一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法
【专利摘要】本发明提供一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，包括以下步骤：采用用户自定义方式进行继电保护和安全自动装置的建模；进行网络分割，并分发继电保护和安全自动装置模型；通信接口初始化；计算继电保护与安全自动装置模型输入输出量；继电保护和安全自动装置模型初始化计算；继电保护与安全自动装置模型输出量处理；进行电网和继电保护与安全自动装置模型的仿真计算。本发明采用基于消息传递编程模型MPI的并行计算结构，部署多个子网进程和外接进程，并行仿真电网和继电保护与安全自动装置；同时子网进程和外接进程可以部署在不同的计算机节点上；且采用面向对象设计实现大量继电保护和安全自动装置建模与仿真，使得仿真具有良好的扩展能力和适应性。
【专利说明】一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种仿真方法，具体涉及一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法。
【背景技术】
[0002]大规模电网的机电暂态仿真仍然是研究大电网连锁故障的重要手段之一。其主要过程是通过建立符合电网实际物理过程的电网模型和元件模型对电网的连锁故障模式进行模拟，计算分析出电网连锁故障的演变过程及其后果，并给出预防电网连锁故障扩展蔓延的措施等。
[0003]大规模电网的机电暂态仿真中对连锁故障仿真的难点在于电网中一些自动动作的装置特性的模拟，包括继电保护装置和安全自动装置。继电保护装置主要包括输电线路保护、发电机、变压器、母线保护和直流系统等。由于每种元件都有多种不同原理的主保护和后备保护，而且随着电网互联程度的加深，新型的继电保护装置装置层出不穷，所以，保护种类和原理的繁多和复杂性将是继电保护建模中的难点。安全自动装置主要有区域型安稳控制系统、就地型安稳控制系统、新型原理的解列装置、低压和低频减载等装置，是电网发生故障后的动态过程中对电网进行稳定控制的重要防线。
[0004]实际电网中无论是继电保护装置还是安全自动装置，数量规模庞大。如果对每一个模型均采用针对性的模型开发与编程，工作量巨大，工作周期长，而且不具备扩展性，实际中往往不为所用。在本发明中，采用用户自定义建模来完成大规模继电保护装置和安全自动装置的建模，并设计统一的仿真方法进行模型仿真。这样即解决了新增装置的建模仿真问题，又能保证建模过程的可扩展性和良好的维护性。
[0005]然而，采用用户自定义建模所搭建的继电保护和安自装置模型含有大量的基本功能框，以线路距离保护为例，常规距离保护在自定义建模框架下需要100个左右的基本逻辑功能框。对于整个电力系统，主保护、后备保护以及自动装置等，用户自定义模型数目十分庞大，导致在常规串行机电暂态仿真中计算缓慢，很长时间用户难以看到计算结果。
[0006]解决大量继电保护和安自装置仿真效率低下的一个重要手段就是采用并行计算技术。机电暂态并行仿真所用的网络分割方案将大电网分割成相互独立的子网和联络线系统，使每个子网可以在各自独立的CPU上并行计算，显著提高了效率。电网中的动态元件，包括继电保护和自动装置等，伴随着网络分割所形成的子网而自然解耦，本身就具有并行计算特性。另一方面，对于那些输入输出跨子网边界的继电保护和安自装置，可以集中放置在一个或者多个外接进程中，采用MPI通信与子网进程交换数据，共同完成大量继电保护和安自装置仿真计算的任务。
【发明内容】
[0007]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，采用基于消息传递编程模型MPI的并行计算结构，部署多个子网进程和外接进程，并行仿真继电保护与安全自动装置；同时子网进程和外接进程可以部署在不同的计算机节点上，可以利用计算机群的计算优势。
[0008]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0009]本发明提供一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，所述方法包括以下步骤:
[0010]步骤1:采用用户自定义方式进行继电保护和安全自动装置的建模；
[0011]步骤2:进行网络分割，并分发继电保护和安全自动装置模型；
[0012]步骤3:通信接口初始化；
[0013]步骤4:计算继电保护与安全自动装置模型输入输出量；
[0014]步骤5:继电保护和安全自动装置模型初始化计算；
[0015]步骤6:继电保护与安全自动装置模型输出量处理；
[0016]步骤7:进行电网和继电保护与安全自动装置模型的仿真计算。
