專利名稱：支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布式系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電力系統技術領域的計算機系統，特別是一種支持電力 系統動態安全評估與預警的可擴展分布式系統。
技術背景隨著現代科技的進步，人類對電力系統的依賴達到了驚人的程度， 一次短暫 的停電造成的損失不亞于一場大地震的作用，保證電力系統的安全成為電力工作 者不懈的追求，但日益龐雜的電力系統往往又是難以征服的。近年來在世界范圍 內發生了多次大停電事故，這些重大停電事故充分暴露了電網的脆弱性，也給世 界各國電力工作者敲響了警鐘。電力系統安全評估與預警的主要目標是減少電力 系統災變發生的可能性，使系統事故的范圍盡可能小，持續時間盡可能短。經對現有技術文獻的檢索發現，Chen-Ching Liu等人在《IEEE Control Systems Magazine》2000, 第20巻第4期上發表了《The strategic power infrastructure defense (SPID) system a conceptual design》，該文提出了電 力系統戰略防御系統的概念，它是一種廣域的、智能化的、自適應保護和控制系 統，使得未來的電力系統通過實時地提供嚴格的和廣泛的信息，快速評估系統的 脆弱性，并且同時執行基于全系統分析的自恢復和自適應網絡重構的措施。其軟 件結構建立在多代理概念的基礎之上，以廣域全局脆弱性估計和確定自適應、自 恢復策略為其設計宗旨，具有自適應協調能力。該概念性系統的缺點在于涉及范 圍太廣，許多思路較難在實際電力系統中設計實現和應用推廣。檢索中還發現， 孫靜等人在《電力系統自動化》2007，第31巻第12期上發表了《在線電壓安全 評估在北京電網中的應用》，該文應用DSA Power Tools軟件建立了在線電壓安全 評估系統對北京電網進行在線電壓安全評估。它具有電壓安全評估、故障篩選、 確定預防控制措施、離線分析等電壓安全評估功能，在此基礎上開發了一個面向 北京電網的數據接口程序和系統計算結果的Web瀏覽功能。該系統的缺點在于僅 對系統進行電壓安全性評估，電力系統脆弱性分析指標有限；同時，評估系統結構由服務器端與客戶端兩部分組成，對計算資源的調度管理功能很弱，不利于在 計算資源異構且動態多變的計算環境下應用擴展。 發明內容本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種支持電力系統動態安全 評估與預警的可擴展分布式系統。使得可以對電力系統脆弱性進行分析，當電力 系統發生安全穩定事故時，可以從電力系統獲得實時系統數據進行動態安全評估， 以便及時發現問題，并給出預警控制策略，以避免大面積停電事故的發生，提高 電力系統動態安全評估的精度和效率。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括三個模塊服務器端、客戶 機端和計算資源監控端，服務器端從能量管理系統獲得實時電力系統數據并存入數據庫服務器，數據庫服務器的數據資源分兩路送出， 一路送到計算引擎服務器， 另一路送到計算引擎客戶機離線計算的數據映射模塊，服務器端計算引擎服務器 計算資源數據直接輸入到計弇資源監控端，客戶機端一方面與服務器端相連進行 雙向數據交換，另一方面通過與計算資源監控端相連實現數據雙向傳輸，計算資 源監控端分別與服務器端和客戶機端相連進行雙向數據交互。所述的服務器端包括三個子模塊數據庫服務器、并行化計算引擎服務器和 網頁服務器。數據庫服務器從能量管理系統獲得實時電力系統數據，處理后的數 據連接到并行化計算引擎服務器進行雙向數據交換，并行化計算引擎的計算結果 作為網頁服務器的輸入。所述的客戶機端包括兩個子模塊并行化計算引擎客戶機和輔助服務功能模 塊。在線計算模式下，并行化計算引擎客戶機通過相連的計算資源監控端獲得計 算引擎服務器的信息；離線計算模式下，并行化計算引擎客戶機通過相連的計算 資源監控端獲得計算引擎客戶機的信息。輔助服務功能模塊主要完成其他一些輔 助計算服務。