专利名称：支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布式系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电力系统技术领域的计算机系统，特别是一种支持电力 系统动态安全评估与预警的可扩展分布式系统。
技术背景随着现代科技的进步，人类对电力系统的依赖达到了惊人的程度， 一次短暂 的停电造成的损失不亚于一场大地震的作用，保证电力系统的安全成为电力工作 者不懈的追求，但日益庞杂的电力系统往往又是难以征服的。近年来在世界范围 内发生了多次大停电事故，这些重大停电事故充分暴露了电网的脆弱性，也给世 界各国电力工作者敲响了警钟。电力系统安全评估与预警的主要目标是减少电力 系统灾变发生的可能性，使系统事故的范围尽可能小，持续时间尽可能短。经对现有技术文献的检索发现，Chen-Ching Liu等人在《IEEE Control Systems Magazine》2000, 第20巻第4期上发表了《The strategic power infrastructure defense (SPID) system a conceptual design》，该文提出了电 力系统战略防御系统的概念，它是一种广域的、智能化的、自适应保护和控制系 统，使得未来的电力系统通过实时地提供严格的和广泛的信息，快速评估系统的 脆弱性，并且同时执行基于全系统分析的自恢复和自适应网络重构的措施。其软 件结构建立在多代理概念的基础之上，以广域全局脆弱性估计和确定自适应、自 恢复策略为其设计宗旨，具有自适应协调能力。该概念性系统的缺点在于涉及范 围太广，许多思路较难在实际电力系统中设计实现和应用推广。检索中还发现， 孙静等人在《电力系统自动化》2007，第31巻第12期上发表了《在线电压安全 评估在北京电网中的应用》，该文应用DSA Power Tools软件建立了在线电压安全 评估系统对北京电网进行在线电压安全评估。它具有电压安全评估、故障筛选、 确定预防控制措施、离线分析等电压安全评估功能，在此基础上开发了一个面向 北京电网的数据接口程序和系统计算结果的Web浏览功能。该系统的缺点在于仅 对系统进行电压安全性评估，电力系统脆弱性分析指标有限；同时，评估系统结构由服务器端与客户端两部分组成，对计算资源的调度管理功能很弱，不利于在 计算资源异构且动态多变的计算环境下应用扩展。 发明内容本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种支持电力系统动态安全 评估与预警的可扩展分布式系统。使得可以对电力系统脆弱性进行分析，当电力 系统发生安全稳定事故时，可以从电力系统获得实时系统数据进行动态安全评估， 以便及时发现问题，并给出预警控制策略，以避免大面积停电事故的发生，提高 电力系统动态安全评估的精度和效率。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括三个模块服务器端、客户 机端和计算资源监控端，服务器端从能量管理系统获得实时电力系统数据并存入数据库服务器，数据库服务器的数据资源分两路送出， 一路送到计算引擎服务器， 另一路送到计算引擎客户机离线计算的数据映射模块，服务器端计算引擎服务器 计算资源数据直接输入到计弇资源监控端，客户机端一方面与服务器端相连进行 双向数据交换，另一方面通过与计算资源监控端相连实现数据双向传输，计算资 源监控端分别与服务器端和客户机端相连进行双向数据交互。所述的服务器端包括三个子模块数据库服务器、并行化计算引擎服务器和 网页服务器。数据库服务器从能量管理系统获得实时电力系统数据，处理后的数 据连接到并行化计算引擎服务器进行双向数据交换，并行化计算引擎的计算结果 作为网页服务器的输入。所述的客户机端包括两个子模块并行化计算引擎客户机和辅助服务功能模 块。在线计算模式下，并行化计算引擎客户机通过相连的计算资源监控端获得计 算引擎服务器的信息；离线计算模式下，并行化计算引擎客户机通过相连的计算 资源监控端获得计算引擎客户机的信息。辅助服务功能模块主要完成其他一些辅 助计算服务。