电力系统可视化计算分析软件PowerWorld Simulator及其应用

电力系统可视化计算分析软件PowerWorld Simulator及其
应用
第九章电力系统可视化计算分析软件
PowerWorld/Simulator及其应用 9.1 PowerWorld/Simulator概述
科学计算可视化是20世纪80年代后期随着计算机技术的迅速发展而出现的一门新兴技术。

20世纪90年代中期，全球可视化技术的专家，美国伊利诺大学香宾分校的Thomas Overbye教授率领其研究组开展了电力系统可视化的系列研究，在其推出的电压等高线显示技术的基础上，对节点数据(如节点电压、电价等)、线路数据(如线路传输容量、线路负载等)的显示进行了可视化显示研究。

PowerWorld Simulator 1.0版本于1993年正式发布。

近年来，PowerWorld公司对PowerWorld Simulator不断更新，改进其版本，其V. 13版已经问世。

PowerWorld Simulator 强大的电力系统分析能力及其可视化环境得到越来越多的大学、工业界的重视、认可，它被广泛地应用在电力企业培训、高等教育教学和工业仿真中。

PowerWorld Simulator是一个电力系统仿真软件包，其设计界面友好，并有高度的交互性。

该仿真软件能够进行专业的工程分析。

而且由于其可交互性和可绘图性，它也可以用于向非专业用户解释电力系统的运行操作。

PowerWorld Simulator是一个集成的产品，其核心是一个全面、强大的潮流计算程序。

它能够有效地计算高达10,0000个节点的电力网络，因此当它作为一个独立的潮流分析软件包时，非常实用。

与其它商业潮流计算软件包不同，该软件可以让用户通过生动详细的全景图来观察电力系统。

此外，系统模型可以通过使用仿真软件的图形编辑工具很容易地进行修改，用户只需轻轻点击几下鼠标就可以在检修期间切换线路、增加新的线路或发电机、确定新的交易容量。

仿真器广泛地使用了
图形和动画功能，大大地增强了用户对系统特性、问题和约束的理解，以便于用户对系统进行维护。

本章以PowerWorld Simulator 13.0的中文版为例介绍它的基本功能和用法。

9.2 PowerWorld Simulator 13.0的基本界面
PowerWorld 13.0可以在Windows 95/98/2000/Me/XP和NT 3.5或更高版本的操作系统中运行。

该仿真器和用户之间的信息交流主要通过鼠标来实现。

通常，鼠标左键用来做一些快速的变化或控制电力系统的元件，鼠标右键用来获取电力系统元件的更多信息和选项列表。

PowerWorld有明显不同的两种模式:编辑模式和运行模式。

编辑模式用于建立新的仿真实例或修改已有的实例，而运行模式则是用于运行实际的电力系统仿真实例。

在任何时候都可以使用工具栏上的编辑模式(Edit Mode)按钮和运行模式(Run Mode)按钮进行两种
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模式之间的切换。

启动PowerWorld并加载实例后，可以看到如图9-1所示的主窗口，它由应用按钮、功能区组、快捷工具条、应用标题条、帮助按钮、状态栏和用户工作区等组成。

快捷工具条功能区标签应用标题条帮助按钮应用按钮标签组
状态栏用户工作区
图9-1 PowerWorld主窗口
左键点击应用按钮将打开如图9-2所示的下拉式菜单，主要用于实例、单线图、辅助文件以及工程文件的新建、打开、保存、导出和打印等功能。

图9-2 应用按钮
功能区由几个功能区标签组成，每个组一起使用构成了软件的特色。

有几个功能区有自己的用途并有自己的帮助主题，分列如下:
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(1)实例信息功能区(Case Information Ribbon Tab):主要用于引导和查看用户模型的所有信息。

