CN101256550B - 复杂电网相位同步并行化评估*** - Google Patents

Abstract

一种电力***数值仿真领域的复杂电网相位同步并行化评估***，本发明中，预处理模块从数据源读取电力***稳定分析所需的静态潮流和动态元件数据，将输入数据作格式转换处理，产生并行化计算任务调度结果，并将转换后的数据以及并行化计算任务调度结果通过计算机网络输出给并行化计算仿真模块；并行化计算仿真模块根据预处理模块的任务调度结果进行电网拓扑特性统计和相位同步稳定性分析，结果传输至并行化输出分析模块；并行化输出分析模块根据并行化计算仿真模块的结果进行相位同步特性预测，并生成相位同步控制策略，供用户通过计算机网络进行远程监控和维护。本发明利用整个电网的拓扑统计特性，提高了对现有各种软硬件计算资源的使用效率。

Description

复杂电网相位同步并行化评估***

技术领域

本发明涉及一种电力***数值仿真领域的***，具体是一种复杂电网相位同步并行化评估***。

背景技术

从2003年下半年开始，全球范围内连续发生了数起大规模停电事故，引起了人们对电力***稳定性分析的广泛关注。要对大停电事故形成详细深入的认识，首先需要考察电力网络各种统计特性，并在此基础上对停电事故作进一步的动力学分析。当前对于电网相位同步稳定问题的研究主要分为两类：一类是考察电网局部的构建和局部电网的相位同步稳定问题，另一类是对整个电网整体表达的特征在统计意义上进行相位同步稳定性分析。可以说，当前电网相位同步稳定的研究主流是还原论的而非***论的。现代电力***正朝着高电压、大机组、大电网互联和运行市场化等方面发展，并向在线实时甚至超实时数值仿真分析提出了挑战。而微处理技术和计算机网络的快速发展，使得高性能计算在电力***数值仿真领域的经济应用成为可能。在新的计算模式下，如何充分发挥网络上现有各种软硬件计算资源的计算能力进行电网相位同步并行化评估，是一个颇具挑战性的应用研究课题。

经对现有技术文献的检索发现，张沛等人在《南方电网技术研究》2006，第2卷第5期上发表了《基于网格计算体系的在线动态安全评估》，该文报道了美国电力科学研究院开发的基于网格计算体系的实时***动态安全评估工具，该工具可以让电力***运行人员在稳定性问题导致级联停电事故之前预见并防止问题的发生，该文章中结合了计算技术，开发了动态安全评估工具和能量管理***之间的接口模块，以商业化暂态稳定性仿真程序ETMSP作为仿真引擎，按照主控机-伺服机的模式进行故障分配，并结合商业化数据库软件Oracle进行数据存储和动态交换。该体系的缺点在于一方面仿真引擎模块仅对事故进行时域仿真，而没有对复杂电网拓扑特性进行统计分析；另一方面临界事故集从数据库直接读取，按照事故数目进行事件级故障分配，事故产生和并行化处理模式过分单一，不利于在计算资源异构且动态多变的计算环境下应用推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种复杂电网相位同步并行化评估***，使其结合复杂电网拓扑统计特性进行电网相位同步并行化评估，一方面考察整个电力网络的各种统计特性，避免仅依赖局部电网特性进行相位同步稳定性评估的不足；另一方面从较深层次将电网相位同步稳定分析模块和网络通信模块无缝结合，提高了对现有各种软硬件计算资源的利用效率。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括：预处理模块、并行化计算仿真模块和并行化输出分析模块，其中：

预处理模块从数据源读取电力***稳定分析所需的静态潮流和动态元件数据，将输入数据作格式转换处理，产生并行化计算任务调度结果，并将转换后的数据以及并行化计算任务调度结果通过计算机网络输出给并行化计算仿真模块；