所述的计算资源监控端包括四个子模块计算资源监测、计算资源数据库、 计算资源性能预测和计算任务调度。计算资源监测模块一方面从服务器端获得计 算引擎服务器信息，另一方面从客户机端获得计算引擎客户机信息，其计算资源 监测结果存入计算资源数据库，计算资源数据库对数据进行处理后作为计算资源 性能预测的输入信号，计算资源性能预测模块将预测结果输入计算任务调度模块，计算任务调度模块根据计算资源性能预测结果进行计算任务调度，其结果分别送 到并行化计算引擎服务器模块和并行化计算引擎客户机模块。所述的并行化计算引擎服务器由若干计算引擎服务器组成，每个计算引擎服 务器包括六个子模块网络抗毁性、网络可用性、网络承载量、节点可用性、线 路可用性和机组可用性。其中网络抗毁性、网络可用性和网络承载量三个子模块 从网络拓扑层对电力系统进行脆弱性分析，而节点可用性、线路可用性和机组可 用性从基础设施层对电力系统进行脆弱性分析。所述的并行化计算引擎客户机由若干计算引擎客户机组成，每个计算引擎客 户机分为在线计算和离线计算两种工作模式。在线计算模式下，计算引擎客户机 包括三个子模块任务提交、状态监测和结果査看。任务提交模块提供在线计算 的远程任务提交入口，任务提交模块将计算任务送到服务器端和计算资源监控端， 并连接到状态监测模块进行计算任务状态监测，结果查看模块根据状态监测情况 进行结果显示。离线计算模式下，计算引擎客户机包括三个子计算模块数据映 射、离线分析和结果发布。数据映射模块从服务器端获得离线分析数据并映射到 本地计算引擎客户机，映射后的数据作为离线分析模块的输入，离线分析模块根 据数据映射模块的结果进行离线分析，其结果直接输出到结果发布模块，结果发 布模块根据离线分析模块的计算结果通过计算机网络将结果及时发布。本发明所述的服务器端、客户机端和计算资源监控端处在分布式的环境中， 可以通过局域网互联，也可以广域网互联，并遵循统一的通信协议，能够相互通 信和交换信息。在电力系统动态安全评估与预警仿真开始时，首先启动服务器端 从能量管理系统获取实时电力系统数据，并通过客户机端进行工作模式选择。在 线计算模式下，计算引擎客户机向计算资源监控端提交在线计算任务，计算资源 监控端根据计算引擎服务器状况和计算任务特点进行计算任务调度，其任务调度 结果返回到各计算引擎服务器执行，各计算引擎服务器根据数据库服务器数据和 任务调度结果进行在线计算，并将实时计算状态返回到计算引擎客户机的状态监 测模块，计算完成后计算引擎服务器将结果提交网页服务器进行发布，以便客户 机端结果査看模块通过计算机网络査看计算结果。在离线计算模式下，计算引擎 客户机从服务器端的数据库服务器获得离线计算数据并向计算资源监控端提交离 线计算任务，计算资源监控端根据计算引擎客户机状况和计算任务特点进行计算任务调度，其任务调度结果返回到各计算引擎客户机执行，各计算引擎客户机根 据数据映射模块的数据和任务调度结果采用离线分析工具对电力系统脆弱性进行 分析，并通过网页向网页服务器提交离线分析结果。本发明的特点和效果1)具有很强的通用性只要通过定制不同的计算仿 真模块，即可根据网络拓扑层和基础设施层的不同脆弱性指标进行电力系统动态 安全评估与预警；2)高效性及分布性采用分布式的仿真结构，能够根据计算引 擎服务器和计算引擎客户机的状态监测结果进行实时计算任务调度，实现数值仿 真的负载均衡，从而尽可能提高并行化仿真的效率；3)灵活性及可定制性采用 模块化结构进行设计，用户可以针对不同的仿真环境及应用需求特征选择合适的 工作模式和定制个性化仿真模块，具有较强的灵活性；4)可扩展性在服务器端 和客户机端之间引入计算资源监控端，可以实时监测分布式计算环境下的计算资 源状况，并结合计算任务特点进行计算任务调度，系统不仅适用于软硬件计算资 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 模计算节点计算环境下应用推广。
图1为本发明系统示意框图具体实施方式