2)绘图功能区(Draw Ribbon Tab):主要用于绘制单线图或编辑已有的单线图，通过(
添加、移动、格式化、或调整已有单线图对象。

绘制功能区的大多数选项只有在编辑模式下可用。

(3)单线图功能区(Onelines Ribbon Tab):主要在用户创建单线图后使用。

该功能区提供定制用户单线图外观风格。

(4)选项功能区(Options Ribbon Tab):该功能区的所有按钮从其它功能区都可访问到，这个功能区把所有的选项都放在一个地方。

(5)工具功能区(Tools Ribbon Tab):这个功能区可访问到PowerWorld Simulator基础包所有分析工具。

(6)高级功能区(Add Ons Ribbon Tab):提供了访问包括OPF、SCOPF、ATC和PVQV附加工具的功能。

设计这些功能区的目的是建立几个特定任务功能区描述该软件要用到的各种方法。

不希望用户花费很多时间在几个功能区之间倒来倒去。

~7个功能区组。

图9-3显示了在绘图功能区标签下各种每个特定功能区标签内，都有4
可用按钮和菜单功能区组(如插入对象、选择和格式化等)。

大按钮菜单只有说明的菜单大按钮有说明的小按钮
图9-3 绘图功能区组
功能区把相互联系的按钮和菜单组成一组。

最大的按钮和图标用于标识最常用功能。

所有功能通过下拉菜单都可以访问到。

位于主窗口顶部左上方的快捷工具条提供了快速访问大多数常用按钮。

快捷访问工具条的默认形式如图9-1，从左至右依次是默认的六个按钮:保存实例、打开辅助文件、模型浏览器、日志信息、单步求解和仿真器选项。

9.3 建立PowerWorld实例和潮流分析
PowerWorld 都是以单线图形式创建实例(Case)的，单线图的目的是把电力系统的信息图形化地显示出来。

9.3.1 创建新实例
启动PowerWorld后，点击主窗口的左上角应用按钮选择新建实例(New Case)。

用户工作区的背景将变成白色，这是新建PowerWorld单线图的缺省背景色。

此时，程序的工作模式自动设为编辑模式。

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1. 插入母线
由于电力系统模型中最重要的元素是母线，在有大量元件相互连接的电力系统中母线用来描绘连接点，因此用PowerWorld建立电力系统模型，应先在用户工作区绘制母线，然后加上连接在母线上的发电机和负荷等元件，再通过传输线和变压器连接不同的母线。

功能区标签的“插入对象”中选择“网络”按钮，从“绘图”
打开如图9-4所示的下拉菜单，然后从菜单中选择“节点”按钮，这是在PowerWorld中插入新母线的准备工作。

在用户工作区想插入新母线的位置点击鼠标左键，打开母线选项对话框(如图9-5)，该对话框用来定义母线的编号、名称、方向、形状、大小、宽度、区域、地区和母线的额定电压以及负荷和连接到母线的并联投
切装置。

母线编号自动显示为1。

PowerWorld要求每一个母线都要有一个图9-4 插入网络唯一的编号。

为了方便，也接受缺省值。

母线名称可以与编号相同，也可对象菜单不同。

接着，选定“系统平衡节点”(System Slack Bus)字段，也就是
“节点信息”(Bus Information)标签页中“节点电压”下方的选择项。

创建平衡节点是为了确保电力系统发出的功率满足负荷的需求，即平衡节点弥补了由系统损耗引起的功率不足。

图9-5 母线选项对话框图9-6 母线信息对话框
在“节点选项”对话框中完成创建母线后，点击“确定”并且关闭对话框。

在对话框关闭后，新建母线将出现在用户工作区设定的位置上。

当需要移动母线的位置时，可在用户工作区用左键选定想要移动的母线，并按住左键移动鼠标即可将母线移动到新的位置。

当需要修改母线信息时，用右键选择想要修改的母线将弹出图9-6所示的对话框，选择最上面的“节点信息对话框”即可弹出图9-5所示的对话框，然后可对母线信息进行修改。

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2. 插入发电机
接下来把一个发电机连接到该母线。

发电机的插入和母线的插入是相似的:从“绘
发电机”(Generator);在用户工作区中，图”功能区标签的“插入对象”选择“网络”>“
在发电机将要连接的母线(例如母线1)上，左击鼠标，将自动打开发电机对话框(如图9-7)。

