一種大規模電力系統節點的潮流計算方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統自動化分析技術領域，具體涉及一種大規模電力系統節點的 潮流計算方法。
【背景技術】
[0002] 所謂電力系統潮流，是指系統中所有運行參數的主體，包括各母線電壓和相位，各 發電機負荷的功率和電流，各變壓器及線路的功率、電流及其損耗等。而潮流計算是在已知 某些運行參數的情況下，計算出系統的全部運行參數，是電力系統運行和規劃中最基本和 最常用的計算。
[0003] 近年來，電力系統的互聯及其規模的不斷擴大，系統節點數越來越多，潮流計算的 規模也隨之越來越大，傳統的潮流計算方法也越來越力不從心。基于潮流計算算法本身層 面的改進如PQ快速分解法、根據遺傳算法優化的潮流計算等，對于效率的提升效果甚微， 無法從根本上解決大電網互聯的潮流計算問題，因此，需要從技術層面考慮算法的優化改 進。基于并行化技術的潮流計算優化是目前一個熱門研宄方向。目前基于多線程技術、多 核心技術和GPU方式的并行潮流計算的研宄較為常見，但其計算方式還是基于一臺主機， 對于未來的更大規模的計算會愈發吃力。考慮適用于計算集群的潮流計算方式，可以實現 計算資源的動態擴展，對于未來的大電網大數據的潮流計算更具優勢。現存的一些MPI、 OpenMP等集群計算技術需要考慮底層資源分配、通信協同和負載均衡等問題，實現較為復 雜。而利用時下流行的云計算技術可以實現計算集群的虛擬化和封裝，使算法無需考慮底 層細節，只需依照MapReduce并行框架設計，即可實現物理計算集群上的并行計算。
[0004] 對于潮流計算，目前較為常用的也是最基礎的是牛頓-拉夫遜法，其他方法是在 該法的基礎上的優化改進。牛頓-拉夫遜法是一個迭代至收斂的過程，該方法最費時的階 段在造修正方程式和求解修正方程式的階段。按照傳統的計算方式，雅可比矩陣的構造需 要各元素依次進行計算，雅可比矩陣的階數為n+m-1，其中，n為系統中節點個數，m為系統 中PQ節點個數，因此雅可比矩陣的構造需要計算次數為（n+m-1)2。當節點數增長時，其計 算量呈指數型急劇增長，計算效率大大下降。
[0005] 因此，如何設計一種適用于大規模電力系統節點的計算效率高且計算量小的潮流 計算方法，是本領域亟待解決的問題。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明提供的一種大規模電力系統節點的潮流計算方法，該方法中的 雅可比矩陣元素的生成可以通過Hadoop云計算平臺，能夠在多臺計算機上并行計算，真正 實現了多臺物理計算機計算能力的迭加，從而大大提高了計算效率、云平臺的容錯性及潮 流計算結果的可靠性，進而保證了電力系統的正常運行和高效規劃。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
[0008] -種大規模電力系統節點的潮流計算方法，所述方法在云計算平臺的MapReduce 框架中進行；所述方法包括如下步驟：
[0009] 步驟1.將電力系統節點的原始數據以鍵值對的形式存儲為導納矩陣；并將迭代 計數k設置為k= 0 ;
[0010] 步驟2.根據電力系統節點的各給定初值計算各功率不平衡量，并判斷各所述功 率不平衡量是否小于其所對應的各容許值；
[0011] 若是，則轉向步驟7 ;若否，則進入步驟3 ;
[0012] 步驟3.計算建立雅可比矩陣所需的各個元素；
[0013] 步驟4.合并所述元素，得到雅可比矩陣及修正方程式；
[0014] 步驟5.求解所述修正方程式，并根據所述修正方程式的解修正所述各給定初值；
[0015] 步驟6.將所述迭代計數k設置為k=k+1，返回步驟2根據修正后結果進行下一 輪迭代；
[0016] 步驟7.計算所述電力系統的各潮流值，并輸出計算結果。
[0017] 優選的，所述步驟1之前，包括：
[0018] a.采集電力系統節點的原始數據；其中，所述原始數據包括所述電力系統節點的 有功功率、無功功率、電流和電壓；
[0019] b.給定所述電力系統的各初值，所述初值包括電壓初值Uw和相角向量初值Q((1)。
[0020] 優選的，所述步驟2包括：
[0021] 2-1根據電壓初值Uw和相角向量初值Q((1)計算有功不平衡量AP(k)和無功不平 衡量AQ(k);
許值；
[0023] 若是，則轉向步驟7 ;若否，則進入步驟3 ;
[0024] 其中，i代表系統中的節點編號，e代表設定的有功或無功不平衡量的容許值； APf為系統中第i個節點的有功不平衡量；為系統中第i個節點的無功不平衡量。
[0025] 優選的，所述步驟3包括：
[0026] 3-1.調用Map函數，使得其中的每一個Mapper均從所述導納矩陣的庫中讀取一個 鍵值對；
[0027] 3-2.在map函數中計算建立雅可比矩陣所需的各個元素的值；
[0028] 3-3.將全部所述Mapper的輸出結果進行排序。