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l所示，本实施例系统以微机及高性能计算机为平台，在服务器端和客 户机端之间引入计算资源监控端进行计算资源监测与计算任务调度，包括服务 器端、客户机端和计算资源监控端，服务器端从能量管理系统获得实时电力系统 数据并存入数据库服务器，数据库服务器的数据资源分两路送出， 一路送到计算 引擎服务器，另一路送到计算引擎客户机离线计算的数据映射模块，服务器端计 算引擎服务器计算资源数据直接输入到计算资源监控端，客户机端一方面与服务 器端相连进行双向数据交换，另一方面通过与计算资源监控端相连实现数据双向 传输，计算资源监控端分别与服务器端和客户机端相连进行双向数据交互。以下对上述的各个组成部分进行说明1、 服务器端所述的服务器端包括三个子模块数据库服务器、并行化计算引擎服务器和 网页服务器。数据库服务器从能量管理系统获得实时电力系统数据，处理后的数 据连接到并行化计算引擎服务器进行双向数据交换，并行化计算引擎的计算结果 作为网页服务器的输入。并行化计算引擎服务器由若干计算引擎服务器组成，每个计算引擎服务器包 括六个子模块网络抗毁性、网络可用性、网络承载量、节点可用性、线路可用 性和机组可用性。其中网络抗毁性、网络可用性和网络承载量三个子模块从网络 拓扑层对电力系统进行脆弱性分析，而节点可用性、线路可用性和机组可用性从 基础设施层对电力系统进行脆弱性分析。2、 客户机端所述的客户机端包括两个子模块并行化计算引擎客户机和辅助服务功能模 块。在线计算模式下，并行化计算引擎客户机通过相连的计算资源监控端获得计 算引擎服务器的信息；离线计算模式下，并行化计算引擎客户机通过相连的计算 资源监控端获得计算引擎客户机的信息。辅助服务功能模块主要完成其他一些辅 助计算服务。所述的并行化计算引擎客户机由若干计算引擎客户机组成，每个计算引擎客 户机分为在线计算和离线计算两种工作模式。在线计算模式下，计算引擎客户机 包括三个子模块任务提交、状态监测和结果査看。任务提交模块提供在线计算 的远程任务提交入口 ，任务提交模块将计算任务送到服务器端和计算资源监控端， 并连接到状态监测模块进行计算任务状态监测，结果查看模块根据状态监测情况 进行结果显示。离线计算模式下，计算引擎客户机包括三个子计算模块数据映 射、离线分析和结果发布。数据映射模块从服务器端获得离线分析数据并映射到 本地计算引擎客户机，映射后的数据作为离线分析模块的输入，离线分析模块根 据数据映射模块的结果进行离线分析，其结果直接输出到结果发布模块，结果发 布模块根据离线分析模块的计算结果通过计算机网络将结果及时发布。辅助服务 功能模块主要完成其他一些辅助计算服务。3、 计算资源监控端，所述的计算资源监控端包括四个子模块计算资源监测、计算资源数据库、计算资源性能预测和计算任务调度。计算资源监测模块一方面从服务器端获得计 算引擎服务器信息，另一方面从客户机端获得计算引擎客户机信息，其计算资源 监测结果存入计算资源数据库，计算资源数据库对数据进行处理后作为计算资源 性能预测的输入信号，计算资源性能预测模块将预测结果输入计算任务调度模块， 计算任务调度模块根据计算资源性能预测结果进行计算任务调度，其结果分别送 到并行化计算引擎服务器模块和并行化计算引擎客户机模块。本实施例所述的服务器端、客户机端和计算资源监控端处在分布式的环境 中，可以通过局域网互联，也可以广域网互联，并遵循统一的通信协议，能够相 互通信和交换信息。在电力系统动态安全评估与预警仿真开始时，首先启动服务 器端从能量管理系统获取实时电力系统数据，并通过客户机端进行工作模式选择。 在线计算模式下，计算引擎客户机向计算资源监控端提交在线计算任务，计算资 源监控端根据计算引擎服务器状况和计算任务特点进行计算任务调度，其任务调 度结果返回到各计算引擎服务器执行，各计算引擎服务器根据数据库服务器数据 和任务调度结果进行在线计算，并将实时计算状态返回到计算引擎客户机的状态 监测模块，计算完成后计算引擎服务器将结果提交网页服务器进行发布，以便客 户机端结果査看模块通过计算机网络査看计算结果。在离线计算模式下，计算引 擎客户机从服务器端的数据库服务器获得离线计算数据并向计算资源监控端提交 离线计算任务，计算资源监控端根据计算引擎客户机状况和计算任务特点进行计 算任务调度，其任务调度结果返回到各计算引擎客户机执行，各计算引擎客户机 根据数据映射模块的数据和任务调度结果采用离线分析工具对电力系统脆弱性进 行分析，并通过网页向网页服务器提交离线分析结果。