这个对话框用来说明新加入的发电机机组的型号、显示大小、方向、有功输出和限制，无功限制，整定点电压和费用模型等。

图9-7 发电机选项对话框
插入发电机时，每个发电机必须指定输出的有功功率。

选中“功率和电压控制”标签页，在“有功出力”字段中输入该发电机的输出有功功率。

注意:对于连
接到系统平衡节点的发电机，指定的有功输出是任意的，因为发电机的真正输出取决于系统的负荷和损耗。

选择“显示信息”标签页。

“方向”字段用来指定发电机相对于母线的方向。

在给母线重新定位时，“锚定”复选框强迫发电机与其指定的母线一起移动。

接受所有其他字段缺省属性，在发电机选项对话框上点击“确定”。

在对话框关闭后，新的发电机将出现在已选择的母线上。

若要修改发电机的信息，其操作与修改母线信息相同，即用右键选择要修改的发电机将弹出一个对话框，选择最上面的“发电机信息对话框”将弹出图9-7所示的该发电机选项对话框，然后可对该发电机信息进行修改。

3. 插入带负荷的第二条母线
在系统中增加一条带负荷的母线，负荷功率分别为50MW和10Mvar。

插入母线的方法同上。

在母线上添加负荷有两种方法，第一种方法是在“节点选项”对话框中先选择“附加设备”标签页子菜单，然后选择“添加或编辑节点负荷”打开“负荷选项”对话框(如图
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9-8)，在“负荷信息”的“有功”和“无功”字段中输入设定的数值。

点击“确定”接受其它字段的缺省值。

关闭母线选项对话框。

应该注意的是，此时用户工作区中并不显示该母线上的负荷，尽管它在电力系统模型中已经存在。

若要在该母线上添加负荷并显示出来，可采用第二种方法。

从“绘图”功能区标签的“插入对象”功能区组中选择“网络”>“负荷”，在该母线的中心上，点击鼠标左键，将自动打开“负荷选项”对话框(如图9-9)。

若已经采用第一种方法添加了该母线的负荷，则在负荷信息中将显示已添加的负荷有功功率和无功功率值。

否则，可在“负荷信息”的“有功”和“无功”字段中输入需设定的负荷功率。

对比图9-8和图9-9可知，第二种方法的“负荷选项”对话
框中包含了该负荷的“显示信息”的所有字段。

除了恒定功率负荷，PowerWorld 也允许电压负荷的建模。

图9-8 负荷选项对话框1 图9-9 负荷选项对话框2
若要移动发电机和负荷的位置，移动方法与母线的移动方法相同。

注意，由于发电机和负荷均与母线锚定，若移动母线，与该母线所连接的发电机或负荷将随母线一起移动。

4. 插入线路
线路是用来连接母线的。

插入线路过程如下，从“绘图”功能区标签的“插入对象”功能区组中选择“网络”>“线路”。

在想创建线路的位置左击鼠标，该点通常在预定线路的始端母线上。

线路和变压器用一系列的线段绘制，不需要一直按着鼠标，要抬起鼠标键以后拖动鼠标。

注意:连接到节点之前线段是随着鼠标移动
的。

想要结束线段，点击鼠标左键。

每点击一次鼠标将会终止一个线段，一个新的端点将指定在线路上。

想要绘制下一个线段，移动鼠标到下一个端点的预定位置。

注意:这些端点在以后重新调整线路的过程可能会
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被移动或删除。