并行化计算仿真模块根据预处理模块的任务调度结果进行电网拓扑特性统计和相位同步稳定性分析，结果传输至并行化输出分析模块；

并行化输出分析模块根据并行化计算仿真模块的结果进行相位同步特性预测，并生成相位同步控制策略，通过计算机网络发布，供用户通过计算机网络进行远程监控和维护。

所述的预处理模块，包括：数据输入模块、事件发生模块、电网聚类模块和计算调度模块，其中：

数据输入模块接受电力***稳定分析所需的静态潮流和动态元件数据，进行数据检查、数据关联、数据修改、数据格式转换等处理，其结果作为事件发生模块的输入；

事件发生模块根据数据输入模块提供的数据按照随机扰动、蓄意攻击和人工指定等运行模式产生事件；

电网聚类模块根据事件发生模块的输出结果进行电网特性聚类分析，将相似严重程度的事件放在一起，同时区别事件严重程度，电网聚类模块的结果直接输出到计算调度模块；

计算调度模块根据电网聚类结果并结合网络计算资源状况进行计算任务优化调度，其调度结果通过计算机网络传输给并行化计算仿真模块。

所述并行化计算仿真模块，包括若干子计算仿真模块，子计算仿真模块之间通过计算机网络进行连接，每个子计算仿真模块通过计算机网络获得预处理模块的任务调度结果，当计算任务采用细粒度数据级分解时，各子计算仿真模块根据分区数据进行并行化求解，子计算仿真模块之间通过计算机网络实现交接分区间数据通信；当计算任务采用粗粒度功能级分解时，各子计算仿真模块直接按照功能进行并行化求解，子计算仿真模块之间不需要进行信息交互。

所述的子计算仿真模块，均包括：电网拓扑特性统计模块、相位同步稳定分析模块，其中：

电网拓扑统计特性模块通过计算机网络获得并行化任务调度结果，并行化计算电网拓扑对应的基本统计几何量，如：度及分布特性、度的相关性、集聚程度及其分布特征、最短路径及其分布特征、介数及其分布特征、连通集的规模分布等，并将基本统计几何量传输给并行化输出分析模块；

相位同步稳定分析模块根据计算机网络所提供的静态潮流和动态元件数据和计算任务，通过对电网发电机组受扰运行轨迹的时域仿真分析，获得电机相位随时间的变化曲线，并传输给并行化输出分析模块。

所述的并行化输出分析模块，包括若干子输出分析模块，子输出分析模块之间通过计算机网络进行连接，每个子输出分析模块通过计算机网络获得并行化计算仿真模块的计算结果，当计算任务采用细粒度数据级分解时，各子输出分析模块根据分区数据进行并行化输出分析，各子输出分析模块之间通过计算机网络实现交接分区间数据通信；当计算任务采用粗粒度功能级分解时，各子输出分析模块直接按照功能进行并行化输出分析，各子输出分析模块之间基本不需要进行信息交互。

所述子输出分析模块，均包括：相位同步特性预测模块、电网相位同步控制模块，其中：

相位同步特性预测模块根据并行化计算仿真模块的时域数值仿真曲线，并结合暂态能量函数和人工智能技术预测发电机的相位稳定性指标，并根据临界切除时刻能量计算暂态能量裕度和电网传输容量极限等指标；

电网相位同步控制模块根据相位同步特性预测模块产生的相位稳定性指标，结合电网拓扑统计结果，制定预防或紧急控制策略，确定切机、切负荷或发电机汽门快关的具体时刻和控制量。

所述的并行化计算仿真模块、并行化输出分析模块均处于分布式的环境中，并行化计算仿真模块中的子模块之间、并行化输出分析模块中的子模块之间，以及并行化计算仿真模块和并行化输出分析模块之间，均通过局域网或广域网互联，并遵循统一的通信协议，能够相互通信和交换信息。

本发明工作时，首先启动预处理模块中的数据输入模块，从各数据源读取计算数据并进行处理，事件发生模块按照随机扰动、蓄意攻击和人工指定等模式产生事件，经电网聚类模块按事件严重程度聚类分析后，输入计算调度模块结合计算资源状况进行并行化任务调度，其任务调度结果通过计算机网络进行传输，然后由并行化计算仿真模块中各子计算仿真模块执行任务调度结果，分别进行电网拓扑统计和相位同步稳定性分析，其计算仿真结果直接输入到并行化输出分析模块，并行化输出分析模块中各子输出分析模块中根据计算仿真结果由相位同步特性预测模块计算相位稳定性指标，最后启动电网相位同步控制模块，根据相位同步特性预测模块产生的相位稳定性指标，并结合电网拓扑统计结果，制定预防或紧急控制策略，其结果通过计算机网络及时发布。

