一种用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法
【专利摘要】本发明提供一种用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，包括以下步骤：基于网络主拓扑结构进行网络分割；将网络分层分区；边界系统拓扑和子网全拓扑；子网变化拓扑；与机电暂态实时仿真集成；拓扑变化后，进行网络求解。本发明提供的用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，采用基于MPI的并行计算结构，拓扑效率得以提高，状态变化元件采用局部导纳阵修改，局部因子分解技术提高计算速度，且变化拓扑只对本子网内元件变位的电压等级进行拓扑，缩小搜索范围，提高效率。
【专利说明】—种用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种拓扑方法，具体讲涉及一种用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法。
【背景技术】
[0002]电力系统机电暂态仿真是指使用时域仿真的方法研究电力系统的机电暂态稳定性，即电力系统受到大干扰后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。电力系统机电暂态仿真在电力系统设计、规划、运行和调度等方面有广泛的应用，是分析电力系统运行稳定性和动态性能的有效工具。
[0003]随着电力系统的迅速发展，电网的规模日益扩大。对电力系统仿真规模的要求逐步提高。机电暂态仿真软件必须适应系统规模的增长，具备直接模拟大规模电网，进行实时仿真的能力。所谓机电暂态实时仿真就是要求软件的计算速度能与实际电网物理动态过程严格同步的仿真过程。具备实时仿真能力的机电暂态仿真软件能够接入实际物理设备和控制装置，因此对电力系统控制设备、稳控策略等的校验验证、闭环测试以及参数整定等具有实际意义。
[0004]提高机电暂态仿真速度除了升级计算机硬件设备之外，就是设计精度满足要求的快速算法，并行计算技术是提高计算速度的手段之一。一种大规模电力系统机电暂态并行仿真的方法就是将大电网划分为几个相互不联系的子电网与边界系统，然后由不用的计算机CPU承担各个子网的计算任务，由此提高仿真计算速度。
[0005]电力系统网络拓扑分析是电力系统高级应用分析程序的公用模块，其基本功能是根据电网开关状态(开合)和网络元件状态(投退)由电网的物理接线模型产生计算母线模型，并将有电气联系的母线集合化为电气岛。电力系统网络拓扑分析要求必须可靠快速，并且易于应用。
[0006]常用的网络拓扑分析方法可分为两大类:1)基于自乘矩阵和邻接矩阵的方法；2)基于图搜索的方法，包括深度优先和广度优先。前者分析速度较慢，目前应用较多的是后者。
[0007]基于图搜索的电力系统网络拓扑分析分为两个基本步骤:
[0008](I)电压等级母线分析:根据开关的开断状态和元件的退出/恢复状态，由节点模型形成母线模型。功能是分析某一厂站的某一电压级内的节点由闭合开关联接成多少个母线，其结果是将某个电压等级被划分为若干个母线。
[0009](2)系统网络分析:分析整个电网的母线由闭合支路(如交流线、变压器线圈等)联接成多少个子电网，每个子电网是有电气联系的母线的集合，也称电气岛，计算过程中依此形成网络方程组。电压等级母线分析的基本算法采用“堆栈”原理，即从一个节点出发，利用一个堆栈存放有中间分支的节点，沿某条路径向前搜索，把闭合开关连接在一起的节点划分为一个母线；再从另一个未划分母线号的节点出发，采用同样的方法搜索，直到所有节点都分配母线号。系统网络分析与电压等级母线分析的过程一致，只是将节点换为母线，将开关换为两端支路(变压器、线路等)。
【发明内容】
[0010]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，采用基于MPI的并行计算结构，拓扑效率得以提高，状态变化元件采用局部导纳阵修改，局部因子分解技术提高计算速度，且变化拓扑只对本子网内元件变位的电压等级进行拓扑，缩搜索范围，提闻效率。
[0011]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0012]本发明提供一种用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，所述方法包括以下步骤:
[0013]步骤1:基于网络主拓扑结构进行网络分割；
[0014]步骤2:将网络分层分区；
[0015]步骤3:边界系统拓扑和子网全拓扑；
[0016]步骤4:子网变化拓扑；
[0017]步骤5:与机电暂态实时仿真集成；
[0018]步骤6:拓扑变化后，进行网络求解。
[0019]所述步骤I包括以下步骤:
[0020]步骤1-1:基于网络主拓扑结构将网络划分为子网和边界系统，完成网络分割；
[0021]所述电网主拓扑结构中，所有开关闭合，且所有元件均处于投入运行状态；
[0022]步骤1-2:主控进程分发子网数据到相应子网进程；
[0023]步骤1-3:各个子网进程从主控进程接收子网进程数据。
[0024]所述步骤2中，主控进程和各个子网进程将网络分为多个分区，每个分区划分为厂站、交流线和直流线；厂站分为变压器和电压等级，电压等级分为开关/刀闸、发电机、电容/电抗、物理母线、负荷和节点。
[0025]所述步骤3包括以下步骤:
[0026]步骤3-1:边界系统数据存放在主控进程中，只有节点和联络支路，边界系统拓扑完成后，形成边界节点和边界母线的对应关系，发送到各个子网进程；
[0027]步骤3-2:各子网从网络主拓扑结构母线号列表中移除边界母线，结合开关状态、元件连接状态为每个节点组分配母线号；如果节点组中不存在边界节点，结合网络主拓扑结构母线号列表分配母线号；否则，则该节点组被划分为对应的边界母线；
[0028]步骤3-3:如果节点组遍历过程中遇到不同的边界母线号，则自动修正为第一次遇到的边界母线号，并记录修正过程中节点和母线号对应关系，电压等级母线分析结束后，发送到主控进程修正边界系统的拓扑关系。