想要生成曲线，当拖动时要按住鼠标键。

要结束最后的线段并完成该线路的绘制，可以在想要结束的端点，双击鼠标左键。

端点通常是线路的其他母线。

这时将自动打
-10)。

开“线路/变压器选项”对话框(如图9
图9-10 线路/变压器选项对话框
对话框中，“串联电阻”，“串联电抗”和“并联电容”字段用来输入与线路相关的标幺值参数。

“并联电容”字段包括线路总的标幺值并联电容。

“视在功率极限”字段用于设置线路的最大传输功率极限。

设置完参数后，点击“确定”，关闭“线路/变压器选项”对话框，在用户工作区就插入了新的线路。

当已知的线路参数是线路单位长度等值参数和线路长度时，可点击“线路/变压器选项”对话框中的“计算阻抗”>“单位长度阻抗”，打开“线路阻抗标幺值计算”对话框，如图9-11所示。

在“R”、“X”、“B”、“G”和“线路长度”字段中输入相应的参数，在
注意，基准电压可以按用户要求选“电抗标幺值”字段中即可得到相应线路参数的标幺值。

定，而系统功率基准值已选定为100MVA，不能改变。

当基准电压选定后，基准阻抗和导纳则直接计算出来显示在“阻抗基值”和“导纳基值”的字段中。

5. 在线路上插入线路潮流饼图
当绘制线路时，将自动地包括一个线路潮流饼图。

但如果没有在“线路/变压器潮流饼图”中设置该饼图的视在功率极限，则在仿真时不显示该饼图。

线路潮流饼图信息的修改可通过用右键点击饼图，打开“线路/变压器潮流饼图”对话框，如图9-12所示，然后设置相应的参数。

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图9-11 线路阻抗标幺值计算对话框
图9-12 线路/变压器潮流饼图对话框
6. 插入变压器
为了插入变压器，首先要插入不同电压等级的母线。

在用户工作区的底部插入一个新的母线，命名为母线3，并且在母线选项中对话框中输入它的额定电压
35kV。

在母线2和3之间插入变压器:从“绘图”功能区标签的“插入对象”功能区组中选择“网络”>“变压器”，点击母线2，随后绘制到母线3的一条想作为变压器线路的线路，将自动弹出“线路/变压器选项”对话框(图9-10)。

在“参数”标签页中，输入变压器参数。

选择“变压器控制”标签页。

注意“标幺变比”显示1.000。

变压器的实际变比不需要指定，因为它由两个母线间的额定电压比决定。

“标幺变比”是用来调整变压器分接头以设
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定母线电压标幺值，作为标幺值计算的参考基值。

点击“确定”，关闭“线路/变压器选项”对话框和插入变压器。

7. 插入并联投切装置
并联投切装置通常由提供无功的电容器或者吸收无功的电抗器组成。

并联投切装置可以看作很多导纳，导纳值可以在很多档位上切换。

如果至少有一组在工作，就认为并联投切装置是运行的。

并联投切装置相应的断路器用来切换并联投切装置的状态。

在母线3 插入一个并联投切装置，可以从“绘图”功能区标签的“插入对象”功能区组选择“网络”>“并联补偿器”。

在母线3附近点击，将打开“并联补偿器选项”对话框，如图9-13所示。

确定母线的编号是3，如果不是，把它改为3。

在“基准无功”中输入想设定的参数。

点击“确定”，关闭对话框，插入并联投切装置。

图9-13 并联补偿器选项对话框
8. 插入文本、母线和线路字段
当运行一个仿真实例时，为了监控方便，信息字段可以直接显示在用户工作区。

插入一个通用文本字段的操作如下:从“绘图”功能区标签的“插入对象”功能区组中选择“背景”>“文本”。

在用户工作区期望放置文本的位置点击鼠标左键将打开一个“文本对象对话框”。

在“输入文本”字段中键入想要显示的字符串，点击“确定”。

母线、线路等对象的字段可以显示与对象相关的信息。

缺省时，PowerWorld将插入母线名称，发电机、负荷和并联补偿器等的有功功率和无功功率。

当需要给对象添加其他信息时，可进行下述操作。

在某一母线添加附加字段:在母线上右击打开该母线的本地菜单(图9-6)，从本地菜
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单中选择“添加字段:节点”，打开图9-14所示的在所选对象周围插入新字段对话框。