与现有技术相比，本发明包括如下有益效果：

1、对复杂多类型故障事件的模拟和仿真。通过对随机扰动、蓄意攻击和人工指定三种模式的组合，可以实现对复杂多类型故障事件的模拟和仿真；

2、根据电网拓扑、故障事件特点和计算资源状况进行计算任务优化调度。不同的电网拓扑团聚性、故障事件类型和网络上可计算资源状况，其计算任务调度策略应有所区别。通过对本发明***的采用，可以根据不同电网拓扑、故障事件特点和计算资源状况确定进行计算任务细粒度数据级分解或粗粒度功能级分解；

3、快速分析、预测和控制。对电网相位同步特性分析、预测和控制均采用并行化求解，可以充分利用网络计算资源，进一步提高复杂电网相位同步稳定性评估速度和效率；

4、本发明结合复杂网络拓扑统计特性通过并行化求解策略分析电网相位同步稳定性问题，充分考虑了整个电网的拓扑统计特性，并从较深层次将电网相位同步稳定分析模块和网络通信模块无缝结合，大大提高了对现有各种软硬件计算资源的使用效率；

5、该发明***不仅适合应用于软硬件计算资源同构的高性能计算环境，还特别适合在计算资源异构且动态多变的各种中小规模计算节点环境上应用推广。

附图说明

图1为本发明的实施例中***结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：预处理模块1、并行化计算仿真模块18、并行化输出分析模块19，并行化计算仿真模块18包括两个子计算仿真模块：第一计算仿真模块6和第二计算仿真模块12，并行化输出分析模块19包括两个子输出分析模块：第一输出分析模块9和第二输出分析模块15，其中：

预处理模块1从数据源读取电力***稳定分析所需的静态潮流和动态元件数据，将输入数据作格式转换处理，产生并行化计算任务调度结果，并将转换后的数据以及并行化计算任务调度结果通过计算机网络输出给并行化计算仿真模块18；

并行化计算仿真模块18根据预处理模块1的任务调度结果进行电网拓扑特性统计和相位同步稳定性分析，结果传输至并行化输出分析模块19；

并行化输出分析模块19根据并行化计算仿真模块18的结果进行相位同步特性预测，并生成相位同步控制策略，通过计算机网络发布，供用户通过计算机网络进行远程监控和维护。

所述预处理模块1，包括：数据输入模块2、事件发生模块3、电网聚类模块4和计算调度模块5，其中：

数据输入模块2接收电力***稳定分析所需的IEEE格式数据、BPA格式数据、PSASP格式数据、PSS/E格式数据以及自定义格式数据，并对输入的数据进行数据检查、数据关联、数据修改、数据格式转换等处理，其结果作为事件发生模块3的输入；

事件发生模块3接受数据输入模块2的输入数据，按照随机扰动、蓄意攻击和人工指定等运行模式产生事件，在随机扰动模式下，故障事件按随机或某种概率分布产生；蓄意攻击模式下，故障事件可以按照节点连接度从大到小或线路介数从大到小的方式产生；人工指定模式提供了事件发生模块的扩展接口。事件发生模块3的输出结果送到电网聚类模块4；

电网聚类模块4根据事件发生模块3的输出结果进行电网特性聚类分析，将相似严重程度的事件放在一起，同时区别不同严重程度的事件，其结果直接输出到计算调度模块5；

计算调度模块5根据电网聚类模块4的聚类结果并结合网络计算资源状况进行计算任务优化调度，其调度结果通过计算机网络进行传输。

所述第一计算仿真模块6、第二计算仿真模块12均从计算机网络获得并行化计算任务，进行电网拓扑特性统计和相位同步稳定性分析，提取相位同步特性预测算法所需的数据信息，并将结果分别送至第一输出分析模块9和第二输出分析模块15中。

所述第一计算仿真模块6，包括：第一电网拓扑特性统计模块7、第一相位同步稳定分析模块8，其中：

第一电网拓扑特性统计模块7通过计算机网络获得电网数据和子计算任务，并行化计算电网拓扑对应的基本统计几何量，如度及分布特性、度的相关性、集聚程度及其分布特征、最短路径及其分布特征、介数及其分布特征、连通集的规模分布等，为第一输出分析模块9提供电网拓扑统计特性参考数据；

第一相位同步稳定分析模块8根据计算机网络提供的电网数据和子计算任务，通过对电网发电机组受扰运动轨迹的时域仿真分析，获得电机相位随时间的变化曲线，其计算结果作为第二输出分析模块9进行相位同步特性预测和控制的依据。