[0017]所述步骤I包括以下步骤:
[0018]步骤1-1:定义基本功能框；
[0019]所述基本功能框包括微分框、积分框、代数运算框、逻辑函数框、线性控制据框和非线性控制框；
[0020]步骤1-2:定义所述基本功能框之间的拓扑；
[0021]基本功能框之间的连接公共点为端子，所述端子为输入量和输出量中的一种或两种；
[0022]步骤1-3:定义基本功能框构成图的不相交割集为组合功能框。
[0023]所述步骤2包括以下步骤:
[0024]步骤2-1:主控进程和各个外接进程分别读入继电保护与安全自动装置模型描述信息，所述主控进程同时读入电网计算数据、分网方案配置信息、继电保护与安全自动装置模型配置文件，并分发到n个子网进程；
[0025]步骤2-2:主控进程根据继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息以及分网方案配置信息，确定继电保护与安全自动装置模型所在子网，并将该继电保护与安全自动装置模型描述信息从主控进程分发到所在子网进程；
[0026]步骤2-3:各个子网进程接收各自子网的计算数据和所述继电保护与安全自动装置模型描述信息。
[0027]所述步骤3中的通信接口包括外接进程通信输入输出变量接口和子网进程通信输入输出变量接口 ；包括以下步骤:
[0028]步骤3-1:主控进程根据分网方案配置信息，获得继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息，并发送给各个外接进程；
[0029]步骤3-2:各个外接进程接收主控进程发送的继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息，并按照子网分类编号，发送给对应子网进程；
[0030]步骤3-3:各个子网进程接收本子网负责计算的继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息。
[0031]所述步骤4包括以下步骤:
[0032]步骤4-1:各个子网进程计算继电保护与安全自动装置模型输入量，并发送给相应的外接进程；
[0033]步骤4-2:各个外接进程接收继电保护与安全自动装置模型输入量。
[0034]所述步骤5包括以下步骤:
[0035]步骤5-1:各个继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图均为有向图，定义端子正方向为输入端子的方向，且定义按照端子正方向的继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图为正序图，按照端子反方向的继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图为逆序图，并根据正序图和逆序图采用深度优先算法确定传递函数框图的计算顺序；
[0036]步骤5-2:继电保护和安全自动装置模型两次计算中每个端子的最大差值小于设定精度时，则认为该计算收敛，完成继电保护和安全自动装置模型的初始化计算。
[0037]所述步骤6中，各个外接进程计算继电保护与安全自动装置模型输出量，通过所述外接进程通信输入输出变量接口发送到主控进程和各个子网进程，主控进程和各个子网进程接收外接进程发送的数据，并将该数据扰动反映到电网仿真过程中。
[0038]所述步骤I包括以下步骤:
[0039]步骤7-1:存储上一时步网络方程组和微分方程组的母线电压和状态量；
[0040]步骤7-2:各个子网进程求取继电保护与安全自动装置模型输入量，并发送给相关外接进程；
[0041]步骤7-3:各个外接进程求取继电保护与安全自动装置模型输出量，并发送给相关子网进程；
[0042]步骤7-4:各个子网进程求解本时步网络方程组和微分方程组，得到母线电压和状态量；
[0043]步骤7-5:如果两次迭代网络电压偏差小于设定精度，则完成本时步并行仿真，转到7-1开始下一时步并行仿真，否则转到7-2继续本时步迭代。
[0044]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0045]1、采用基于消息传递编程模型MPI的并行计算结构，可以部署多个子网进程和外接进程，并行仿真电网和继电保护和安全自动装置，同时子网进程和外接进程可以部署在不同的计算机节点上，可以利用计算机群的计算优势；
[0046]2、基于消息传递编程模型MPI通信接口的大规模继电保护和安全自动装置仿真方法，可以自动分发装置到子网进程，亦可指定特定的继电保护和安全自动装置在外接进程中仿真；
[0047]3、一个子网进程可以为多个外接进程提供输入数据，同样，一个外接进程也可以为多个子网进程提供输出数据，是多对多的关系，因此，对外接模型的部署没有限制；