[0029]所述步骤4包括以下步骤:
[0030]步骤4-1:各个子网进程读取本子网开关的变位信息；
[0031]步骤4-2:根据开关所在电压等级形成变化电压等级列表；
[0032]步骤4-3:在变化电压等级范围内进行拓扑；
[0033]步骤4-4:变化拓扑结束后，通过消息传递编程模型MPI收集每个子网进程中变化的边界节点和边界母线映射关系到主控进程；[0034]步骤4-5:更新边界系统拓扑；
[0035]步骤4-6:提交元件连接状态的变化信息到机电暂态实时仿真子进程，如果边界系统联络线有拓扑变化，由主控进程处理边界系统的拓扑变化。
[0036]所述步骤5包括以下步骤:
[0037]步骤5-1:读取主控进程拓扑数据和各个子网全拓扑数据；
[0038]步骤5-2:读取主控进程网络潮流、零序数据和暂态稳定数据；
[0039]步骤5-3:主控进程分发拓扑数据给各个子网进程；
[0040]步骤5-4:主控进程分发暂稳计算数据；
[0041]步骤5-5:各个子网全拓扑，建立母线号映射关系，并更新暂态实时仿真中的母线号;
[0042]步骤5-6:暂态稳定初始化。
[0043]所述步骤6包括以下步骤:
[0044]步骤6-1:修改网络导纳矩阵；
[0045]网络拓扑结构变化情况包括新增支路或者并联元件、支路或者并联元件从电网中移除、支路或者并联元件发生母线编号变化；网络拓扑结构发生变化对网络导纳矩阵的修改体现为矩阵增加行列、矩阵行列不变和删除矩阵中相应的行列；
[0046]步骤6-2:因子矩阵的局部修改；
[0047]网络拓扑结构发生变化时，设原网络导纳矩阵A发生变化的部分为A A22，并在原网络导纳矩阵A的右下角，表示为:
【权利要求】
1.一种用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤1:基于网络主拓扑结构进行网络分割； 步骤2:将网络分层分区； 步骤3:边界系统拓扑和子网全拓扑； 步骤4:子网变化拓扑； 步骤5:与机电暂态实时仿真集成； 步骤6:拓扑变化后，进行网络求解。
2.根据权利要求1所述的用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，其特征在于:所述步骤1包括以下步骤: 步骤1-1:基于网络主拓扑结构将网络划分为子网和边界系统，完成网络分割； 所述电网主拓扑结构中，所有开关闭合，且所有元件均处于投入运行状态； 步骤1-2:主控进程分发子网数据到相应子网进程； 步骤1-3:各个子网进程从主控进程接收子网进程数据。
3.根据权利要求2所述的用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，其特征在于:所述步骤2中，主控进程和各个子网进程将网络分为多个分区，每个分区划分为厂站、交流线和直流线；厂站分为变压器和电压等级，电压等级分为开关/刀闸、发电机、电容/电抗、物理母线、负荷和节点。
4.根据权利要求1所述的用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，其特征在于:所述步骤3包括以下步骤: 步骤3-1:边界系统数据存放在主控进程中，只有节点和联络支路，边界系统拓扑完成后，形成边界节点和边界母线的对应关系，发送到各个子网进程； 步骤3-2:各子网从网络主拓扑结构母线号列表中移除边界母线，结合开关状态、元件连接状态为每个节点组分配母线号；如果节点组中不存在边界节点，结合网络主拓扑结构母线号列表分配母线号；否则，则该节点组被划分为对应的边界母线； 步骤3-3:如果节点组遍历过程中遇到不同的边界母线号，则自动修正为第一次遇到的边界母线号，并记录修正过程中节点和母线号对应关系，电压等级母线分析结束后，发送到主控进程修正边界系统的拓扑关系。
5.根据权利要求1所述的用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，其特征在于:所述步骤4包括以下步骤: 步骤4-1:各个子网进程读取本子网开关的变位信息； 步骤4-2:根据开关所在电压等级形成变化电压等级列表； 步骤4-3:在变化电压等级范围内进行拓扑； 步骤4-4:变化拓扑结束后，通过消息传递编程模型MPI收集每个子网进程中变化的边界节点和边界母线映射关系到主控进程； 步骤4-5:更新边界系统拓扑； 步骤4-6:提交元件连接状态的变化信息到机电暂态实时仿真子进程，如果边界系统联络线有拓扑变化，由主控进程处理边界系统的拓扑变化。
6.根据权利要求1所述的用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，其特征在于:所述步骤5包括以下步骤: 步骤5-1:读取主控进程拓扑数据和各个子网全拓扑数据； 步骤5-2:读取主控进程网络潮流、零序数据和暂态稳定数据； 步骤5-3:主控进程分发拓扑数据给各个子网进程； 步骤5-4:主控进程分发暂稳计算数据； 步骤5-5:各个子网全拓扑，建立母线号映射关系，并更新暂态实时仿真中的母线号； 步骤5-6:暂态稳定初始化。
7.根据权利要求1所述的用于大规模电网机电暂态实时仿真的并行拓扑方法，其特征在于:所述步骤6包括以下步骤: 步骤6-1:修改网络导纳矩阵； 网络拓扑结构变化情况包括新增支路或者并联元件、支路或者并联元件从电网中移除、支路或者并联元件发生母线编号变化；网络拓扑结构发生变化对网络导纳矩阵的修改体现为矩阵增加行列、矩阵行列不变和删除矩阵中相应的行列； 步骤6-2:因子矩阵的局部修改； 网络拓扑结构发生变化时，设原网络导纳矩阵A发生变化的部分为A A22，并在原网络导纳矩阵A的右下角，表示为:
【文档编号】G06F17/50GK103605852SQ201310601695
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】徐得超, 赵敏, 江涵 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院