本实施例采用模块化的方式分别从网络拓扑层和基础设施层对电力系统进 行动态安全评估与预警。在网络拓扑层，评价电力系统脆弱性的指标包括网络抗 毁性、网络可用性和网络承载量三个方面。其中网络抗毁性是指在拓扑结构完全 确定的网络中，在网络受到外界攻击破坏的情况下，网络能够保持连通的能力， 常用的指标有网络连接度和网络粘聚度；网络的可用性是描述网络在外部资源可 用的条件下，在规定时间内的任何时刻，处于能执行所需能量流功能的能力，即 网络的可利用能力，该指标以网络可用度来定量衡量；衡量网络承载量的指标主 要有节点对之间的最大流容量，节点对之间可用度最大的线路阻抗及流量，节点对之间的最短路径阻抗及流量，这些指标能反映在应急状态下，电力系统所能 承受的最大能量流、应急能量流最安全的传输路线及最小的传输费用等。在基础 设施层，评价电力系统脆弱性的指标包括节点可用性、线路可用性和机组可用性 三个方面。其中节点可用性指标主要包括安全完成能量流率、最大吞吐量和饱和 度；线路可用性指标主要包括线路的最大理论传输能力，线路完好率，可用度， 阻抗等；作为能量流的产生、变换和消耗等机组设备的可用性指标主要包括最大 承载量、安全性能等。本实施例提出了一种可扩展的计算资源监测和计算任务调度模型，以该模型 为核心，采用分布式系统对计算引擎服务器和计算引擎客户机进行状态监测，结 合计算任务特点进行任务优化调度。在该模型中，通过在服务器端和客户机端之 间增加计算资源监控端，对计算资源进行监测和性能预测，从而实现分布式计算 环境下不同计算引擎服务器和计算引擎客户机之间的通信以及计算任务优化调 度。对计算资源的监测可以采用独立的计算单元，也可以由服务器端或客户机端 计算单元兼任，具有较大灵活性。计算资源性能预测模块根据计算资源监测模块 的历史数据进行回归分析，并预测未来时刻计算资源的性能状况，作为计算任务 调度模块的参考。计算任务调享模块根据当前计算资源性能预测模块的状态信息 和给定计算任务特点进行任务调度，以充分发挥计算资源的计算潜力。本实施例提出了一种灵活可定制的仿真框架，针对不同的仿真环境及应用需 求特征选择合适的工作模式和仿真模块进行电力系统动态安全评估与预警。在线 计算模式下，客户机端提供远程任务提交入口，计算任务由计算能力较强的服务 器端并行化计算引擎服务器负责，而计算能力较弱的客户机端并行化计算引擎客 户机仅需监测计算状态，并通过网页给出结果查看报告；离线计算模式下，客户 机端除了提供用户交互的接口，其并行化计算引擎客户机直接负责计算任务的执 行，计算结果通过网页及时发布。客户机端还提供了辅助服务功能模块，作为用 户定制其他工作模式或计算服务类型的可扩展接口 。服务器端计算引擎服务器的 核心计算模块以及客户机端计算引擎客户机的离线分析模块均采用模块化结构， 在网络拓扑层，可以选择网络抗毁性、网络可用性和网络承载量指标进行脆弱性 分析；在基础设施层，可以选择节点可用性、线路可用性和机组可用性等评价指 标。综上所述，本实施例提供了一种支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展 分布式系统，实现了对电力系统各种脆弱性指标的分析，提高了电力系统安全评 估效率，保障电力系统安全稳定运行，具有重要的现实意义。
权利要求
1. 一种支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布式系统，包括服务器端、客户机端和计算资源监控端，其特征在于服务器端从能量管理系统获得实时电力系统数据并存入数据库服务器，数据库服务器的数据资源分两路送出，一路送到计算引擎服务器，另一路送到计算引擎客户机离线计算的数据映射模块，服务器端计算引擎服务器计算资源数据直接输入到计算资源监控端，客户机端一方面与服务器端相连进行双向数据交换，另一方面通过与计算资源监控端相连实现数据双向传输，计算资源监控端分别与服务器端和客户机端相连进行双向数据交互。