所述的計算資源監控端包括四個子模塊計算資源監測、計算資源數據庫、 計算資源性能預測和計算任務調度。計算資源監測模塊一方面從服務器端獲得計 算引擎服務器信息，另一方面從客戶機端獲得計算引擎客戶機信息，其計算資源 監測結果存入計算資源數據庫，計算資源數據庫對數據進行處理后作為計算資源 性能預測的輸入信號，計算資源性能預測模塊將預測結果輸入計算任務調度模塊，計算任務調度模塊根據計算資源性能預測結果進行計算任務調度，其結果分別送 到并行化計算引擎服務器模塊和并行化計算引擎客戶機模塊。所述的并行化計算引擎服務器由若干計算引擎服務器組成，每個計算引擎服 務器包括六個子模塊網絡抗毀性、網絡可用性、網絡承載量、節點可用性、線 路可用性和機組可用性。其中網絡抗毀性、網絡可用性和網絡承載量三個子模塊 從網絡拓撲層對電力系統進行脆弱性分析，而節點可用性、線路可用性和機組可 用性從基礎設施層對電力系統進行脆弱性分析。所述的并行化計算引擎客戶機由若干計算引擎客戶機組成，每個計算引擎客 戶機分為在線計算和離線計算兩種工作模式。在線計算模式下，計算引擎客戶機 包括三個子模塊任務提交、狀態監測和結果査看。任務提交模塊提供在線計算 的遠程任務提交入口，任務提交模塊將計算任務送到服務器端和計算資源監控端， 并連接到狀態監測模塊進行計算任務狀態監測，結果查看模塊根據狀態監測情況 進行結果顯示。離線計算模式下，計算引擎客戶機包括三個子計算模塊數據映 射、離線分析和結果發布。數據映射模塊從服務器端獲得離線分析數據并映射到 本地計算引擎客戶機，映射后的數據作為離線分析模塊的輸入，離線分析模塊根 據數據映射模塊的結果進行離線分析，其結果直接輸出到結果發布模塊，結果發 布模塊根據離線分析模塊的計算結果通過計算機網絡將結果及時發布。本發明所述的服務器端、客戶機端和計算資源監控端處在分布式的環境中， 可以通過局域網互聯，也可以廣域網互聯，并遵循統一的通信協議，能夠相互通 信和交換信息。在電力系統動態安全評估與預警仿真開始時，首先啟動服務器端 從能量管理系統獲取實時電力系統數據，并通過客戶機端進行工作模式選擇。在 線計算模式下，計算引擎客戶機向計算資源監控端提交在線計算任務，計算資源 監控端根據計算引擎服務器狀況和計算任務特點進行計算任務調度，其任務調度 結果返回到各計算引擎服務器執行，各計算引擎服務器根據數據庫服務器數據和 任務調度結果進行在線計算，并將實時計算狀態返回到計算引擎客戶機的狀態監 測模塊，計算完成后計算引擎服務器將結果提交網頁服務器進行發布，以便客戶 機端結果査看模塊通過計算機網絡査看計算結果。在離線計算模式下，計算引擎 客戶機從服務器端的數據庫服務器獲得離線計算數據并向計算資源監控端提交離 線計算任務，計算資源監控端根據計算引擎客戶機狀況和計算任務特點進行計算任務調度，其任務調度結果返回到各計算引擎客戶機執行，各計算引擎客戶機根 據數據映射模塊的數據和任務調度結果采用離線分析工具對電力系統脆弱性進行 分析，并通過網頁向網頁服務器提交離線分析結果。本發明的特點和效果1)具有很強的通用性只要通過定制不同的計算仿 真模塊，即可根據網絡拓撲層和基礎設施層的不同脆弱性指標進行電力系統動態 安全評估與預警；2)高效性及分布性采用分布式的仿真結構，能夠根據計算引 擎服務器和計算引擎客戶機的狀態監測結果進行實時計算任務調度，實現數值仿 真的負載均衡，從而盡可能提高并行化仿真的效率；3)靈活性及可定制性采用 模塊化結構進行設計，用戶可以針對不同的仿真環境及應用需求特征選擇合適的 工作模式和定制個性化仿真模塊，具有較強的靈活性；4)可擴展性在服務器端 和客戶機端之間引入計算資源監控端，可以實時監測分布式計算環境下的計算資 源狀況，并結合計算任務特點進行計算任務調度，系統不僅適用于軟硬件計算資 源同構的高性能計算環境，還特別適合在計算資源異構且動態多變的各種中小規 模計算節點計算環境下應用推廣。