所述第二计算仿真模块12，包括：第二电网拓扑特性统计模块13、第二相位同步稳定分析模块14，其信息处理、传输关系与第一计算仿真模块6中的第一电网拓扑特性统计模块7、第一相位同步稳定分析模块8相同。

所述第一输出分析模块9和第二输出分析模块15分别根据第一计算仿真模块6、第二计算仿真模块12的电网拓扑特性统计结果和时域仿真曲线，进行电网相位同步特性的预测和控制，其输出结果通过计算机网络及时发布。

所述第一输出分析模块9，包括：第一相位同步特性预测模块10、第一电网相位同步控制模块11，其中：

第一相位同步特性预测模块10根据第一计算仿真模块6的时域数值仿真曲线，并结合暂态能量函数和人工智能技术预测发电机的相位稳定性，并根据临界切除时刻能量计算暂态能量裕度和电网传输容量极限，其输出可以通过计算机网络及时发布，同时为第一电网相位控制模块11提供输入；

第一电网相位同步控制模块11根据第一相位同步特性预测模块10产生的稳定性指标，并结合第一电网拓扑特性统计模块7的电网拓扑统计结果，制定预防或紧急控制策略，确定切机、切负荷或发电机汽门快关的具体时刻和控制量，其输出通过计算机网络及时发布。

所述第二输出分析模块15，包括：第二相位同步特性预测模块16、第二电网相位同步控制模块17，其信息处理、传输关系与第一输出分析模块15中的第一相位同步特性预测模块10、第一电网相位同步控制模块11相同。

本实施例在局域网环境下部署3台计算节点，其中1台PC为双核处理器，另外两台PC为单核处理器。操作***采用Windows XP，并行通信协议支持消息传递接口MPI和基于Java虚拟机的TCP/IP协议。并行化计算模块由电力***机电暂态分析软件PSS/E经编程扩展后充当。研究对象为IEEE 50机145节点标准电力***。

首先从数据源读取计算数据，在数据输入模块2进行数据检查和格式转换等处理。事件发生模块3随机产生一批故障测试样本，故障类型均为母线三相短路。电网聚类模块4将相似严重程度的事件放在一起，其结果作为并行化计算仿真模块18的任务调度参考。考虑到计算节点1的计算能力较强，并结合电网聚类模块4结果，将三个计算节点按照2∶1∶1的方式分配计算任务。由于无法获得PSS/E的程序源码，所以计算调度模块5按照粗粒度功能级对计算任务进行粗粒度并行化分解，其结果通过计算机网络传输到并行化计算仿真模块18。由于目前计算资源由三个计算节点组成，因此并行化计算仿真模块18可以扩展为三个子计算仿真模块，每个子计算仿真模块根据各自分配的计算任务进行电网拓扑特性统计和相位同步稳定性分析，其结果输出到并行化输出分析模块19。并行化输出分析模块也可以扩展为三个输出分析模块，对故障事件进行相位同步特性预测，并对失稳机组提出一定的预防和紧急控制策略。其结果通过计算机网络及时发布。

为了验证本发明***的并行化效果，分别在MPI通信协议和基于Java的TCP/IP协议下进行了测试，并给出了不同参与计算节点数在MPI环境下和基于Java的TCP/IP通信环境下的相位同步仿真时间对比(见表1)，其中计算结果没有计及***的初始化及其程序终止的时间。通过对仿真时间的对比表明，采用本实施例的***，可以充分利用网络上的计算资源来提高计算速度和效率。由于对硬件体系和软件模块均无严格限制，所以该***适用于计算资源同构的高性能计算环境，更适合在计算资源高度异构且动态多变的各种中小规模计算节点环境下应用推广。

表1不同通信环境下相位同步并行化仿真时间对比(时间单位为秒)

Claims (7)

1.一种复杂电网相位同步并行化评估***，其特征在于，包括：预处理模块、并行化计算仿真模块和并行化输出分析模块，其中：

预处理模块从数据源读取电力***稳定分析所需的静态潮流和动态元件数据，将输入数据作格式转换处理，产生并行化计算任务调度结果，并将转换后的数据以及并行化计算任务调度结果通过计算机网络输出给并行化计算仿真模块；

