一种大规模电力系统运行方式潮流转移比多核并行批处理方法
【专利摘要】本发明属于大电网安全校核和计算机领域，公开了一种大规模实际电力系统运行方式潮流转移比的多核并行批处理方法，以大系统分析工具为基础，采用深度优先搜索算法对系统的网络拓扑进行完整性检测，结合潮流结果合理性的自动判别以实现潮流转移比的批处理分析，基于Fork/Join的并行框架，按故障设置采用“分治模式”递归分解计算任务，实现大规模实际电力系统运行方式潮流转移比的多核并行批处理快速准确分析。本发明切实保证分析精度和效率，适用于实际大规模系统运行方式潮流转移比快速精确分析，在不增加额外投资的情况下能充分利用计算机多核资源并获得良好的并行性能，满足不同时间尺度运行方式安全校核分析要求，具有广泛应用前景。
【专利说明】-种大规模电力系统运行方式潮流转移比多核并行批处理 方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及大电网安全校核和计算机领域，更具体地，特别设及到一种大规模电 力系统运行方式潮流转移比多核并行批处理方法。 技术背景
[0002] 电网运行坚持"安全第一、预防为主"的方针。伴随国民经济不断增长，电力系统 规模日渐庞大，对电网安全、稳定和经济运行提出了更高要求。近些年，国内外大面积停电 事故频发，给社会和经济造成巨大损失。例如；1965年东北美大面积停电事故、1978年法国 大停电事故、2003年美国8. 14大停电事故、1990年广州大面积停电事故、1999年台湾地区 大停电事故、2012年印度大停电事故等。国内外不少学者对多起严重大面积停电事故原因 进行了深入分析，取得了大量研究成果，结果表明；绝大多数的大面积停电事故是由于部分 压极限边缘运行的输电网络遭遇故障而断开相关支路，引起潮流大面积转移，导致其他线 路过载，从而产生连锁反应，最终导致了大停电事故的发生。
[0003] 为了预防和杜绝此类重大事故发生，实际运行中不得不降低线路的传输功率，但 该样又不能充分发挥网络的传输效率。为了保证电网安全并兼顾经济效益，电网运行方式 需反复调整校核，进行大量超前的预想事故模拟仿真分析是十分必要的。在现行运行方式 潮流转移比分析中，需要逐一手动设置故障并潮流计算，从大量文本输出结果中筛选出关 注支路和断面的潮流，信息量大、工作繁琐且效率低，有时甚至无法计算，若基态潮流变化， 计算条件则需要全部重新设置。实际运行中也可采用系统等值的方法，但难W详细模拟全 网网架结构，分析精度不能保证。
[0004] 作为国家水电能源基地之一，云南电网已成为国家西电东送的主要输出端，网架 结构日益复杂，在保证南方电网区域互联、电网安稳运行方面作用显著，输电能力与负荷增 长的不匹配使得线路的功率输送裕度减少，外加西部大量小水电逐级集中送出W及复杂多 变的高原极端恶劣气候影响，可能造成大量走廊相近的线路或设备的多重严重故障，甚至 导致潮流大面积转移，电网稳定破坏的风险较大，方式制作时必须进行大量安全校核分析， 计算量大。W云南电网某月实际运行方式（计算网络包含南方电网五省电网数据）为例， 全网系统超过11000个节点，12000条支路（包含短连接开关支路）。
[000引 目前，已有较多关于潮流转移的理论研究和方法验证，但测试系统规模较小，对于 大规模实际系统运行方式尚无成熟运用的批处理精确求解工具，也未见采用多核并行技术 求解潮流转移比的相关报道。本发明可适于大规模系统运行方式潮流转移比的精确和快速 分析，满足不同时间尺度运行方式安全校核分析要求，具有广泛的应用前景。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题在于提供一种大规模电力系统运行方式潮流转移比多 核并行批处理方法，同时兼顾求解效率和结果精度，实现大规模电力系统潮流转移比的快 速精确求解，满足不同时间尺度运行方式安全校核分析要求。
[0007] 本发明采用的技术方案为；本发明揭示了一种大规模电力系统运行方式潮流转移 比多核并行批处理方法。
[000引按照下述步骤（1)-(5)实现运行方式潮流转移比的多核并行批处理分析计算。
[0009] (1)计算数据准备。采用java编程解析拟计算的电网运行方式（包含潮流计算文 件dat和稳定计算文件swi)，按照设备类型、区域、分区、电压等级进行分类并保存至数据 库，为并行批处理分析提供基础数据准备；
[0010] (2)基态潮流计算。读取步骤1保存至数据库的电网参数，在给定发电状态及负荷 水平等运行条件下，生成初始基态运行方式，调用PSD-BPA软件进行潮流计算，采用java编 程解析文本结果，得到各支路基态潮流值；