[0048]4、采用面向对象设计实现大量继电保护和安全自动装置建模与仿真，使得继电保护和安全自动装置的仿真具有良好的扩展能力和适应性；
[0049]5、外接进程和子网进程之间的接口设计通信量小，具有较高的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]图1是继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法流程图；
[0051]图2是端子与基本功能框之间的关系图；
[0052]图3是基本功能框组成的割集示意图；[0053]图4是割集操作后形成的新的用户自定义模型图；
[0054]图5是功能框基类依赖关系图；
[0055]图6是功能框继承关系图；
[0056]图7是模型类依赖和集成关系图；
[0057]图8是子网进程与外接进程通信输入输出变量的连接关系流程图；
[0058]图9是外接进程与子网进程通信输入输出变量的连接关系流程图；
[0059]图10是拓扑结构中的正序图；
[0060]图11是拓扑结构中的逆序图；
[0061]图12是正序图DFS序列示意图；
[0062]图13是顶点出栈先后顺序图；
[0063]图14是逆序图DFS序列示意图；
[0064]图15是继电保护与安全自动装置模型的仿真计算流程图；
[0065]图16是子网进程求取继电保护与安全自动装置模型输入量与传送示意图；
[0066]图17是外接进程求取继电保护与安全自动装置模型输出量与传送示意图。
【具体实施方式】
[0067]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0068]本发明中用到的关键术语定义如下:
[0069]连锁故障电力系统大量的继电保护和安全自动装置之间存在紧密的配合关系，特别是相邻的装置之间。这种配合关系反映在各装置设定的反映电网运行状态的整定值上。由于反映电力系统运行状态的电气量间的相互关联，当某一故障发生时，可能使得电网运行状态等于或者超过某些装置的整定值，使之满足动作的条件，随之引发其他故障发生。这个过程称之为连锁故障。
[0070]继电保护一个或多个保护元件(如继电器)和逻辑元件按要求组配在一起、并完成电力系统中某项特定保护功能的装置。其基本任务是:当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
[0071]安全自动装置防止电力系统失去稳定性、防止事故扩大、防止电网崩溃、恢复电力系统正常运行的各种自动装置总称。如稳定控制装置、稳定控制系统、失步解列装置、低频减负荷装置、低压减负荷装置、过频切机装置、备用电源自投装置、自动重合闸、水电厂低频自启动装置等。
[0072]MPI (Message Passing Interface)是一种标准或规范的代表,是一种消息传递编程模型，并成为这种编程模型的代表，其目的在于服务于进程间通信。它定义了一组规范化的函数或者过程的集合，可以在多种编程语言中被调用，从而实现不同进程间的信息交互。MPI是实现并行计算的一种数据交换方式。
[0073]用户自定义建模是在不改变计算程序本身的条件下，由用户使用基本功能单元，自行设计、搭建各种系统元件和控制装置的过程。用户自定义建模原则上可以模拟多种系统元件和控制装置。用户自定义模型在本发明中简称W)，用户自定义建模简称UDM。
[0074]网络分割是为实现一种空间并行计算过程在空间上将被研究系统划分为相互没有关联的子系统以及联络子系统的任务划分过程。在电力系统中，网络分割将电网划分为相互没有联系的子电网以及少量的联络线，从而可以将这些子电网或者联络线的计算分配到不同的CPU上，执行并行计算，加快计算速度。
[0075]子网进程负责网络分割后形成的子网连锁故障仿真的MPI进程称为子网进程。子网进程数目等于网络分割方案对应的分网数目。子网进程中进程号为0的进程又被称为主控进程。
[0076]外接进程负责输入和输出量跨子网的用户自定义模型以及用户指定必须有非子网进程计算的用户自定义模型的MPI进程。外接进程可以有多个，每个外接进程根据用户需要计算一部分用户自定义模型。
[0077]外接模型或者外接装置具体指需要在外接进程中完成仿真计算的模型或者装置。外接模型或者装置的输入输出来源于子网进程，需要通过MPI接口从子网进程获得输入或者发送输出信息。
