一種大規模電力系統運行方式潮流轉移比多核并行批處理方法
【專利摘要】本發明屬于大電網安全校核和計算機領域，公開了一種大規模實際電力系統運行方式潮流轉移比的多核并行批處理方法，以大系統分析工具為基礎，采用深度優先搜索算法對系統的網絡拓撲進行完整性檢測，結合潮流結果合理性的自動判別以實現潮流轉移比的批處理分析，基于Fork/Join的并行框架，按故障設置采用“分治模式”遞歸分解計算任務，實現大規模實際電力系統運行方式潮流轉移比的多核并行批處理快速準確分析。本發明切實保證分析精度和效率，適用于實際大規模系統運行方式潮流轉移比快速精確分析，在不增加額外投資的情況下能充分利用計算機多核資源并獲得良好的并行性能，滿足不同時間尺度運行方式安全校核分析要求，具有廣泛應用前景。
【專利說明】-種大規模電力系統運行方式潮流轉移比多核并行批處理 方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及大電網安全校核和計算機領域，更具體地，特別設及到一種大規模電 力系統運行方式潮流轉移比多核并行批處理方法。 技術背景
[0002] 電網運行堅持"安全第一、預防為主"的方針。伴隨國民經濟不斷增長，電力系統 規模日漸龐大，對電網安全、穩定和經濟運行提出了更高要求。近些年，國內外大面積停電 事故頻發，給社會和經濟造成巨大損失。例如；1965年東北美大面積停電事故、1978年法國 大停電事故、2003年美國8. 14大停電事故、1990年廣州大面積停電事故、1999年臺灣地區 大停電事故、2012年印度大停電事故等。國內外不少學者對多起嚴重大面積停電事故原因 進行了深入分析，取得了大量研究成果，結果表明；絕大多數的大面積停電事故是由于部分 壓極限邊緣運行的輸電網絡遭遇故障而斷開相關支路，引起潮流大面積轉移，導致其他線 路過載，從而產生連鎖反應，最終導致了大停電事故的發生。
[0003] 為了預防和杜絕此類重大事故發生，實際運行中不得不降低線路的傳輸功率，但 該樣又不能充分發揮網絡的傳輸效率。為了保證電網安全并兼顧經濟效益，電網運行方式 需反復調整校核，進行大量超前的預想事故模擬仿真分析是十分必要的。在現行運行方式 潮流轉移比分析中，需要逐一手動設置故障并潮流計算，從大量文本輸出結果中篩選出關 注支路和斷面的潮流，信息量大、工作繁瑣且效率低，有時甚至無法計算，若基態潮流變化， 計算條件則需要全部重新設置。實際運行中也可采用系統等值的方法，但難W詳細模擬全 網網架結構，分析精度不能保證。
[0004] 作為國家水電能源基地之一，云南電網已成為國家西電東送的主要輸出端，網架 結構日益復雜，在保證南方電網區域互聯、電網安穩運行方面作用顯著，輸電能力與負荷增 長的不匹配使得線路的功率輸送裕度減少，外加西部大量小水電逐級集中送出W及復雜多 變的高原極端惡劣氣候影響，可能造成大量走廊相近的線路或設備的多重嚴重故障，甚至 導致潮流大面積轉移，電網穩定破壞的風險較大，方式制作時必須進行大量安全校核分析， 計算量大。W云南電網某月實際運行方式（計算網絡包含南方電網五省電網數據）為例， 全網系統超過11000個節點，12000條支路（包含短連接開關支路）。
[000引 目前，已有較多關于潮流轉移的理論研究和方法驗證，但測試系統規模較小，對于 大規模實際系統運行方式尚無成熟運用的批處理精確求解工具，也未見采用多核并行技術 求解潮流轉移比的相關報道。本發明可適于大規模系統運行方式潮流轉移比的精確和快速 分析，滿足不同時間尺度運行方式安全校核分析要求，具有廣泛的應用前景。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題在于提供一種大規模電力系統運行方式潮流轉移比多 核并行批處理方法，同時兼顧求解效率和結果精度，實現大規模電力系統潮流轉移比的快 速精確求解，滿足不同時間尺度運行方式安全校核分析要求。