[0011] (3)转移比分析条件设置。按潮流转移比分析要求将条件设置分为两大类：一类 是潮流转移比普扫条件设置，设置内容包括故障类型（N-UN-2等）和扫描范围（区域、分 区、电压等级）。另一类是关键断面潮流转移比快速分析条件设置，设置内容包括故障类型、 故障断面W及关注的关键断面；
[0012] (4)构建化rk/Join多核并行环境和部署并行分析任务。按步骤3设置的分析条 件，按故障进行分类采用"分治模式"递归分解计算任务，将总任务分配在多个CPU内核上， 分别同时依次执行步骤4. 1、4. 2,实现计算子任务间的多核并行：
[0013] (4.1)网络拓扑完整性检测和故障状态潮流计算。从数据库中读取电网设备参 数，按分析条件进行故障设置，生成故障状态下运行方式，采用深度优先捜索算法（depth first searching, DF巧进行网络拓扑完整性检测。若检测完整，调用PSD-BPA软件进行故 障状态下的潮流计算，转至步骤4.2 ;若不完整，转至步骤5 ;
[0014] (4. 2)潮流转移比分析。解析故障后潮流计算文本结果，进行合理性判别。若合理， 得到故障后关注支路、断面的潮流新值，结合步骤2中计算得到的基态潮流值，进行潮流转 移比计算分析；若不合理，转至步骤5。
[0015] (5)结果总结。汇总各子任务计算结果，根据潮流转移比分析结果按潮流转移严重 程度由高到低排序，同时标记关键支路和断面。同时，可详细查看步骤4. 1中网络拓扑完整 性检测和步骤4. 2中结果合理性判别结果。
[0016] 与现有工作模式下运行方式潮流转移比分析相比，本发明兼顾求解效率和计算精 度，能够有效实现实际运行方式潮流转移比的快速精确分析，满足不同校核分析需求，具有 如下突出效果：
[0017] (1)求解效率高。将现有工作模式下人工故障设置、网络拓扑检测、潮流计算合理 性判别、结果处理等繁琐工作完全由程序自动实现，同时构建化rk/Join框架实现求解方 法的多核并行，进一步大幅提高了求解效率；
[0018] (2)计算精度高。本方法基于现有成熟的电力系统分析工具，整个计算过程中也未 设及模型简化或网络等值，保证了计算结果的精确性和可信度；
[0019] (3)灵活可扩展性强。随着未来电网网架规模的不断扩大，即使陆续会有大量新投 产的设备，文中所提方法也可实现运行方式自动解析并进行潮流转移比的快速准确分析， 并且计算速度基本不受影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是潮流转移比计算模型。
[0021] 图2是潮流转移比计算并行性分析。
[0022] 图3是任务分解与阔值控制方式示意图。
[0023] 图4是基于深度优先捜索算法值FS)的网络完整性检测流程图。
[0024] 图5是潮流计算合理性判别流程图。
[0025] 图6是潮流转移并行实现的执行框架。
[0026] 图7是多核环境下不同计算方案加速比与效率对比结果。
[0027] 图8是多核环境下不同计算方案加速比与效率对比结果。
【具体实施方式】
[002引本发明W求解运行方式潮流转移比为核屯、目标，图1 W简单3节点3支路网络发 生N-1开断故障为例，详细说明潮流转移比计算模型。
[0029] 初始基态下；Pli= P 1，P口= P 2, Pl3= P 3;
[0030] 故障状态下；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态，Pi'表示故障后。当 L3发生N-1开断故障，支路11、L2潮流转移比山、片2按下式计算：
[0032] fu= IPi，-Pil 今P3XIOO%
[003引 f^= |P2'-P2I 今P3XIOO%
[0034] 本发明实现了求解方法的多核并行，并行计算是指将一个复杂的较大规模任务分 解成两个或两个W上子任务，并将该些子任务按一定原则分配在不同的CPU内核上同时计 算，W缩短计算时间，提高求解效率，必须满足2个前提条件；一是同时计算的子任务之间 必须相互独立；二是计算机配置有多个CPU内核。一方面，潮流转移批处理分析计算中，需 要对预想故障逐一设置并进行潮流转移分析，如图2中所示W 3节点3支路简单网络N-1 开断故障潮流转移普扫为例，任意单一故障的网络参数设置、潮流计算、结果解析均是相互 独立的，满足子任务之间的相互独立性要求。另一方面，现如今多核处理器已成主流，无论 是服务器或工作站，还是个人电脑，多核CPU配置已十分普遍。因此，在现行日常工作环境 已有软件和硬件配置下，不必增加额外投资，实现潮流转移比的多核并行分析是可行的。