[0078]本发明基于MPI，实现了一种基于用户自定义建模的含有大量继电保护和安全自动装置的连锁故障并行仿真系统。首先按照用户自定义建模方法，完成大量继电保护装置和安全自动装置建模；然后根据大电网连锁故障并行仿真的网络分割方案，确定每个继电保护和安全自动装置的输入和输出所属的子网，并最终确定这些装置所属子网。对于输入和输出属于同一个子网的装置，由该子网进程负责计算，对于输入输出跨子网的装置以及用户指定进程的装置，由外接进程负责计算。完成所有继电保护和安自装置仿真的任务分配后，数据被提交到并行集群上，执行连锁故障的并行仿真。由于子网进程和外界进程由不同的CPU并行计算，程序效率得以提高，并能最终能在用户可接受的时间范围内完成大电网的连锁故障仿真。
[0079]本发明中，并行计算的进程类型分为两类。一类是子网进程，负责联络系统或者某一个子网的连锁故障仿真。进程号为0的进程称为主控进程，负责数据装载、联络系统计算以及本子网的仿真计算，如附图1中中间列。其他子网进程负责各自子网的仿真。另一类是外接进程，负责用户指定的继电保护和安全自动装置(以下简称装置)的仿真计算，根据用户的指定情况，可以有多个外接进程。
[0080]如图1，本发明提供一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，所述方法包括以下步骤:
[0081]步骤1:实际电网中无论是继电保护装置还是安全自动装置，数量规模庞大。如果对每一个装置均采用针对性的建模、模型开发与编程，则工作量巨大，工作周期长，而且不具备扩展性，实际中往往不为所用。采用用户自定义方式进行继电保护和安全自动装置的建模；这样即解决了新增装置的建模仿真问题，又能保证建模过程的可扩展性和良好的维护性。
[0082]步骤2:进行网络分割，并分发继电保护和安全自动装置模型；
[0083]步骤3:通信接口初始化；
[0084]步骤4:计算继电保护与安全自动装置模型输入输出量；
[0085]步骤5:继电保护和安全自动装置模型初始化计算；
[0086]步骤6:继电保护与安全自动装置模型输出量处理；
[0087]步骤7:进行电网和继电保护与安全自动装置模型的仿真计算。[0088]所述步骤I包括以下步骤:
[0089]步骤1-1:定义基本功能框；
[0090]基本功能框是用户自定义建模的最小功能单元。根据自动控制系统组成和常用的基本运算功能，基本功能框包括微分框、积分框、代数运算框、逻辑函数框、线性控制据框和非线性控制框；这些基本运算函数功能框之间既具有共性也具有个性。就其共性:对于所有的功能框，都有输入变量、输出变量、参数和函数运算功能；就其个性:对于每一个功能框个体，其具体的输入/输出变量个数、数值和具体的函数运算功能各不相同。
[0091]步骤1-2:定义所述基本功能框之间的拓扑；
[0092]基本功能框之间的连接公共点为端子，所述端子为输入量和输出量中的一种或两种；如基本功能框之间的端子既是前一个功能框的输出量，又是后一个功能框的输入量。基本功能框和端子的关系可用附图2表示；功能框1，2，3之间有两个端子，分别是I和2。2号端子是I号框的输出，同时是2,3号框的输入。
[0093]步骤1-3:定义基本功能框构成图的不相交割集为组合功能框；组合功能框可以看成一个抽象的基本功能框。和基本功能框一样，组合功能框具有输入量和输出量。
[0094]图3中2、3、10、11四个基本功能框组成图中一个割集，形成组合功能框A，8、9两个基本功能框组成图中与A不相交的一个割集，形成组合功能框B。割集操作后形成新的用户自定义模型图4，图3和图4在功能上是等价的。提出组合功能框的意义在于可将一些基本功能框组合成常用的功能框，保存成用户自定义模型库，从而便于模型的复用与扩展，方便用户自定义建模。
[0095]结合上述的用户自定义建模过程中的步骤1-1、步骤1-2和步骤1-3，本发明采用面向对象的软件开发方法实现继电保护和安全自动装置的建模过程。面向对象的继电保护和安全自动装置设计采用UML图形描述，见图5、图6和图7。
[0096]图5描述了继电保护和安全自动装置的基本组成要素的依赖关系，包括参数类(UDParameter )、端子类(UDTerminal)和基本功能框类(UDBaseFunc )。参数类描述的是模型中如时间常数、定值等装置属性，这些数值往往用来表征装置中某些环节的动态响应速度、阈值等，属于装置静态的参数，一般在仿真计算之前已经设定好，而在仿真计算过程中不能更改。端子类描述的是装置中信号传递路径，在物理上可以看作是装置中信号的连接通道，诸如信号插针之间的导线等等，在图形上则体现了装置中各种器件之间的拓扑。基本功能框可以看作是装置中的各种功能器件的抽象，如装置中的输入模块、信号放大模块、滤波丰吴块等。
[0097]图6描述了装置中功能器件之间的关系。处于顶层的是对功能器件外部特性的抽象，它包含有基本功能框连接外部的端子集合，另外还具有功能元件一些公共的功能，如初始化、设定参数、响应等。从装置的物理属性上看，端子集合可以理解为器件外部的接线排，它将器件内部的各种信号引出到需要该信号的器件上；初始化可以理解为装置充电趋于平稳的过程；响应则是输入端子排收到扰动信号后，器件过渡到另一个状态的过程。所有其他功能框均可继承该基本功能框的属性与功能，如加法元件类(ADD)、积分元件类(INTG)、限制元件类(UMIT)等。