[0007] 本發明采用的技術方案為；本發明揭示了一種大規模電力系統運行方式潮流轉移 比多核并行批處理方法。
[000引按照下述步驟（1)-(5)實現運行方式潮流轉移比的多核并行批處理分析計算。
[0009] (1)計算數據準備。采用java編程解析擬計算的電網運行方式（包含潮流計算文 件dat和穩定計算文件swi)，按照設備類型、區域、分區、電壓等級進行分類并保存至數據 庫，為并行批處理分析提供基礎數據準備；
[0010] (2)基態潮流計算。讀取步驟1保存至數據庫的電網參數，在給定發電狀態及負荷 水平等運行條件下，生成初始基態運行方式，調用PSD-BPA軟件進行潮流計算，采用java編 程解析文本結果，得到各支路基態潮流值；
[0011] (3)轉移比分析條件設置。按潮流轉移比分析要求將條件設置分為兩大類：一類 是潮流轉移比普掃條件設置，設置內容包括故障類型（N-UN-2等）和掃描范圍（區域、分 區、電壓等級）。另一類是關鍵斷面潮流轉移比快速分析條件設置，設置內容包括故障類型、 故障斷面W及關注的關鍵斷面；
[0012] (4)構建化rk/Join多核并行環境和部署并行分析任務。按步驟3設置的分析條 件，按故障進行分類采用"分治模式"遞歸分解計算任務，將總任務分配在多個CPU內核上， 分別同時依次執行步驟4. 1、4. 2,實現計算子任務間的多核并行：
[0013] (4.1)網絡拓撲完整性檢測和故障狀態潮流計算。從數據庫中讀取電網設備參 數，按分析條件進行故障設置，生成故障狀態下運行方式，采用深度優先捜索算法（depth first searching, DF巧進行網絡拓撲完整性檢測。若檢測完整，調用PSD-BPA軟件進行故 障狀態下的潮流計算，轉至步驟4.2 ;若不完整，轉至步驟5 ;
[0014] (4. 2)潮流轉移比分析。解析故障后潮流計算文本結果，進行合理性判別。若合理， 得到故障后關注支路、斷面的潮流新值，結合步驟2中計算得到的基態潮流值，進行潮流轉 移比計算分析；若不合理，轉至步驟5。
[0015] (5)結果總結。匯總各子任務計算結果，根據潮流轉移比分析結果按潮流轉移嚴重 程度由高到低排序，同時標記關鍵支路和斷面。同時，可詳細查看步驟4. 1中網絡拓撲完整 性檢測和步驟4. 2中結果合理性判別結果。
[0016] 與現有工作模式下運行方式潮流轉移比分析相比，本發明兼顧求解效率和計算精 度，能夠有效實現實際運行方式潮流轉移比的快速精確分析，滿足不同校核分析需求，具有 如下突出效果：
[0017] (1)求解效率高。將現有工作模式下人工故障設置、網絡拓撲檢測、潮流計算合理 性判別、結果處理等繁瑣工作完全由程序自動實現，同時構建化rk/Join框架實現求解方 法的多核并行，進一步大幅提高了求解效率；
[0018] (2)計算精度高。本方法基于現有成熟的電力系統分析工具，整個計算過程中也未 設及模型簡化或網絡等值，保證了計算結果的精確性和可信度；
[0019] (3)靈活可擴展性強。隨著未來電網網架規模的不斷擴大，即使陸續會有大量新投 產的設備，文中所提方法也可實現運行方式自動解析并進行潮流轉移比的快速準確分析， 并且計算速度基本不受影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1是潮流轉移比計算模型。
[0021] 圖2是潮流轉移比計算并行性分析。
[0022] 圖3是任務分解與闊值控制方式示意圖。
[0023] 圖4是基于深度優先捜索算法值FS)的網絡完整性檢測流程圖。