[0035] 本发明采用深度优先捜索算法值F巧实现网络拓扑完整性的检测，捜索流程如图 3中所示，其基本思路是W网络中任意节点V作为起始顶点，依次从V的未被访问的邻接点 出发，逐个深度优先遍历捜索，直至网络中和节点V有路径相通的节点都被访问，捜索过程 中标记已访问节点W避免重复捜索，若访问节点数与当前网络中有效节点数相同，那么说 明网络中所有节点相通，不存在孤立节点和孤岛区域；否则，说明网络中存在孤立节点或孤 岛区域，W任意未被访问节点为起始顶点，再次使用DFS算法进行深度优先遍历，直至网络 中所有节点均被访问过为止。如此递归遍历可W获得整个网络中所有的孤立节点或孤岛区 域。
[0036] 本发明实现了潮流计算合理性的自动判别，如图4中所示，判别原则为：计算中出 现W下任意情况，则认为潮流计算不合理。
[0037] (1)网络拓扑检测不完整；（2)潮流计算不收敛；
[003引 （3)潮流计算收敛，但迭代次数大于15次；
[0039] (4)平衡机机组出力越限；（5)节点电压越限；
[0040] 做支路越限；（7)变压器过载；
[0041] 若未出现上述任意情况，则认为潮流计算结果合理。
[0042] 本发明构建了基于化rk/Jion的并行框架，采用"分治模式"处理大量任务计算， 基本思想是将一个求解过程复杂的大规模问题，分解为多个规模较小、相互独立且可直接 求解的子任务，再通过求解并组合所有子任务的解，最终得到原问题的解。潮流转移并行实 现的执行框架如图5所示。它通过定义一个阔值来控制子任务的规模，当任务的计算规模 小于或等于阔值时，则停止任务分解，其控制方式示意图如图6中所示。若阔值过小，使递 归层数较深，则子任务数目较多，并行协调管理消耗较大；若阔值过大，则子任务数目较少， 串行执行时间较长，无法充分利用多核资源。因此，合适的阔值选择是并行设计的重要步 骤，为了避免资源闲置，阔值按下式设置；^ a
[0043] 其中，A表示阔值;m表示任务计算规模；符号「1表示取上整数；a表示CPU的 逻辑线程数。ForkAJoin初始默认创建与CPU逻辑线程数相同的计算线程，并采用线程池进 行管理，减少反复创建与关闭线程所占用的系统资源。一般地，计算机CPU内核数与逻辑线 程数相同，但若CPU处理器支持"超线程"技术（单个内核具有2个逻辑线程），CPU逻辑线 程数等于内核数的2倍。
[0044] 为了验证所本发明公开的运行方式潮流转移比的多核并行批处理方法的准确性 和求解效率，首先W新格兰10机39节点系统为算例，验证了方法的准确性，但由于系统规 模较小，并行效率不明显；然后再W云南电网某月实际运行方式为例，计算网络系统规模 大，并行效率明显，验证了方法的求解效率。
[0045] (1)编程语言与硬件配置
[0046] 采用java编程语言实现。测试运行主机类型为Dell Precision T1600Mini Tower, CPU 类型为 Inter(R)Xeon(R)CPU E31245@3. 30細z，4 核 8 线程。
[0047] 似并行性能指标
[0048] 采用目前普遍评价并行计算性能的两个重要指标；加速比Sp和效率Ep，其表达式 分别如下；Sp= T i/Tp;E p= S p/p
[0049] 其中Ti为单核（串行）环境下的计算时间；Tp为算法在p个内核环境下的运行时 间。一般情况下，Sp小于理想的加速比P，但在实际并行计算中，常出现"超线性加速比"现 象，即Sp大于P。
[0050] 图7为新英格兰10机39节点系统算例接线图及其节点编号，进行N-1开断故障 潮流转移普扫，逐一支路N-1开断故障后分析其他支路潮流转移情况。W节点2至节点25 支路L2_2g发生N-1开断故障为例说明，结果如表1所示。发生故障时，发电机节点37有功 出力完全只由L25_2e送出，不再经过L 2_3,所W，前者潮流有较大增加，后者潮流减少；为满足 节点3负荷需求，除少部分经由Lie_。的潮流略有增加之外，主要支路L 2e_27、Li7_27、Li7_18、L3_lg 潮流均增加较大，支路甚至出现了反向潮流。从实际结果中可W看出，并行计算结果 与串行结果基本完全一致，验证了本发明所提多核并行批处理方法的可行性和准确性。
[0051] 表2为云南电网某月实际运行方式的不同测试方案配置，分别在单核（串行）、2 核、4核不同环境下进行测试，并开启"超线程"技术，方案1为用户根据实际运行经验，自定 义关键支路和断面分析，校核支路较少；方案2-4为220kV及W上电压等级支路潮流转移普 扫，参与校核支路数为800条（包含短连接开关支路），则不同规模故障下需校核的支路总 数分别为 100X800 = 80000、200X800 = 160000、800X800 = 640000。计算结果如表 3 及 图8中所示，验证了本发明所提多核并行批处理方法的求解效率，结果分析如下：