圖1為本發明系統示意框圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。如圖l所示，本實施例系統以微機及高性能計算機為平臺，在服務器端和客 戶機端之間引入計算資源監控端進行計算資源監測與計算任務調度，包括服務 器端、客戶機端和計算資源監控端，服務器端從能量管理系統獲得實時電力系統 數據并存入數據庫服務器，數據庫服務器的數據資源分兩路送出， 一路送到計算 引擎服務器，另一路送到計算引擎客戶機離線計算的數據映射模塊，服務器端計 算引擎服務器計算資源數據直接輸入到計算資源監控端，客戶機端一方面與服務 器端相連進行雙向數據交換，另一方面通過與計算資源監控端相連實現數據雙向 傳輸，計算資源監控端分別與服務器端和客戶機端相連進行雙向數據交互。以下對上述的各個組成部分進行說明1、 服務器端所述的服務器端包括三個子模塊數據庫服務器、并行化計算引擎服務器和 網頁服務器。數據庫服務器從能量管理系統獲得實時電力系統數據，處理后的數 據連接到并行化計算引擎服務器進行雙向數據交換，并行化計算引擎的計算結果 作為網頁服務器的輸入。并行化計算引擎服務器由若干計算引擎服務器組成，每個計算引擎服務器包 括六個子模塊網絡抗毀性、網絡可用性、網絡承載量、節點可用性、線路可用 性和機組可用性。其中網絡抗毀性、網絡可用性和網絡承載量三個子模塊從網絡 拓撲層對電力系統進行脆弱性分析，而節點可用性、線路可用性和機組可用性從 基礎設施層對電力系統進行脆弱性分析。2、 客戶機端所述的客戶機端包括兩個子模塊并行化計算引擎客戶機和輔助服務功能模 塊。在線計算模式下，并行化計算引擎客戶機通過相連的計算資源監控端獲得計 算引擎服務器的信息；離線計算模式下，并行化計算引擎客戶機通過相連的計算 資源監控端獲得計算引擎客戶機的信息。輔助服務功能模塊主要完成其他一些輔 助計算服務。所述的并行化計算引擎客戶機由若干計算引擎客戶機組成，每個計算引擎客 戶機分為在線計算和離線計算兩種工作模式。在線計算模式下，計算引擎客戶機 包括三個子模塊任務提交、狀態監測和結果査看。任務提交模塊提供在線計算 的遠程任務提交入口 ，任務提交模塊將計算任務送到服務器端和計算資源監控端， 并連接到狀態監測模塊進行計算任務狀態監測，結果查看模塊根據狀態監測情況 進行結果顯示。離線計算模式下，計算引擎客戶機包括三個子計算模塊數據映 射、離線分析和結果發布。數據映射模塊從服務器端獲得離線分析數據并映射到 本地計算引擎客戶機，映射后的數據作為離線分析模塊的輸入，離線分析模塊根 據數據映射模塊的結果進行離線分析，其結果直接輸出到結果發布模塊，結果發 布模塊根據離線分析模塊的計算結果通過計算機網絡將結果及時發布。輔助服務 功能模塊主要完成其他一些輔助計算服務。3、 計算資源監控端，所述的計算資源監控端包括四個子模塊計算資源監測、計算資源數據庫、計算資源性能預測和計算任務調度。計算資源監測模塊一方面從服務器端獲得計 算引擎服務器信息，另一方面從客戶機端獲得計算引擎客戶機信息，其計算資源 監測結果存入計算資源數據庫，計算資源數據庫對數據進行處理后作為計算資源 性能預測的輸入信號，計算資源性能預測模塊將預測結果輸入計算任務調度模塊， 計算任務調度模塊根據計算資源性能預測結果進行計算任務調度，其結果分別送 到并行化計算引擎服務器模塊和并行化計算引擎客戶機模塊。本實施例所述的服務器端、客戶機端和計算資源監控端處在分布式的環境 中，可以通過局域網互聯，也可以廣域網互聯，并遵循統一的通信協議，能夠相 互通信和交換信息。在電力系統動態安全評估與預警仿真開始時，首先啟動服務 器端從能量管理系統獲取實時電力系統數據，并通過客戶機端進行工作模式選擇。 在線計算模式下，計算引擎客戶機向計算資源監控端提交在線計算任務，計算資 源監控端根據計算引擎服務器狀況和計算任務特點進行計算任務調度，其任務調 度結果返回到各計算引擎服務器執行，各計算引擎服務器根據數據庫服務器數據 和任務調度結果進行在線計算，并將實時計算狀態返回到計算引擎客戶機的狀態 監測模塊，計算完成后計算引擎服務器將結果提交網頁服務器進行發布，以便客 戶機端結果査看模塊通過計算機網絡査看計算結果。在離線計算模式下，計算引 擎客戶機從服務器端的數據庫服務器獲得離線計算數據并向計算資源監控端提交 離線計算任務，計算資源監控端根據計算引擎客戶機狀況和計算任務特點進行計 算任務調度，其任務調度結果返回到各計算引擎客戶機執行，各計算引擎客戶機 根據數據映射模塊的數據和任務調度結果采用離線分析工具對電力系統脆弱性進 行分析，并通過網頁向網頁服務器提交離線分析結果。