[0098]图7从装置(或者模型)的角度描述了各个抽象类之间的依赖与继承关系。装置(或者模型)米用UDModel类来描述。一方面，它本身也是一个功能兀件，具备基本功能框的一切属性，所以基本功能框类(UDBaseFunc)是其父类。另一方面，它还兼具有管理它所包含的功能框、端子以及参数等的能力，所以聚集有参数(UDParameter)集合、端子(UDTerminal)集合和基本功能框(UDBaseFunc)集合。
[0099]由于模型类UDModel所具有的抽象功能，因此可以将多个有拓扑连接的基本功能框组合到一起，组成一个新的功能框，称之为组合功能框，如图3和图4所示。组合功能框依然可以用UDModel类来描述，它的输入集合是原装置传递函数框图中组合功能框部分割集的输入合集，输出则是这个割集的输出合集。附图3和图4描述了组合功能框的输入输出和原始传递函数图的关系。
[0100]所述步骤2包括以下步骤:
[0101]步骤2-1:主控进程和各个外接进程分别读入继电保护与安全自动装置模型描述信息，所述主控进程同时读入电网计算数据、分网方案配置信息、继电保护与安全自动装置模型配置文件，并分发到n个子网进程；
[0102]步骤2-2:主控进程根据继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息以及分网方案配置信息，确定继电保护与安全自动装置模型所在子网，并将该继电保护与安全自动装置模型描述信息从主控进程分发到所在子网进程；
[0103]步骤2-3:各个子网进程接收各自子网的计算数据和所述继电保护与安全自动装置模型描述信息。
[0104]所述步骤3中的通信接口包括外接进程通信输入输出变量接口和子网进程通信输入输出变量接口；
[0105]从子网进程角度看，其与外接进程通信输入输出变量的连接关系如图8 ；
[0106]子网进程设置了 3个变量数组，分别为:
[0107]I)元件存储唯一位置，用于存放外接进程输入输出变量的地点，以便于仿真计算时能快速定位元件信息所存储的位置；
[0108]2)变量类型；用户存放变量的分类信息，如电压、电流、功率或者其他类型的变量。这些变量类型信息是根据电网运行特点事先约定好的，用于表征电网运行规律和特征的状态息。
[0109]3)变量值；为仿真时的运行值。
[0110]Nil (Nol), Ni2(No2), Ni3(No3)分别为子网进程输出输入变量的总数，该数值由外接进程根据外接模型输入输出定义统计出并传送给子网进程。
[0111]外接进程设置了 I个总的输入输出变量数组，附图8中称为输入输出变量值。当图中跨两虚线框带箭头线箭头朝下时，表示为外接进程的输入，向上表示为外接进程的输出，这两箭头的通信数据交换由MPI接口实现。为了在子网进程和外接进程的变量值数组间快速定位，在外接进程中维护I个变量顺序映射数组，负责维护从子网进程变量值数组顺序映射到外接进程总变量值数组顺序。这个对应关系数组在图中较小的箭头表示。
[0112]需要说明的是，图中各种数组，包括数值和变量类型信息，无论在子网进程还是外接进程中，都是两组，一组为输入，另一组为输出。以上图例说明，外接进程和子网进程的关系是一对多的关系。
[0113]从外接进程的角度来看，其与子网进程通信输入输出变量的连接关系如图9 ；
[0114]在附图9中，子网进程输入输出变量与外接进程的关系与附图8类似。子网进程为多个外接进程提供服务，并按照进程顺序进行排列。发送给外接进程后，按照外接进程建立的每个子网变量到总变量数组的映射关系，完成外接进程的输入输出变量的数据交换。
[0115]步骤3包括以下步骤:
[0116]步骤3-1:主控进程根据分网方案配置信息，获得继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息，并发送给各个外接进程；
[0117]步骤3-2:各个外接进程接收主控进程发送的继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息，并按照子网分类编号，发送给对应子网进程；
[0118]步骤3-3:各个子网进程接收本子网负责计算的继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息。
[0119]所述步骤4包括以下步骤:
[0120]步骤4-1:各个子网进程计算继电保护与安全自动装置模型输入量，并发送给相应的外接进程；
[0121]步骤4-2:各个外接进程接收继电保护与安全自动装置模型输入量。
[0122]所述步骤5包括以下步骤:
[0123]步骤5-1:各个继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图均为有向图，定义端子正方向为输入端子的方向，且定义按照端子正方向的继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图为正序图(如图10)，按照端子反方向的继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图为逆序图(如图11)；
[0124]正序图中DFS序列如图12，遍历过程中，按照不存在邻接点的顶点的出栈先后排序，如图13 ；
[0125]基于给出的出栈顺序，从最后一个出栈的顶点3出发对逆序图进行DFS，直至所有顶点都被遍历访问过，DFS序列如图14，每一次访问的顶点集就是该有向图的一个强连通分量。
[0126]基于形成的各个顶点集，对顶点集中顶点数大于2的强连通分量重新进行排序(按照正序图深度优先遍历的顺序排序)，得到的所有强连通分量如下:3 ；2 ；1 ；4 ；5 ；6 ;7、8、9、10、11、12、13、14。
[0127]该拓扑结构图最终的功能框计算序列为:3、2、1、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14。其中7、8、9、10、11、12、13、14是顶点数大于2的强连通分量，在初始化计算过程中需判断每时步计算输出是否收敛，并根据需要进行迭代。
[0128]步骤5-2:继电保护和安全自动装置模型两次计算中每个端子的最大差值小于设定精度时，则认为该计算收敛，完成继电保护和安全自动装置模型的初始化计算。
[0129]所述步骤6中，各个外接进程计算继电保护与安全自动装置模型输出量，通过所述外接进程通信输入输出变量接口发送到主控进程和各个子网进程，主控进程和各个子网进程接收外接进程发送的数据，并将该数据扰动反映到电网仿真过程中。
[0130]如图15，中间虚线左侧是子网进程的计算过程，其中n代表了仿真时步计数，K代表一个步长内代数方程与微分方程交替迭代的计数，但K等于0时，程序需要自动记录上一步长的状态变量仿真结果。G(.)，F(.)分别代表代数方程组和微分方程组。虚线右侧是外接进程的计算过程，当K等于零时，需要存储上一步的计算结果，否则，根据装置的输入，进行积分求解输出。[0131]步骤7包括以下步骤:
[0132]步骤7-1:存储上一时步网络方程组和微分方程组的母线电压和状态量；
[0133]步骤7-2:各个子网进程求取继电保护与安全自动装置模型输入量，并发送给相关外接进程；
[0134]附图16描述了外接进程输入变量求取与传送示意图，根据电网元件存储位置和变量对应的变量类型，子网进程求外接进程的输入变量值，并按外接进程发送给子网进程的顺序发送至外接进程，这个过程中，可能是多个子网进程发送给一个外接进程，发送通信接口采用MPI通信接口。
[0135]但是，由于子网计算的外接进程装置的输入值是按照子网自身的输出顺序排列，而外接进程总的输入数组顺序是按照自身计算的装置排列的，因此，子网输出值到了外接进程中，其顺序和外接进程总的输入值数组顺序不再一致。解决办法是在初始化时在外接进程总输入值数组和子网输出数组间建立一个映射关系，以方便仿真计算时根据子网输出位置快速定位外接进程总输入变量数组位置。如图16椭圆圈圈住的箭头所示。
[0136]步骤7-3:各个外接进程求取继电保护与安全自动装置模型输出量，并发送给相关子网进程；
[0137]继电保护与安全自动装置模型输出量的处理如附图17所示，是图16的一个反向过程，不同的在于，映射数组维护的是外接进程输出总数组和子网进程输入数组的对应关系。同时，在子网进程内部，则需要根据元件存储位置和变量类型，确定外接模型输出在子网内扰动设置的位置。
[0138]步骤7-4:各个子网进程求解本时步网络方程组和微分方程组，得到母线电压和状态量；
[0139]步骤7-5:如果两次迭代网络电压偏差小于设定精度，则完成本时步并行仿真，转到7-1开始下一时步并行仿真，否则转到7-2继续本时步迭代。
[0140]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤1:采用用户自定义方式进行继电保护和安全自动装置的建模； 步骤2:进行网络分割， 并分发继电保护和安全自动装置模型； 步骤3:通信接口初始化； 步骤4:计算继电保护与安全自动装置模型输入输出量； 步骤5:继电保护和安全自动装置模型初始化计算； 步骤6:继电保护与安全自动装置模型输出量处理； 步骤7:进行电网和继电保护与安全自动装置模型的仿真计算。根据权利要求1所述的继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述步骤I包括以下步骤: 步骤1-1:定义基本功能框； 所述基本功能框包括微分框、积分框、代数运算框、逻辑函数框、线性控制据框和非线性控制框； 步骤1-2:定义所述基本功能框之间的拓扑； 基本功能框之间的连接公共点为端子，所述端子为输入量和输出量中的一种或两种； 步骤1-3:定义基本功能框构成图的不相交割集为组合功能框。