[005引 （1)方案1相比于方案2,故障数相同，校核支路总数明显较少，计算时间却较长， 主要是因为本发明提出的并行设计是按故障划分子任务，单一故障下网架规模相同，计算 时间基本相同，但由于方案1是根据实际运行经验定义的故障设置，故障后运行方式仍能 保证潮流合理性，需进一步进行结果解析，方案2中部分故障后网架不完整或潮流结果不 合理，不必进行结果解析，方案1结果解析耗时比方案2较多。由此可见，计算时间主要与 故障总数有关，与校核支路总数关系较小，大规模系统下校核支路成倍增加也不会造成耗 时突增，有利于大范围批量普扫。
[005引 似同一方案不同内核环境下比较并行效果，可W看出，随着内核数的增加，计算 时间减少，加速比增加，效率降低。造成并行效率下降的主要原因是随着内核数的增加，线 程管理与通信、数据同步时变量重复定义导致占用内存的增加。
[0054] (3)方案1-4在2核环境下的加速比分别为；2. 04,2. 04,2. 08和2. 12,均大于理 想加速比。该是由于计算时开启了超线程技术，出现了 "超线性加速比"现象。
[0055] (4)在相同内核配置下，随着故障数和校核支路总数的增加，计算规模越大，耗时 更多，2核和4核加速比分别在2. 10和3. 20左右，并行效率分别在105. 0%和80. 0%左右， 加速比和效率相对稳定，并未随计算规模的显著增加而呈现明显的变化趋势。经反复测试 分析原因，主要是由PSD-BPA潮流计算程序固有特征决定的；BPA程序潮流计算为封装可执 行程序，同一运行方式不同故障下网架规模相同，调用BPA程序接口进行潮流计算耗时相 同。进一步分析单一子任务各阶段耗时所占比例，接口调用时间所占比重大。因此，各子任 务全程计算时间相差较小，不会随着计算规模的增加而变化，方案1-4单一故障任务计算 时间分别为 5. 91s、5. 38s、5. 98s、5. 53s。
[0056] 表1节点2至节点25支路N-1开断故障潮流转移比大于50%结果列表
[0057]
【权利要求】
1. 一种大规模电力系统运行方式潮流转移比多核并行批处理方法，其特征包括如下步 骤： (1) 计算数据准备：采用java编程解析拟计算的电网运行方式，包含潮流计算文件dat 和稳定计算文件swi ;按照设备类型、区域、分区、电压等级进行分类并保存至数据库，为并 行批处理分析提供基础数据准备； (2) 基态潮流计算：读取步骤（1)保存至数据库的电网参数，在给定发电状态及负荷水 平等运行条件下，生成初始基态运行方式，调用PSD-BPA进行潮流计算，采用java编程解析 文本结果，得到各支路基态潮流值； (3) 转移比分析条件设置：按潮流转移比分析要求将条件设置分为两类：一类是潮流 转移比普扫条件设置，设置内容包括故障类型和扫描范围；另一类是关键断面潮流转移比 快速分析条件设置，设置内容包括故障类型、故障断面以及关注的关键断面； (4) 构建Fork/Join多核并行环境和部署并行分析任务：按步骤（3)设置的分析条件， 按故障进行分类采用"分治模式"递归分解计算任务，将总任务分配在多个CPU内核上，分 别同时依次执行下述步骤（4. 1)和（4. 2)，实现计算子任务间的多核并行： (4. 1)网络拓扑完整性检测和故障状态潮流计算：从数据库中读取电网设备参数，按 分析条件进行故障设置，生成故障状态下运行方式，采用深度优先搜索算法DFS进行网络 拓扑完整性检测；若检测完整，调用PSD-BPA进行故障状态下的潮流计算，转至步骤（4.2); 若不完整，转至步骤（5); (4. 2)潮流转移比分析：解析故障后潮流计算文本结果，进行合理性判别；若合理，得 到故障后关注支路、断面的潮流新值，结合步骤（2)中计算得到的基态潮流值，进行潮流转 移比计算分析；若不合理，转至步骤（5); (5) 结果总结：汇总各子任务计算结果，根据潮流转移比分析结果按潮流转移严重程 度由高到低排序，同时标记关键支路和断面；同时，详细查看步骤（4.1)中网络拓扑完整性 检测和步骤（4.2)中结果合理性判别结果。
【文档编号】G06Q50/06GK104503827SQ201410714236
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】程春田, 罗彬 , 苗树敏, 李刚, 吴琛, 杨浚文 申请人:大连理工大学, 云南电力调度控制中心