本實施例采用模塊化的方式分別從網絡拓撲層和基礎設施層對電力系統進 行動態安全評估與預警。在網絡拓撲層，評價電力系統脆弱性的指標包括網絡抗 毀性、網絡可用性和網絡承載量三個方面。其中網絡抗毀性是指在拓撲結構完全 確定的網絡中，在網絡受到外界攻擊破壞的情況下，網絡能夠保持連通的能力， 常用的指標有網絡連接度和網絡粘聚度；網絡的可用性是描述網絡在外部資源可 用的條件下，在規定時間內的任何時刻，處于能執行所需能量流功能的能力，即 網絡的可利用能力，該指標以網絡可用度來定量衡量；衡量網絡承載量的指標主 要有節點對之間的最大流容量，節點對之間可用度最大的線路阻抗及流量，節點對之間的最短路徑阻抗及流量，這些指標能反映在應急狀態下，電力系統所能 承受的最大能量流、應急能量流最安全的傳輸路線及最小的傳輸費用等。在基礎 設施層，評價電力系統脆弱性的指標包括節點可用性、線路可用性和機組可用性 三個方面。其中節點可用性指標主要包括安全完成能量流率、最大吞吐量和飽和 度；線路可用性指標主要包括線路的最大理論傳輸能力，線路完好率，可用度， 阻抗等；作為能量流的產生、變換和消耗等機組設備的可用性指標主要包括最大 承載量、安全性能等。本實施例提出了一種可擴展的計算資源監測和計算任務調度模型，以該模型 為核心，采用分布式系統對計算引擎服務器和計算引擎客戶機進行狀態監測，結 合計算任務特點進行任務優化調度。在該模型中，通過在服務器端和客戶機端之 間增加計算資源監控端，對計算資源進行監測和性能預測，從而實現分布式計算 環境下不同計算引擎服務器和計算引擎客戶機之間的通信以及計算任務優化調 度。對計算資源的監測可以采用獨立的計算單元，也可以由服務器端或客戶機端 計算單元兼任，具有較大靈活性。計算資源性能預測模塊根據計算資源監測模塊 的歷史數據進行回歸分析，并預測未來時刻計算資源的性能狀況，作為計算任務 調度模塊的參考。計算任務調享模塊根據當前計算資源性能預測模塊的狀態信息 和給定計算任務特點進行任務調度，以充分發揮計算資源的計算潛力。本實施例提出了一種靈活可定制的仿真框架，針對不同的仿真環境及應用需 求特征選擇合適的工作模式和仿真模塊進行電力系統動態安全評估與預警。在線 計算模式下，客戶機端提供遠程任務提交入口，計算任務由計算能力較強的服務 器端并行化計算引擎服務器負責，而計算能力較弱的客戶機端并行化計算引擎客 戶機僅需監測計算狀態，并通過網頁給出結果查看報告；離線計算模式下，客戶 機端除了提供用戶交互的接口，其并行化計算引擎客戶機直接負責計算任務的執 行，計算結果通過網頁及時發布。客戶機端還提供了輔助服務功能模塊，作為用 戶定制其他工作模式或計算服務類型的可擴展接口 。服務器端計算引擎服務器的 核心計算模塊以及客戶機端計算引擎客戶機的離線分析模塊均采用模塊化結構， 在網絡拓撲層，可以選擇網絡抗毀性、網絡可用性和網絡承載量指標進行脆弱性 分析；在基礎設施層，可以選擇節點可用性、線路可用性和機組可用性等評價指 標。綜上所述，本實施例提供了一種支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展 分布式系統，實現了對電力系統各種脆弱性指標的分析，提高了電力系統安全評 估效率，保障電力系統安全穩定運行，具有重要的現實意義。
權利要求
1. 一種支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布式系統，包括服務器端、客戶機端和計算資源監控端，其特征在于服務器端從能量管理系統獲得實時電力系統數據并存入數據庫服務器，數據庫服務器的數據資源分兩路送出，一路送到計算引擎服務器，另一路送到計算引擎客戶機離線計算的數據映射模塊，服務器端計算引擎服務器計算資源數據直接輸入到計算資源監控端，客戶機端一方面與服務器端相連進行雙向數據交換，另一方面通過與計算資源監控端相連實現數據雙向傳輸，計算資源監控端分別與服務器端和客戶機端相連進行雙向數據交互。