并行化计算仿真模块根据预处理模块的任务调度结果进行电网拓扑特性统计和相位同步稳定性分析，结果传输至并行化输出分析模块；

并行化输出分析模块根据并行化计算仿真模块的结果进行相位同步特性预测，并生成相位同步控制策略，通过计算机网络发布，供用户通过计算机网络进行远程监控和维护。

2.根据权利要求1所述的复杂电网相位同步并行化评估***，其特征是，所述的预处理模块，包括：数据输入模块、事件发生模块、电网聚类模块和计算调度模块，其中：

数据输入模块接受电力***稳定分析所需的静态潮流和动态元件数据，进行数据检查、数据关联、数据修改、数据格式转换处理，其结果作为事件发生模块的输入；

事件发生模块根据数据输入模块提供的数据按照随机扰动、蓄意攻击和人工指定运行模式产生事件；

电网聚类模块根据事件发生模块的输出结果进行电网特性聚类分析，将相似严重程度的事件放在一起，同时区别事件严重程度，电网聚类模块的结果直接输出到计算调度模块；

计算调度模块根据电网聚类结果并结合网络计算资源状况进行计算任务优化调度，其调度结果通过计算机网络传输给并行化计算仿真模块。

3.根据权利要求1所述的复杂电网相位同步并行化评估***，其特征是，所述并行化计算仿真模块，包括若干子计算仿真模块，子计算仿真模块之间通过计算机网络进行连接，每个子计算仿真模块通过计算机网络获得预处理模块的任务调度结果，当计算任务采用细粒度数据级分解时，各子计算仿真模块根据分区数据进行并行化求解，子计算仿真模块之间通过计算机网络实现交接分区间数据通信；当计算任务采用粗粒度功能级分解时，各子计算仿真模块直接按照功能进行并行化求解，子计算仿真模块之间无信息交互。

4.根据权利要求3所述的复杂电网相位同步并行化评估***，其特征是，所述的子计算仿真模块，包括：电网拓扑特性统计模块、相位同步稳定分析模块，其中：

电网拓扑特性统计模块通过计算机网络获得并行化任务调度结果，并行化计算电网拓扑的基本统计几何量，基本统计几何量包括：度及分布特性、度的相关性、集聚程度及其分布特征、最短路径及其分布特征、介数及其分布特征、连通集的规模分布，并将基本统计几何量传输给并行化输出分析模块；

相位同步稳定分析模块根据计算机网络所提供的静态潮流和动态元件数据和任务调度结果，通过对电网发电机组受扰运行轨迹的时域仿真分析，获得电机相位随时间的变化曲线，并传输给并行化输出分析模块。

5.根据权利要求1所述的复杂电网相位同步并行化评估***，其特征是，所述的并行化输出分析模块，包括若干子输出分析模块，子输出分析模块之间通过计算机网络进行连接，每个子输出分析模块通过计算机网络获得并行化计算仿真模块的计算结果，当计算任务采用细粒度数据级分解时，各子输出分析模块根据分区数据进行并行化输出分析，各子输出分析模块之间通过计算机网络实现交接分区间数据通信；当计算任务采用粗粒度功能级分解时，各子输出分析模块直接按照功能进行并行化输出分析，子输出分析模块之间无信息交互。

6.根据权利要求5所述的复杂电网相位同步并行化评估***，其特征是，所述子输出分析模块，包括：相位同步特性预测模块、电网相位同步控制模块，其中：

相位同步特性预测模块根据并行化计算仿真模块的时域数值仿真曲线，并结合暂态能量函数和人工智能技术预测发电机的相位稳定性指标，并根据临界切除时刻能量计算暂态能量裕度和电网传输容量极限指标；

电网相位同步控制模块根据相位同步特性预测模块产生的相位稳定性指标，结合电网拓扑统计结果，制定预防或紧急控制策略，确定切机、切负荷或发电机汽门快关的具体时刻和控制量。

7.根据权利要求1所述的复杂电网相位同步并行化评估***，其特征是，所述的并行化计算仿真模块、并行化输出分析模块均处于分布式的环境中，并行化计算仿真模块中的子模块之间、并行化输出分析模块中的子模块之间，以及并行化计算仿真模块和并行化输出分析模块之间，均通过局域网或广域网互联，并遵循统一的通信协议。

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