EnerOS v0.7.0

发布日期：2024年7月7日 版本代号：Equipment（设备） Git Tag：v0.7.0 支持状态：内部预览（Internal Preview） Crate 总数：6 测试用例数：942

版本概述

EnerOS v0.7.0「Equipment」引入了电力设备模型库。本版本发布 eneros-equipment crate，提供了变压器（两绕组、三绕组）、输电线路（PI 型等值电路）、开关（断路器、隔离开关）与负荷（ZIP 模型）四大类设备的详细数学模型。v0.3.0 的拓扑模型仅包含设备的「连接关系」，而 v0.7.0 补齐了设备的「物理特性」——变压器不仅有变比，还有分接头档位、空载损耗、短路阻抗；线路不仅有 R/X/B，还有温度特性与频率特性；负荷不仅有有功无功，还有电压频率静态特性。

设备模型库的设计遵循 IEC 61970 CIM 与中国电力行业标准 DL/T 698 的双重规范。CIM 提供了设备类的本体论框架，而 DL/T 698 定义了设备参数的工程取值范围与命名约定。EnerOS 在两者之间做了映射：对外可导出 CIM 兼容的 RDF/JSON，对内使用 Rust enum 表达设备类型，使用 trait 表达设备行为。例如，所有设备都实现 Equipment trait，提供 impedance()、admittance()、status() 等方法；变压器额外实现 TapChanger trait，提供分接头调节能力。

v0.7.0 的一个重要设计决策是将「设备模型」与「设备实例」分离。TransformerModel 描述某型号变压器的参数模板（如 SZ11-31500/110），而 TransformerInstance 描述具体部署的某一台变压器（如「变电站 A 的 1 号主变」）。这种分离使得设备库可以基于厂家提供的型式试验数据建立模型库，运行时根据实际安装的设备实例化。模型库预置了 50+ 常见型号的参数，覆盖 10kV 至 500kV 各电压等级。

关键数据

新特性

1. 变压器模型

两绕组变压器

// crates/eneros-equipment/src/transformer/two_winding.rs
use serde::{Deserialize, Serialize};
use eneros_topology::bus::BusId;

/// 两绕组变压器
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct TwoWindingTransformer {
    pub id: String,
    pub name: String,
    pub hv_bus: BusId,          // 高压侧母线
    pub lv_bus: BusId,          // 低压侧母线
    pub rated_hv_kv: f64,       // 高压侧额定电压
    pub rated_lv_kv: f64,       // 低压侧额定电压
    pub rated_mva: f64,         // 额定容量
    /// 短路阻抗百分比（%）
    pub short_circuit_z_pct: f64,
    /// 短路电阻百分比（%），通常 = 铜耗/(额定容量*10)
    pub short_circuit_r_pct: f64,
    /// 空载电流百分比（%）
    pub no_load_i_pct: f64,
    /// 空载损耗（kW）
    pub no_load_loss_kw: f64,
    /// 分接头配置
    pub tap_changer: TapChanger,
    /// 是否在运
    pub in_service: bool,
}

/// 分接头调节器
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct TapChanger {
    /// 额定档位对应的变比
    pub nominal_tap: f64,
    /// 每档调节量（百分比）
    pub step_pct: f64,
    /// 最大档位（正）
    pub max_tap: i32,
    /// 最小档位（负）
    pub min_tap: i32,
    /// 当前档位
    pub current_tap: i32,
}

impl TapChanger {
    /// 当前实际变比
    pub fn current_ratio(&self) -> f64 {
        self.nominal_tap * (1.0 + self.current_tap as f64 * self.step_pct / 100.0)
    }

    /// 升档
    pub fn raise(&mut self) -> Result<(), EquipmentError> {
        if self.current_tap >= self.max_tap {
            return Err(EquipmentError::TapAtMax);
        }
        self.current_tap += 1;
        Ok(())
    }

    /// 降档
    pub fn lower(&mut self) -> Result<(), EquipmentError> {
        if self.current_tap <= self.min_tap {
            return Err(EquipmentError::TapAtMin);
        }
        self.current_tap -= 1;
        Ok(())
    }
}

impl TwoWindingTransformer {
    /// 计算标幺值参数（基于给定基准容量）
    pub fn pi_parameters(&self, base_mva: f64) -> PiParameters {
        let tap = self.tap_changer.current_ratio();
        // 阻抗从百分比换算到标幺值
        let z_pu = (self.short_circuit_z_pct / 100.0) * (base_mva / self.rated_mva);
        let r_pu = (self.short_circuit_r_pct / 100.0) * (base_mva / self.rated_mva);
        let x_pu = (z_pu * z_pu - r_pu * r_pu).sqrt();
        // 励磁导纳
        let b_half = (self.no_load_i_pct / 100.0) * (base_mva / self.rated_mva);
        PiParameters {
            r_pu,
            x_pu,
            b_half_pu: b_half / 2.0,
            tap_ratio: tap,
            phase_shift: 0.0,
        }
    }
}