[0029] 優選的，所述步驟4包括：
[0030] 4-1?調用reduce函數；
[0031] 4-2.在reduce函數中合并全部所述元素，得到雅可比矩陣及修正方程式。
[0032] 優選的，所述步驟5中的修正所述各給定初值，包括：將所述給定相角初值0和給 定電壓初值U修正為修正后的相角0 (k+1)和修正后的電壓U(k+1)。
[0033] 優選的，所述步驟7中的各潮流值包括所述電力系統中各母線電壓和相位、各發 電機負荷的功率和電流、各變壓器及線路的功率、電流及其損耗、PV節點、平衡節點的注入 功率。
[0034] 從上述的技術方案可以看出，本發明提供了一種大規模電力系統節點的潮流計算 方法，將傳統的導納矩陣和參數向量數據以鍵值對形式存儲；每一個Mapper從K-V數據庫 中讀出一個鍵值對〈key,value〉，作為輸入；每個Mapper根據輸入計算一個雅可比矩陣元 素；將所有Mapper的輸出結果進行排序，以備Reducer合并；Reducer合并所有Mapper輸 出的雅可比矩陣元素，形成矩陣和修正方程式；求解修正方程式并對電壓相角進行修正； 以修正結果進行下一輪迭代。該方法中的雅可比矩陣元素的生成可以通過Hadoop云計算 平臺，能夠在多臺計算機上并行計算，真正實現了多臺物理計算機計算能力的迭加，從而大 大提高了計算效率、云平臺的容錯性及潮流計算結果的可靠性，進而保證了電力系統的正 常運行和高效規劃。
[0035] 與最接近的現有技術比，本發明提供的技術方案具有以下優異效果：
[0036] 1、本發明所提供的技術方案中，將傳統的導納矩陣和參數向量數據以鍵值對形式 存儲；每一個Mapper從K-V數據庫中讀出一個鍵值對〈key,value〉，作為輸入；每個Mapper 根據輸入計算一個雅可比矩陣元素；使得該方法中的雅可比矩陣元素的生成可以通過 Hadoop云計算平臺，能夠在多臺計算機上并行計算，真正實現了多臺物理計算機計算能力 的迭加，從而大大提高了計算效率、云平臺的容錯性及潮流計算結果的可靠性，進而保證了 電力系統的正常運行和高效規劃。
[0037] 2、本發明所提供的技術方案，將所有Mapper的輸出結果進行排序，以備Reducer 合并；Reducer合并所有Mapper輸出的雅可比矩陣元素，形成矩陣和修正方程式；實現了多 臺物理計算機計算能力的迭加；提高了潮流計算結果的可靠性。
[0038] 3、本發明所提供的技術方案，求解修正方程式并對電壓相角進行修正；以修正結 果進行下一輪迭代；從而大大提高了計算效率、云平臺的容錯性及潮流計算結果的可靠性， 進而保證了電力系統的正常運行和高效規劃。
[0039] 4、本發明所提供的技術方案，應用Hadoop云計算平臺下的MapReduce編程機制， 使計算任務并行地在若干臺計算機上執行，計算能力相當于多臺計算機計算能力的總和， 相應的效率會大大提升
[0040] 5、本發明提供的技術方案，應用廣泛，具有顯著的社會效益和經濟效益。
【附圖說明】
[0041] 圖1是本發明的一種大規模電力系統節點的潮流計算方法的流程示意圖；
[0042] 圖2是本發明的潮流計算方法的步驟2的流程示意圖；
[0043] 圖3是本發明的潮流計算方法的步驟3的流程示意圖；
[0044] 圖4是本發明的潮流計算方法的步驟4的流程示意圖；
[0045] 圖5是本發明的潮流計算方法的應用例的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實 施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0047] 如圖1所示，本發明提供一種大規模電力系統節點的潮流計算方法，該方法將潮 流計算中雅可比矩陣的構造過程并行化，將導納矩陣和雅可比矩陣均以鍵值對形式存儲， 便于并行存取。每次迭代過程分為Map階段和Reduce階段，在Map階段計算雅可比矩陣中 各元素，形成修正方程式；Reduce階段求解修正方程式，進行修正，以備下次迭代；
[0048] 包括如下步驟：
[0049] 步驟1.在云計算平臺的MapReduce框架（MapReduce是一種編程模型，用于大規 模數據集（大于1TB)的并行運算。概念"Map(映射）〃和〃Reduce(歸約）〃，和它們的主要 思想，都是從函數式編程語言里借來的，還有從矢量編程語言里借來的特性。它極大地方便 了編程人員在不會分布式并行編程的情況下，將自己的程序運行在分布式系統上。當前的 軟件實現是指定一個Map(映射）函數，用來把一組鍵值對映射成一組新的鍵值對，指定并 發的Reduce(歸約）函數，用來保證所有映射的鍵值對中的每一個共享相同的鍵組。）中， 將電力系統節點的原始數據以鍵值對的形式存儲為導納矩陣；并將迭代計數k設置為k= 〇 ；
[0050] 步驟2.根據電力系統節點的各給定初值計算各功率不平衡量，并判斷各功率不 平衡量是否小于其所對應