2.根据权利要求1所述的继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述步骤2包括以下步骤: 步骤2-1:主控进程和各个外接进程分别读入继电保护与安全自动装置模型描述信息，所述主控进程同时读入电网计算数据、分网方案配置信息、继电保护与安全自动装置模型配置文件，并分发到n个子网进程； 步骤2-2:主控进程根据继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息以及分网方案配置信息，确定继电保护与安全自动装置模型所在子网，并将该继电保护与安全自动装置模型描述信息从主控进程分发到所在子网进程； 步骤2-3:各个子网进程接收各自子网的计算数据和所述继电保护与安全自动装置模型描述信息。
3.根据权利要求3所述的继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述步骤3中的通信接口包括外接进程通信输入输出变量接口和子网进程通信输入输出变量接口 ；包括以下步骤: 步骤3-1:主控进程根据分网方案配置信息，获得继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息，并发送给各个外接进程； 步骤3-2:各个外接进程接收主控进程发送的继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息，并按照子网分类编号，发送给对应子网进程； 步骤3-3:各个子网进程接收本子网负责计算的继电保护与安全自动装置模型输入输出量信息。
4.根据权利要求4所述的继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述步骤4包括以下步骤: 步骤4-1:各个子网进程计算继电保护与安全自动装置模型输入量，并发送给相应的外接进程； 步骤4-2:各个外接进程接收继电保护与安全自动装置模型输入量。
5.根据权利要求1所述的继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述步骤5包括以下步骤: 步骤5-1:各个继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图均为有向图，定义端子正方向为输入端子的方向，且定义按照端子正方向的继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图为正序图，按照端子反方向的继电保护和安全自动装置模型的传递函数框图为逆序图，并根据正序图和逆序图采用深度优先算法确定传递函数框图的计算顺序； 步骤5-2:继电保护和安全自动装置模型两次计算中每个端子的最大差值小于设定精度时，则认为该计算收敛，完成继电保护和安全自动装置模型的初始化计算。
6.根据权利要求1所述的继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述步骤6中，各个外接进程计算继电保护与安全自动装置模型输出量，通过所述外接进程通信输入输出变量接口发送到主控进程和各个子网进程，主控进程和各个子网进程接收外接进程发送的数据，并将该数据扰动反映到电网仿真过程中。
7.根据权利要求1所述的继电保护与安全自动装置的连锁故障并行仿真方法，其特征在于:所述步骤7包括以下步骤: 步骤7-1:存储上一时步网络方程组和微分方程组的母线电压和状态量； 步骤7-2:各个子网进程求取继电保护与安全自动装置模型输入量，并发送给相关外接进程； 步骤7-3:各个外接进程求取继电保护与安全自动装置模型输出量，并发送给相关子网进程； 步骤7-4:各个子网进程求解本时步网络方程组和微分方程组，得到母线电压和状态量; 步骤7-5:如果两次迭代网络电压偏差小于设定精度，则完成本时步并行仿真，转到7-1开始下一时步并行仿真，否则转到7-2继续本时步迭代。
【文档编号】G06F9/455GK103605560SQ201310601733
【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】余晓鹏, 徐得超, 张振安, 李亚楼, 刘巍, 徐树文, 朱全胜, 夏天, 朱旭凯 申请人:国家电网公司, 国网河南省电力公司电力科学研究院, 中国电力科学研究院