[0024] 圖5是潮流計算合理性判別流程圖。
[0025] 圖6是潮流轉移并行實現的執行框架。
[0026] 圖7是多核環境下不同計算方案加速比與效率對比結果。
[0027] 圖8是多核環境下不同計算方案加速比與效率對比結果。
【具體實施方式】
[002引本發明W求解運行方式潮流轉移比為核屯、目標，圖1 W簡單3節點3支路網絡發 生N-1開斷故障為例，詳細說明潮流轉移比計算模型。
[0029] 初始基態下；Pli= P 1，P口= P 2, Pl3= P 3;
[0030] 故障狀態下；Pli= P 1'，P口 = P 2'，Pl3= P 3' = 0 ;
[0031] 其中，Pu表示支路Li有功潮流值，Pi表示故障前的初始基態，Pi'表示故障后。當 L3發生N-1開斷故障，支路11、L2潮流轉移比山、片2按下式計算：
[0032] fu= IPi，-Pil 今P3XIOO%
[003引 f^= |P2'-P2I 今P3XIOO%
[0034] 本發明實現了求解方法的多核并行，并行計算是指將一個復雜的較大規模任務分 解成兩個或兩個W上子任務，并將該些子任務按一定原則分配在不同的CPU內核上同時計 算，W縮短計算時間，提高求解效率，必須滿足2個前提條件；一是同時計算的子任務之間 必須相互獨立；二是計算機配置有多個CPU內核。一方面，潮流轉移批處理分析計算中，需 要對預想故障逐一設置并進行潮流轉移分析，如圖2中所示W 3節點3支路簡單網絡N-1 開斷故障潮流轉移普掃為例，任意單一故障的網絡參數設置、潮流計算、結果解析均是相互 獨立的，滿足子任務之間的相互獨立性要求。另一方面，現如今多核處理器已成主流，無論 是服務器或工作站，還是個人電腦，多核CPU配置已十分普遍。因此，在現行日常工作環境 已有軟件和硬件配置下，不必增加額外投資，實現潮流轉移比的多核并行分析是可行的。
[0035] 本發明采用深度優先捜索算法值F巧實現網絡拓撲完整性的檢測，捜索流程如圖 3中所示，其基本思路是W網絡中任意節點V作為起始頂點，依次從V的未被訪問的鄰接點 出發，逐個深度優先遍歷捜索，直至網絡中和節點V有路徑相通的節點都被訪問，捜索過程 中標記已訪問節點W避免重復捜索，若訪問節點數與當前網絡中有效節點數相同，那么說 明網絡中所有節點相通，不存在孤立節點和孤島區域；否則，說明網絡中存在孤立節點或孤 島區域，W任意未被訪問節點為起始頂點，再次使用DFS算法進行深度優先遍歷，直至網絡 中所有節點均被訪問過為止。如此遞歸遍歷可W獲得整個網絡中所有的孤立節點或孤島區 域。
[0036] 本發明實現了潮流計算合理性的自動判別，如圖4中所示，判別原則為：計算中出 現W下任意情況，則認為潮流計算不合理。
[0037] (1)網絡拓撲檢測不完整；（2)潮流計算不收斂；
[003引 （3)潮流計算收斂，但迭代次數大于15次；
[0039] (4)平衡機機組出力越限；（5)節點電壓越限；
[0040] 做支路越限；（7)變壓器過載；
[0041] 若未出現上述任意情況，則認為潮流計算結果合理。
[0042] 本發明構建了基于化rk/Jion的并行框架，采用"分治模式"處理大量任務計算， 基本思想是將一個求解過程復雜的大規模問題，分解為多個規模較小、相互獨立且可直接 求解的子任務，再通過求解并組合所有子任務的解，最終得到原問題的解。潮流轉移并行實 現的執行框架如圖5所示。它通過定義一個闊值來控制子任務的規模，當任務的計算規模 小于或等于闊值時，則停止任務分解，其控制方式示意圖如圖6中所示。若闊值過小，使遞 歸層數較深，則子任務數目較多，并行協調管理消耗較大；若闊值過大，則子任務數目較少， 串行執行時間較長，無法充分利用多核資源。因此，合適的闊值選擇是并行設計的重要步 驟，為了避免資源閑置，闊值按下式設置；^ a
