電力電量平衡計算對話框Fig.4 Electric power and quantity balance dialog

電力電量平衡計算模塊將電網(wǎng)工作人員對大量數(shù)據(jù)的機械化重復性操作轉(zhuǎn)化為計算機語言，同時充分考慮了實際電網(wǎng)規(guī)劃中平衡計算的原則，將其程序化，使用者只需錄入相關的參數(shù)，即可得到需要年份的平衡結(jié)果。

3.2.3 機組信息統(tǒng)計

為了合理安排生產(chǎn)計劃，充分調(diào)用資源，規(guī)劃人員需要了解電網(wǎng)的基本組成信息。從系統(tǒng)的機組信息中獲取機組類型，機組容量以及臺數(shù)等數(shù)據(jù)，整理后按照火電機組、水電機組、風電機組等類型展示各自的機組總臺數(shù)、機組總?cè)萘恳约案魅萘繀^(qū)間的臺數(shù)分布。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)機組信息統(tǒng)計Fig.5 Power system unit information statistics

3.2.4 可靠性評估

在數(shù)據(jù)平臺的基礎上，開發(fā)了平臺與可靠性評估功能模塊的接口，用以連接成熟的計算程序。在平臺中調(diào)用運行程序的可執(zhí)行文件，進行電網(wǎng)的可靠性計算與分析。計算模塊使用的原始數(shù)據(jù)來源于平臺BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口生成的文本文件，已測試可以轉(zhuǎn)換海南電網(wǎng)2011年夏大，夏小，冬大，冬小方式的BPA數(shù)據(jù)文件。用戶在其中添加部分數(shù)據(jù)信息后，可以作為可靠性計算的輸入文件。經(jīng)過運算獲得電網(wǎng)各節(jié)點的電力不足概率（LOLP），電量不足期望值（EENS）指標以及故障導致線路的切負荷次數(shù)與切負荷量等統(tǒng)計結(jié)果，分別存入數(shù)據(jù)庫各結(jié)果表中，部分結(jié)果顯示如圖6。該模塊體現(xiàn)了平臺數(shù)據(jù)共享的特性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)平臺的基本功能。

圖6 可靠性計算結(jié)果表Fig.6 Reliability calculation result table

4 數(shù)據(jù)平臺展示與特點

使用電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性評估數(shù)據(jù)平臺的主要步驟如下。首先通過菜單“打開”按鍵，選擇需要鏈接的數(shù)據(jù)庫。在“原始數(shù)據(jù)”的下拉菜單中，可以選擇原始數(shù)據(jù)表進行數(shù)據(jù)的查看和修改，單擊其中的“BPA數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”進行可靠性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將用戶所需的BPA數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并形成指定格式的文本文件。之后根據(jù)用戶所關心的功能模塊進行選擇，在“計算統(tǒng)計”菜單中可以進行電力電量平衡，機組信息的統(tǒng)計和可靠性計算。在“結(jié)果”下拉菜單中，查看各功能模塊執(zhí)行后的結(jié)果。用戶終端只需安裝數(shù)據(jù)庫和平臺的可執(zhí)行文件，以上平臺功能均可快速有效的實現(xiàn)。

目前尚未有完善的電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性決策軟件投入現(xiàn)場使用，該領域的工作在國內(nèi)外還處于起步階段，本文開發(fā)的數(shù)據(jù)平臺相比較于現(xiàn)有的規(guī)劃運行軟件，具有以下特點：

1）利用數(shù)據(jù)庫專業(yè)的數(shù)據(jù)存儲功能，在其中構(gòu)建原始數(shù)據(jù)表格，充分考慮各類電站的特點，其在系統(tǒng)中的位置與作用。通過網(wǎng)架和線路參數(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的模型，填充系統(tǒng)數(shù)據(jù)使之完整。

2）基于C++語言開發(fā)C/S模式平臺，適于單機操作，安裝環(huán)境要求低，具備通用性。

3）可以根據(jù)實際情況更改電力電量平衡計算的部分系數(shù)，使軟件更具靈活性。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口可以讀取電網(wǎng)BPA格式的原始數(shù)據(jù)，并能按照用戶的要求挑選出與規(guī)劃，可靠性計算有關的數(shù)據(jù)，對其進行修改、整合、輸出到指定格式文件，供可靠性程序接入后計算使用。

4）開發(fā)功能模塊的接口，在平臺中調(diào)用成熟的規(guī)劃與可靠性計算程序，實現(xiàn)相關計算的無縫接入，為后期平臺功能的完善奠定基礎。

5 結(jié)論

本文基于廣泛應用的數(shù)據(jù)庫和高級語言開發(fā)了統(tǒng)一數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)平臺，整合了電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性評估的基礎數(shù)據(jù)，考慮了實際的電力系統(tǒng)運算原則，面向用戶添加功能模塊，在此基礎上擴展了相關計算程序的接口，具有靈活的操作界面。其中的功能模塊經(jīng)過海南電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)測試，證實該平臺可以有效地提高使用者規(guī)劃工作效率，具有良好的操作性和實踐性，可以運用于電力工業(yè)規(guī)劃及生產(chǎn)中。

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