2、 根據權利要求1所述的支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布 式系統，其特征是，所述的服務器端包括三個子模塊數據庫服務器、并行化計 算引擎服務器和網頁服務器，數據庫服務器從能量管理系統獲得實時電力系統數 據，處理后的數據連接到并行化計算引擎服務器進行雙向數據交換，并行化計算 引擎的計算結果作為網頁服務器的輸入。
3、 根據權利要求1所述的支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布 式系統，其特征是，所述的客戶機端包括兩個子模塊并行化計算引擎客戶機和 輔助服務功能模塊，在線計算模式下，并行化計算引擎客戶機通過相連的計算資 源監控端獲得計算引擎服務器的信息；離線計算模式下，并行化計算引擎客戶機 通過相連的計算資源監控端獲得計算引擎客戶機的信息。輔助服務功能模塊主要 完成其他一些輔助計算服務。
4、 根據權利要求1所述的支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布 式系統，其特征是，所述的計算資源監控端包括四個子模塊計算資源監測、計 算資源數據庫、計算資源性能預測和計算任務調度，計算資源監測模塊一方面從 服務器端獲得計算弓I擎服務器信息，另 一方面從客戶機端獲得計算引擎客戶機信 息，其計算資源監測結果存入計算資源數據庫，計算資源數據庫對數據進行處理 后作為計算資源性能預測的輸入信號，計算資源性能預測模塊將預測結果輸入計算任務調度模塊，計算任務調度模塊根據計算資源性能預測結果進行計算任務調度，其結果分別送到并行化計算引擎服務器模塊和并行化計算引擎客戶機模塊。
5、 根據權利要求2所述的支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布 式系統，其特征是，所述的并行化計算引擎服務器由若干計算引擎服務器組成，每個計算引擎服務器包括六個子模塊網絡抗毀性、網絡可用性、網絡承載量、 節點可用性、線路可用性和機組可用性，其中網絡抗毀性、網絡可用性和網絡承 載量三個子模塊從網絡拓撲層對電力系統進行脆弱性分析，而節點可用性、線路 可用性和機組可用性從基礎設施層對電力系統進行脆弱性分析。
6、 根據權利要求3所述的支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布 式系統，其特征是，所述的并行化計算引擎客戶機由若干計算引擎客戶機組成， 每個計算引擎客戶機分為在線計算和離線計算兩種工作模式，在線計算模式下，計算引擎客戶機包括三個子模塊任務提交、狀態監測和 結果査看，任務提交模塊提供在線計算的遠程任務提交入口，任務提交模塊將計 算任務送到服務器端和計算資源監控端，并連接到狀態監測模塊進行計算任務狀 態監測，結果查看模塊根據狀態監測情況進行結果顯示；離線計算模式下，計算引擎客戶機包括三個子計算模塊數據映射、離線分 析和結果發布，數據映射模塊從服務器端獲得離線分析數據并映射到本地計算引 擎客戶機，映射后的數據作為離線分析模塊的輸入，離線分析模塊根據數據映射 模塊的結果進行離線分析，其結果直接輸出到結果發布模塊，結果發布模塊根據 離線分析模塊的計算結果通過計算機網絡將結果及時發布。
全文摘要
一種支持電力系統動態安全評估與預警的可擴展分布式系統，包括服務器端、客戶機端和計算資源監控端，服務器端從能量管理系統獲得實時電力系統數據并存入數據庫服務器，數據庫服務器的數據資源分兩路送出，一路送到計算引擎服務器，另一路送到計算引擎客戶機離線計算的數據映射模塊，服務器端計算引擎服務器計算資源數據直接輸入到計算資源監控端，客戶機端一方面與服務器端相連進行雙向數據交換，另一方面通過與計算資源監控端相連實現數據雙向傳輸，計算資源監控端分別與服務器端和客戶機端相連進行雙向數據交互。本發明可以從電力系統獲得實時系統數據進行動態安全評估，以便及時發現問題，并給出預警控制策略。
文檔編號G06Q50/00GK101266665SQ200810036848
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月29日 優先權日2008年4月29日
發明者正 嚴, 麗 李, 王興志, 石恒初, 棟 謝 申請人:上海交通大學