[0043] 其中，A表示闊值;m表示任務計算規模；符號「1表示取上整數；a表示CPU的 邏輯線程數。ForkAJoin初始默認創建與CPU邏輯線程數相同的計算線程，并采用線程池進 行管理，減少反復創建與關閉線程所占用的系統資源。一般地，計算機CPU內核數與邏輯線 程數相同，但若CPU處理器支持"超線程"技術（單個內核具有2個邏輯線程），CPU邏輯線 程數等于內核數的2倍。
[0044] 為了驗證所本發明公開的運行方式潮流轉移比的多核并行批處理方法的準確性 和求解效率，首先W新格蘭10機39節點系統為算例，驗證了方法的準確性，但由于系統規 模較小，并行效率不明顯；然后再W云南電網某月實際運行方式為例，計算網絡系統規模 大，并行效率明顯，驗證了方法的求解效率。
[0045] (1)編程語言與硬件配置
[0046] 采用java編程語言實現。測試運行主機類型為Dell Precision T1600Mini Tower, CPU 類型為 Inter(R)Xeon(R)CPU E31245@3. 30細z，4 核 8 線程。
[0047] 似并行性能指標
[0048] 采用目前普遍評價并行計算性能的兩個重要指標；加速比Sp和效率Ep，其表達式 分別如下；Sp= T i/Tp;E p= S p/p
[0049] 其中Ti為單核（串行）環境下的計算時間；Tp為算法在p個內核環境下的運行時 間。一般情況下，Sp小于理想的加速比P，但在實際并行計算中，常出現"超線性加速比"現 象，即Sp大于P。
[0050] 圖7為新英格蘭10機39節點系統算例接線圖及其節點編號，進行N-1開斷故障 潮流轉移普掃，逐一支路N-1開斷故障后分析其他支路潮流轉移情況。W節點2至節點25 支路L2_2g發生N-1開斷故障為例說明，結果如表1所示。發生故障時，發電機節點37有功 出力完全只由L25_2e送出，不再經過L 2_3,所W，前者潮流有較大增加，后者潮流減少；為滿足 節點3負荷需求，除少部分經由Lie_。的潮流略有增加之外，主要支路L 2e_27、Li7_27、Li7_18、L3_lg 潮流均增加較大，支路甚至出現了反向潮流。從實際結果中可W看出，并行計算結果 與串行結果基本完全一致，驗證了本發明所提多核并行批處理方法的可行性和準確性。
[0051] 表2為云南電網某月實際運行方式的不同測試方案配置，分別在單核（串行）、2 核、4核不同環境下進行測試，并開啟"超線程"技術，方案1為用戶根據實際運行經驗，自定 義關鍵支路和斷面分析，校核支路較少；方案2-4為220kV及W上電壓等級支路潮流轉移普 掃，參與校核支路數為800條（包含短連接開關支路），則不同規模故障下需校核的支路總 數分別為 100X800 = 80000、200X800 = 160000、800X800 = 640000。計算結果如表 3 及 圖8中所示，驗證了本發明所提多核并行批處理方法的求解效率，結果分析如下：
[005引 （1)方案1相比于方案2,故障數相同，校核支路總數明顯較少，計算時間卻較長， 主要是因為本發明提出的并行設計是按故障劃分子任務，單一故障下網架規模相同，計算 時間基本相同，但由于方案1是根據實際運行經驗定義的故障設置，故障后運行方式仍能 保證潮流合理性，需進一步進行結果解析，方案2中部分故障后網架不完整或潮流結果不 合理，不必進行結果解析，方案1結果解析耗時比方案2較多。由此可見，計算時間主要與 故障總數有關，與校核支路總數關系較小，大規模系統下校核支路成倍增加也不會造成耗 時突增，有利于大范圍批量普掃。