三绕组变压器

// crates/eneros-equipment/src/transformer/three_winding.rs
/// 三绕组变压器：用三个两绕组变压器等值（星形等值电路）
pub struct ThreeWindingTransformer {
    pub id: String,
    pub hv_bus: BusId,      // 高压侧
    pub mv_bus: BusId,      // 中压侧
    pub lv_bus: BusId,      // 低压侧
    pub rated_hv_mva: f64,
    pub rated_mv_mva: f64,
    pub rated_lv_mva: f64,
    pub z_hm_pct: f64,  // 高-中 短路阻抗
    pub z_hl_pct: f64,  // 高-低 短路阻抗
    pub z_ml_pct: f64,  // 中-低 短路阻抗
    // ... 三对短路参数
}

impl ThreeWindingTransformer {
    /// 转换为星形等值电路的三个支路
    pub fn to_star_equivalent(&self) -> [PiParameters; 3] {
        // 将三绕组参数转换为星形等值
        let z_h = 0.5 * (self.z_hm_pct + self.z_hl_pct - self.z_ml_pct);
        let z_m = 0.5 * (self.z_hm_pct + self.z_ml_pct - self.z_hl_pct);
        let z_l = 0.5 * (self.z_hl_pct + self.z_ml_pct - self.z_hm_pct);
        // 返回 H/M/L 三个支路的 PI 参数
        [
            PiParameters::transformer(z_h / 100.0, 0.0, 1.0),
            PiParameters::transformer(z_m / 100.0, 0.0, 1.0),
            PiParameters::transformer(z_l / 100.0, 0.0, 1.0),
        ]
    }
}

2. 线路模型（PI 型等值电路）

// crates/eneros-equipment/src/line.rs
use eneros_topology::bus::BusId;

/// 输电线路（PI 型等值电路）
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct TransmissionLine {
    pub id: String,
    pub from_bus: BusId,
    pub to_bus: BusId,
    pub length_km: f64,
    /// 单位长度电阻（Ω/km）
    pub r_per_km: f64,
    /// 单位长度电抗（Ω/km）
    pub x_per_km: f64,
    /// 单位长度电纳（S/km）
    pub b_per_km: f64,
    /// 单位长度电导（S/km）
    pub g_per_km: f64,
    /// 并联线路数（1, 2, 3, 4）
    pub num_circuits: u32,
    /// 额定电流（A，单回路）
    pub rated_current_a: f64,
    /// 20°C 时的电阻（温度修正基准）
    pub reference_temp_c: f64,
    /// 电阻温度系数（1/°C）
    pub temp_coefficient: f64,
    pub in_service: bool,
}

impl TransmissionLine {
    /// 计算给定温度下的 PI 参数
    pub fn pi_parameters(&self, base_mva: f64, base_kv: f64, temp_c: f64) -> PiParameters {
        let z_base = base_kv * base_kv / base_mva;

        // 温度修正
        let temp_factor = 1.0 + self.temp_coefficient * (temp_c - self.reference_temp_c);
        let r_total = self.r_per_km * self.length_km * temp_factor / z_base;
        let x_total = self.x_per_km * self.length_km / z_base;
        let b_total = self.b_per_km * self.length_km * z_base;

        // 多回路并联
        let n = self.num_circuits as f64;
        PiParameters {
            r_pu: r_total / n,
            x_pu: x_total / n,
            b_half_pu: b_total / (2.0 * n),
            tap_ratio: 1.0,
            phase_shift: 0.0,
        }
    }

    /// 计算线路热稳定极限（A）
    pub fn thermal_limit_a(&self) -> f64 {
        self.rated_current_a * self.num_circuits as f64
    }
}

3. 开关模型

// crates/eneros-equipment/src/switch.rs
use eneros_topology::bus::BusId;

/// 开关类型
#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq, Serialize, Deserialize)]
pub enum SwitchKind {
    Breaker,        // 断路器
    Disconnector,   // 隔离开关
    LoadBreakSwitch,// 负荷开关
    EarthingSwitch, // 接地开关
    Fuse,           // 熔断器
}

/// 开关状态
#[derive(Debug, Clone, Copy, PartialEq, Eq, Serialize, Deserialize)]
pub enum SwitchState {
    Closed, // 合闸
    Open,   // 分闸
    Tripped,// 跳闸（故障）
}

/// 开关设备
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct Switch {
    pub id: String,
    pub from_bus: BusId,
    pub to_bus: BusId,
    pub kind: SwitchKind,
    pub state: SwitchState,
    /// 额定电流（A）
    pub rated_current_a: f64,
    /// 额定开断电流（A，断路器用）
    pub breaking_capacity_a: f64,
    /// 操作次数计数
    pub operation_count: u32,
    /// 上次操作时间戳
    pub last_operated_at: Option<i64>,
}

impl Switch {
    pub fn new(id: impl Into<String>, from: BusId, to: BusId, kind: SwitchKind) -> Self {
        Self {
            id: id.into(),
            from_bus: from,
            to_bus: to,
            kind,
            state: SwitchState::Closed,
            rated_current_a: 1250.0,
            breaking_capacity_a: 25000.0,
            operation_count: 0,
            last_operated_at: None,
        }
    }