2、 根据权利要求1所述的支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布 式系统，其特征是，所述的服务器端包括三个子模块数据库服务器、并行化计 算引擎服务器和网页服务器，数据库服务器从能量管理系统获得实时电力系统数 据，处理后的数据连接到并行化计算引擎服务器进行双向数据交换，并行化计算 引擎的计算结果作为网页服务器的输入。
3、 根据权利要求1所述的支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布 式系统，其特征是，所述的客户机端包括两个子模块并行化计算引擎客户机和 辅助服务功能模块，在线计算模式下，并行化计算引擎客户机通过相连的计算资 源监控端获得计算引擎服务器的信息；离线计算模式下，并行化计算引擎客户机 通过相连的计算资源监控端获得计算引擎客户机的信息。辅助服务功能模块主要 完成其他一些辅助计算服务。
4、 根据权利要求1所述的支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布 式系统，其特征是，所述的计算资源监控端包括四个子模块计算资源监测、计 算资源数据库、计算资源性能预测和计算任务调度，计算资源监测模块一方面从 服务器端获得计算弓I擎服务器信息，另 一方面从客户机端获得计算引擎客户机信 息，其计算资源监测结果存入计算资源数据库，计算资源数据库对数据进行处理 后作为计算资源性能预测的输入信号，计算资源性能预测模块将预测结果输入计算任务调度模块，计算任务调度模块根据计算资源性能预测结果进行计算任务调度，其结果分别送到并行化计算引擎服务器模块和并行化计算引擎客户机模块。
5、 根据权利要求2所述的支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布 式系统，其特征是，所述的并行化计算引擎服务器由若干计算引擎服务器组成，每个计算引擎服务器包括六个子模块网络抗毁性、网络可用性、网络承载量、 节点可用性、线路可用性和机组可用性，其中网络抗毁性、网络可用性和网络承 载量三个子模块从网络拓扑层对电力系统进行脆弱性分析，而节点可用性、线路 可用性和机组可用性从基础设施层对电力系统进行脆弱性分析。
6、 根据权利要求3所述的支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布 式系统，其特征是，所述的并行化计算引擎客户机由若干计算引擎客户机组成， 每个计算引擎客户机分为在线计算和离线计算两种工作模式，在线计算模式下，计算引擎客户机包括三个子模块任务提交、状态监测和 结果査看，任务提交模块提供在线计算的远程任务提交入口，任务提交模块将计 算任务送到服务器端和计算资源监控端，并连接到状态监测模块进行计算任务状 态监测，结果查看模块根据状态监测情况进行结果显示；离线计算模式下，计算引擎客户机包括三个子计算模块数据映射、离线分 析和结果发布，数据映射模块从服务器端获得离线分析数据并映射到本地计算引 擎客户机，映射后的数据作为离线分析模块的输入，离线分析模块根据数据映射 模块的结果进行离线分析，其结果直接输出到结果发布模块，结果发布模块根据 离线分析模块的计算结果通过计算机网络将结果及时发布。
全文摘要
一种支持电力系统动态安全评估与预警的可扩展分布式系统，包括服务器端、客户机端和计算资源监控端，服务器端从能量管理系统获得实时电力系统数据并存入数据库服务器，数据库服务器的数据资源分两路送出，一路送到计算引擎服务器，另一路送到计算引擎客户机离线计算的数据映射模块，服务器端计算引擎服务器计算资源数据直接输入到计算资源监控端，客户机端一方面与服务器端相连进行双向数据交换，另一方面通过与计算资源监控端相连实现数据双向传输，计算资源监控端分别与服务器端和客户机端相连进行双向数据交互。本发明可以从电力系统获得实时系统数据进行动态安全评估，以便及时发现问题，并给出预警控制策略。
文档编号G06Q50/00GK101266665SQ200810036848
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者正 严, 丽 李, 王兴志, 石恒初, 栋 谢 申请人:上海交通大学