用户可以为每个母线添加8个字段。

选择想添加新字段的位置，例如“位置1”，这将打开母线
图9-14 在所选对象周围插入新字段对话框(节点字段:选择字段类型前) 字段选项对话框(图9-15)，选择所需显示的“字段类型”，例如“节点电压”。

若选择的字段类型包含数值，则可输入字段位数和小数位数。

点击“确定”将关闭“节点字段选项”对话框，而“在所选对象周围插入新字段”对话框的所选择的位置上显示出所选择的字段类型名称，如图9-16所示。

点击“确定”将关闭“在所选对象周围插入新字段”对话框并在该母线上插入了需要显示的信息。

图9-15 节点字段选项对话框
若要在线路或变压器的每端或饼图上插入显示潮流的字段，则在所选择的线路/变压器上右击打开本地菜单，然后在菜单中选择“添加字段:线路/变压器”，打开图9-17所示的在所选对象周围插入新字段对话框。

可以在线路始末两端分别添加4个字段，也可在饼图位置添加2个字段。

与在母线上添加显示字段相同，选择所需显示的位置将打开“线路字段选项”对话框，选择和输入所需的信息，点击“确定”关闭“线路字段选项”对话框，再单击“在所选对象周围插入新字段”对话框中的“确定”关闭该对话框，则在该线路上插入了所需显示的信息。

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图9-16 在所选对象周围插入新字段图9-17 在所选对象周围插入新字段
对话框(节点字段:选择字段类型后) 对话框(线路/变压器字段)
按照上述步骤，在用户工作区的完成的单线图如图9-18所示。

注意，发电机、负荷、变压器和线路等对象的端部有一个实心的红色方块，表示的是断路器。

当在运行模式时点击该方块可以切断(方块变为绿色空心)或投入所连接的元件。

图9-18 实例1单线图
9. 保存实例
从应用按钮选择“保存实例”或者点击快捷工具条中的保存实例按钮，可保存目前所做的工作。

缺省文件名为“newcase”，实例保存为PowerWorld二进制形式(以*.pwb为扩展名)。

PowerWorld也要求用户为保存已经绘制的单线图提供一个名称。

单线图文件有一个缺省的扩展名.pwd，表示它是PowerWorld显示文件。

它可以使用与实例相同的文件名。

注意，由于实例和单线图用不同的文件保存，这样同一实例可以有多个单线图文件，同一单线
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图也可用于多个实例。

9.3.2 潮流分析
实例创建完成后，潮流分析的过程非常简单，只需点击相应的求解实例按钮即可。

实例的求解必须在运行模式下进行。

在“模式”功能区组上单击“运行模式”
按钮将从编辑模式切换到运行模式。

运行模式下的主窗口如图9-19所示。

注意:如果实例中有明确错误，将会出现警告。

必须在进入运行模式之前确保没有错误。

图9-19 运行模式下PowerWorld主窗口
1. 求解实例
当PowerWorld工作在运行模式时，在“工具”功能区标签的“潮流工具”功能区组按下“”按钮将进入实时动画仿真求解过程。

潮流分析的结果将显示在单线图上所选定的字段中。

若要停止实时动画仿真，则按“”按钮。

如果日志窗口可见，可以看到PowerWorld目前的后台运行状态情况，可以关闭该日志窗口。

若想要再打开日志窗口，鼠标单击“工具”功能区标签的“日志”功能区组的“日志”按钮。

若想要进行单次潮流分析，可用鼠标单击“潮流工具”功能区
组中的“牛拉法求解”按钮完成单次潮流求解。

PowerWorld除了提
供标准的牛顿-拉夫逊潮流分析外，还提供了“快速解耦法”、“极坐
标牛拉法”、“高斯-赛德尔潮流”和“直流潮流法”等潮流分析工
具。

用户可通过“潮流工具”功能区组中的“求解”按钮打开如图 9-20所示的下拉菜单，然后选择所需的求解方法即可实现一次潮流图9-20 单次潮流求解求解。

下拉菜单
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2. 潮流分析的实例信息
潮流分析的结果除了可从单线图上显示的字段信息中查看外，还可点击“实例信息”功能区标签中的“实例信息”按钮或“工具”功能区标签中“其它工具”功能区组的“实例信息”按钮查看。