    /// 合闸
    pub fn close(&mut self) -> Result<(), EquipmentError> {
        if self.state == SwitchState::Closed {
            return Err(EquipmentError::AlreadyClosed);
        }
        self.state = SwitchState::Closed;
        self.operation_count += 1;
        self.last_operated_at = Some(chrono::Utc::now().timestamp());
        Ok(())
    }

    /// 分闸
    pub fn open(&mut self) -> Result<(), EquipmentError> {
        if self.state == SwitchState::Open {
            return Err(EquipmentError::AlreadyOpen);
        }
        self.state = SwitchState::Open;
        self.operation_count += 1;
        self.last_operated_at = Some(chrono::Utc::now().timestamp());
        Ok(())
    }

    /// 是否导通
    pub fn is_conducting(&self) -> bool {
        self.state == SwitchState::Closed
    }
}

4. 负荷模型（ZIP）

ZIP 负荷模型将负荷表示为恒阻抗（Z）、恒电流（I）、恒功率（P）三部分的加权和，是电力系统稳态分析的标准负荷模型。

// crates/eneros-equipment/src/load.rs
use eneros_topology::bus::BusId;

/// ZIP 负荷模型
#[derive(Debug, Clone, Serialize, Deserialize)]
pub struct ZipLoad {
    pub id: String,
    pub bus: BusId,
    /// 额定有功（MW）
    pub p_nominal_mw: f64,
    /// 额定无功（MVar）
    pub q_nominal_mvar: f64,
    /// 恒阻抗比例
    pub a_z: f64,
    /// 恒电流比例
    pub a_i: f64,
    /// 恒功率比例
    pub a_p: f64,
    /// 频率静特性系数（有功）
    pub kp_f: f64,
    /// 频率静特性系数（无功）
    pub kq_f: f64,
    pub in_service: bool,
}

impl ZipLoad {
    pub fn new(bus: BusId, p_mw: f64, q_mvar: f64) -> Self {
        Self {
            id: format!("load_{}", bus),
            bus,
            p_nominal_mw: p_mw,
            q_nominal_mvar: q_mvar,
            a_z: 0.4,
            a_i: 0.3,
            a_p: 0.3,
            kp_f: 1.0,
            kq_f: -1.0,
            in_service: true,
        }
    }

    /// 计算给定电压与频率下的实际功率
    pub fn power_at(&self, v_pu: f64, freq_hz: f64) -> (f64, f64) {
        let df = (freq_hz - 50.0) / 50.0;
        let v2 = v_pu * v_pu;
        let v3 = v2 * v_pu;

        let p = self.p_nominal_mw * (
            self.a_z * v2 + self.a_i * v_pu + self.a_p
        ) * (1.0 + self.kp_f * df);

        let q = self.q_nominal_mvar * (
            self.a_z * v2 + self.a_i * v_pu + self.a_p
        ) * (1.0 + self.kq_f * df);

        (p, q)
    }
}

ZIP 模型特性对比：

5. 预置设备型号库

// crates/eneros-equipment/src/catalog.rs
use crate::transformer::TwoWindingTransformer;

/// 预置变压器型号库
pub fn transformer_catalog() -> Vec<TwoWindingTransformer> {
    vec![
        // SZ11-31500/110（110kV/10kV，31.5MVA）
        TwoWindingTransformer {
            id: "SZ11-31500/110".into(),
            name: "SZ11-31500/110 三相双绕组有载调压".into(),
            rated_mva: 31.5,
            rated_hv_kv: 110.0,
            rated_lv_kv: 10.5,
            short_circuit_z_pct: 10.5,
            short_circuit_r_pct: 0.5,
            no_load_i_pct: 0.7,
            no_load_loss_kw: 29.0,
            // ...
        },
        // SZ11-63000/220
        // SZ11-150000/500
        // ...
    ]
}

改进

• eneros-topology：Branch 支持关联详细设备模型
• eneros-powerflow：潮流计算考虑变压器分接头变比
• 依赖：新增 chrono、uuid

Bug 修复

• 修复 TwoWindingTransformer::pi_parameters 中基准容量换算错误（#103）
• 修复 TransmissionLine::pi_parameters 在多回路并联时未除以回路数的问题（#107）
• 修复 Switch::open 在已分闸时未返回错误的问题（#110）

破坏性变更

• eneros_topology::Branch：params 字段改为 Option<PiParameters>，运行时由设备模型计算

性能提升

贡献者

升级指南

新增依赖

[dependencies]
eneros-equipment = { version = "0.7", path = "../eneros-equipment" }

使用设备模型

use eneros_equipment::transformer::TwoWindingTransformer;
use eneros_topology::bus::BusId;

let mut transformer = TwoWindingTransformer {
    id: "T1".into(),
    hv_bus: BusId(1),
    lv_bus: BusId(2),
    rated_hv_kv: 110.0,
    rated_lv_kv: 10.5,
    rated_mva: 31.5,
    short_circuit_z_pct: 10.5,
    // ...
};
transformer.tap_changer.raise()?;  // 升一档
let pi = transformer.pi_parameters(100.0);