[005引 似同一方案不同內核環境下比較并行效果，可W看出，隨著內核數的增加，計算 時間減少，加速比增加，效率降低。造成并行效率下降的主要原因是隨著內核數的增加，線 程管理與通信、數據同步時變量重復定義導致占用內存的增加。
[0054] (3)方案1-4在2核環境下的加速比分別為；2. 04,2. 04,2. 08和2. 12,均大于理 想加速比。該是由于計算時開啟了超線程技術，出現了 "超線性加速比"現象。
[0055] (4)在相同內核配置下，隨著故障數和校核支路總數的增加，計算規模越大，耗時 更多，2核和4核加速比分別在2. 10和3. 20左右，并行效率分別在105. 0%和80. 0%左右， 加速比和效率相對穩定，并未隨計算規模的顯著增加而呈現明顯的變化趨勢。經反復測試 分析原因，主要是由PSD-BPA潮流計算程序固有特征決定的；BPA程序潮流計算為封裝可執 行程序，同一運行方式不同故障下網架規模相同，調用BPA程序接口進行潮流計算耗時相 同。進一步分析單一子任務各階段耗時所占比例，接口調用時間所占比重大。因此，各子任 務全程計算時間相差較小，不會隨著計算規模的增加而變化，方案1-4單一故障任務計算 時間分別為 5. 91s、5. 38s、5. 98s、5. 53s。
[0056] 表1節點2至節點25支路N-1開斷故障潮流轉移比大于50%結果列表
[0057]
【權利要求】
1. 一種大規模電力系統運行方式潮流轉移比多核并行批處理方法，其特征包括如下步 驟： (1) 計算數據準備：采用java編程解析擬計算的電網運行方式，包含潮流計算文件dat 和穩定計算文件swi ;按照設備類型、區域、分區、電壓等級進行分類并保存至數據庫，為并 行批處理分析提供基礎數據準備； (2) 基態潮流計算：讀取步驟（1)保存至數據庫的電網參數，在給定發電狀態及負荷水 平等運行條件下，生成初始基態運行方式，調用PSD-BPA進行潮流計算，采用java編程解析 文本結果，得到各支路基態潮流值； (3) 轉移比分析條件設置：按潮流轉移比分析要求將條件設置分為兩類：一類是潮流 轉移比普掃條件設置，設置內容包括故障類型和掃描范圍；另一類是關鍵斷面潮流轉移比 快速分析條件設置，設置內容包括故障類型、故障斷面以及關注的關鍵斷面； (4) 構建Fork/Join多核并行環境和部署并行分析任務：按步驟（3)設置的分析條件， 按故障進行分類采用"分治模式"遞歸分解計算任務，將總任務分配在多個CPU內核上，分 別同時依次執行下述步驟（4. 1)和（4. 2)，實現計算子任務間的多核并行： (4. 1)網絡拓撲完整性檢測和故障狀態潮流計算：從數據庫中讀取電網設備參數，按 分析條件進行故障設置，生成故障狀態下運行方式，采用深度優先搜索算法DFS進行網絡 拓撲完整性檢測；若檢測完整，調用PSD-BPA進行故障狀態下的潮流計算，轉至步驟（4.2); 若不完整，轉至步驟（5); (4. 2)潮流轉移比分析：解析故障后潮流計算文本結果，進行合理性判別；若合理，得 到故障后關注支路、斷面的潮流新值，結合步驟（2)中計算得到的基態潮流值，進行潮流轉 移比計算分析；若不合理，轉至步驟（5); (5) 結果總結：匯總各子任務計算結果，根據潮流轉移比分析結果按潮流轉移嚴重程 度由高到低排序，同時標記關鍵支路和斷面；同時，詳細查看步驟（4.1)中網絡拓撲完整性 檢測和步驟（4.2)中結果合理性判別結果。
【文檔編號】G06Q50/06GK104503827SQ201410714236
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】程春田, 羅彬 , 苗樹敏, 李剛, 吳琛, 楊浚文 申請人:大連理工大學, 云南電力調度控制中心