-21所示的“实例信息浏览器”窗口。

当点击“实例信息”按钮后，将打开如图9
图9-21 实例信息浏览器窗口
浏览器窗口左边包含了可浏览的“历史记录”、“网络”、“集合”、“求解明细”、“实例信息和辅助说明”、“暂态稳定”、“最优潮流”、“短路计算”和“静态安全分析”等9个项目。

这些项目可以展开，列出详细的浏览项目选项。

图9-21展开了“网络”项目。

若要浏览其中的某些项目，则选中需要浏览的信息并双击鼠标左键，浏览器右边将以表格的形式列出详细的信息。

图9-21中选择了本实例中节点、发电机和支路状态的信息。

当前显示的信息为节点信息。

信息表格中的列可通过最右边的“选项”按钮增加或删除。

当点击最右边的“选项”按钮时，将打开图9-22所示的下拉菜单，选择“表格选项”栏将弹出图9-23所示的表格选项对话框，然后即可对信息表格中的列增加或删除。

图9-22 表格选项下拉菜单图9-23 表格选项对话框
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表格中显示的数值精度可通过和这两个按钮修
改。

选中想要修改数值精度的某一列中任何一个单元格，
按钮一次，该列所有数据的小数点后将增加一每点击
位，反之，每点击按钮一次，该列所有数据的小数将
减少一位。

表格信息还可复制、粘贴和导出，也可发送到Excel
中进行分析、编辑和打印等。

例如，要将节点信息全部发送到Excel中，可在表格中的任何位置单击右键，打开如图9-24所示的下拉菜单，选择“复制/粘贴/发送”>“全部发送到Excel”，即完成了将表格发送到Excel的操作。

9.3.3 单线图的使用图9-24 表格信息发送到Excel的下拉菜单 PowerWorld是高度可视化和交互性的软件，有效使
用PowerWorld的关键在于理解单线图。

本小节对怎样使用单线图作一个最基本的介绍。

PowerWorld中的单线图的目的是把电力系统的信息图形化地显示出来。

这样的显示被称为单线图是因为用单线图代替实际电力系统的三线图。

PowerWorld采用动画显示、绘制等高线、缩放和平移功能以及对象的条件显示使得单线图变得更为真实。

另外，PowerWorld的一个关键方面是允许用户检查和修改许多显示在单线图上的对象。

用户可以打开多个单线图，包括同一单线图的多重拷贝。

1. 显示对象和电力系统模型之间的关系
显示对象:单线图中显示的一个具体元件。

显示对象通常具有相对应的模型对象。

例如包括母线、线路、变压器、发电机和负荷等。

无模型对象对应的显示对象称作断开对象。

模型对象:实例中包含的电力系统元件。

PowerWorld最强有力的一点是允许用户图形化地操作电力系统模型。

这种功能大大减少了初学者及高级用户在开发和维护电力系统实例时的工作量。

但是，切记单线图中的显示对象和由模型对象组成的电力系统实际模型间的不同仍然是很重要的。

关键是任何显示对象包括空白对象，都将对应于一个单一模型元件。

PowerWorld使用母线定位模型。

换句话说，模型对象可以是母线本身，或是放射地连接于母线的对象(例如负荷，发电机，并联补偿装置)，或连接于两个母线之间的对象(例如线路，变压器或直流线路)。

只要在显示对象和模型对象间有一一对应存在，这两者间的不同对用户来说就完全清楚了。

这点是非常合理的，通常也是很有用的，用多个显示对象表示单个模型对象。

例如，利用对象的不同条件下显示不同的特点，在一个单线图中用两个不同的显示对象来表示同一母线。

一个母线可能在一个具体的放大范围内可见，而另一母线，。