一种基于并行算法的计算在线输电裕度的方法

摘要

本发明公开一种基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，所述方法包括如下步骤：由管理部分生成计算任务的控制文件；计算部分进行计算，并将计算结果返回；管理部分对计算结果进行分析，生成校核任务的控制文件；计算部分获取校核任务后，计算系统稳定性并将计算结果返回；管理部分对计算结果进行分析，以确定对校核故障系统都稳定的档位为输电裕度。本发明基于实际采集的电网实时数据，结合预先设定和基于安全稳定模式实时确定调整原则和方法，采用大规模并行计算处理技术对指定断面的输电裕度自动进行极限计算；以达到提高计算速度、真实反映电网实际情况的目的，用于更好指导电网的实际运行。

权利要求

1.一种基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)管理部分获取对计算故障的评估结果，根据EEAC量化分析理论计算所有发电机的参与因子，自动识别安全稳定模式下系统振荡机群，根据预先指定的机组确定调整模式，生成计算任务的控制文件；

2)计算部分获取计算任务后，从控制文件中读取机群信息、断面信息和断面功率需要控制的目标数值，根据计算任务文件中指定的调整原则和方法，调整系统各元件的运行状态使输电断面的功率达到指定的功率档位，计算该功率档位下计算故障的系统稳定性；计算完成后将计算结果返回管理部分；

3)管理部分对回收的所有档位的计算结果进行分析，判断系统输电裕度的功率档位；

根据断面的输电裕度和搜索下限，划分校核档位，生成校核任务的控制文件；

4)计算部分获取校核任务后，调整系统各元件的运行状态使输电断面的功率达到校核档位，计算此运行方式下校核故障的系统稳定性；计算完成后将计算结果返回；

5)管理部分对回收的所有档位的计算结果进行分析，确定对校核故障系统都稳定的档位为输电裕度。

2.如权利要求1所述的基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，其特征在于，所述计算在线输电裕度的方法为并行计算方法，所述并行计算方法分成两个阶段：搜索阶段和校验阶段。

3.如权利要求2所述的基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，其特征在于，所述搜索阶段包括如下步骤：

61)根据给定的断面传输功率搜索的上限和下限，分成N个档位，使用F个故障，从而形成多个计算任务；

62)将所述计算任务分配给计算节点进行计算；

63)回收计算的结果，交给管理程序进行汇总分析，找出断面输送功率的极限；

64)判断是否存在校验故障，如果存在，则进入程序进入校验阶段。

4.如权利要求3所述的基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，其特征在于，所述断面传输功率搜索的上限取断面N-1热稳定极限，下限取断面离线计算的极限下调两档的数值。

5.如权利要求3所述的基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，其特征在于，所述校验阶段包括如下步骤：

71)首先根据各个断面搜索出的极限结果、搜索下限和搜索步长，运用公式(1)计算各个断面的校核档位；

72)分成N个校核档位，使用F个校核故障，从而形成多个计算任务；

73)分配给计算节点进行计算，平台回收计算的结果，并交给管理程序；管理程序对所述平台回收的计算结果进行分析；

74)生成最终的计算结果，交给计算平台，同时通知平台结束整个裕度计算任务。

6.如权利要求3所述的基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，其特征在于，所述步骤62)中分配任务的方法，进一步包括如下步骤：

81)判断所述计算任务的数目是否大于可用计算节点的数目，如果大于，则跳至步骤

83)继续执行；

82)增大搜索空间较小的断面的搜索步长，减少断面档位数目，修正计算任务的数目使之小于等于可用计算节点数目，并结束分配任务的工作；

83)减少搜索空间较大的断面的搜索步长，增加断面档位数目，修正计算任务的数目使之接近可用计算节点数目，并结束分配任务的工作。

7.如权利要求5所述的基于并行算法的计算在线输电裕度的方法，其特征在于，所述步骤73)中分配任务的方法，如果计算任务的数目大于可用计算节点的数目，则依次对于每一个断面，从搜索出的断面极限开始，逐个向下分配计算节点，直至可用计算节点分配完成为止。

说明书

一种基于并行算法的计算在线输电裕度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电网稳定分析领域，尤指一种基于并行算法的计算在线输电裕度的方法。

背景技术

[0002] 输电裕度是指在特定的运行方式下、在保证系统发生预想事故后系统能够保持稳定运行的最大输送功率。输电裕度是系统输电能力的直接反映，针对实际的网络系统，自动计算重要输电断面的稳定裕度，对实际系统的运行具有重要的指导作用。 [0003] 现有电力系统实际运行过程中，输电裕度的计算主要采用基于典型运行方式、人工手动调整、利用电力系统离线仿真程序串行计算的。计算的主要步骤如下： [0004] 1、确定用于计算极限的典型运行方式。该典型方式是根据实际运行经验、设备投产情况等因素人工构建的模拟实际系统的数据集合，通常采用稳定情况比较严重的传输功率较大的运行方式；

[0005] 2、确定计算的输电断面、调整的原则等。输电断面通常是重要区域之间的、省之间或者重要的送电通道的线路，调整的原则包括调整的元件、调整的顺序等； [0006] 3、对所有的断面都重复进行如下的计算过程：

[0007] 按照确定的调整原则调整该断面的输电功率，将其调整为一个新的功率值，获取合理的潮流方式；

[0008] 对该潮流方式针对指定的多个故障、采用电力系统暂态稳定程序进行稳定计算分析，分析系统的稳定性；

[0009] 如果对所有的故障都能够保持稳定，则返回重新调整该输电断面的功率到一个更高的功率值；如果某一个或者多个故障失稳，则返回重新调整该输电断面功率为一个较低的功率值；

[0010] 直到调整到该断面的一个功率值满足所有的指定故障都能够稳定，再继续增加功率系统不能稳定，并且功率差值小于一定范围，认为已经达到功率极限。该功率值就是该输电断面的输电裕度。

[0011] 现有的输电裕度的计算方法存在以下问题：

[0012] 1、不能真实反映电网的实际情况

[0013] 现有输电裕度都是基于典型运行方式数据的基础之上进行调整的，和实际数据有一定的差别，不能反映实际运行的状态。计算的输电裕度一般都大于实际运行时断面的输电裕度，计算结果比较保守，经济性比较差；但有时也可能小于实际运行的输电裕度，结果比较冒进，带来安全性的隐患。

[0014] 2、对计算人员的要求比较高

[0015] 输电裕度的计算过程是一个不断调整的过程，需要计算人员具有较高的专业素质、较丰富的实际经验和较熟练的调整能力。

[0016] 3、计算速度较慢，耗费大量人力

[0017] 输电裕度需要对每个断面进行计算，计算过程中不断进行潮流数据调整和稳定计算，计算量比较大。而实际工作过程中采用单机串行的工作方式，计算的时间也比较长。 [0018] 发明专利内容

[0019] 本发明要解决的问题是提供一种基于大规模并行算法的计算输电断面在线输电裕度的方法。

[0020] 为了解决上述问题，本发明提供一种基于并行算法的计算在线输电裕度的计算方法，所述方法包括如下步骤：

[0021] 1)管理部分获取对计算故障的评估结果，根据EEAC量化分析理论计算所有发电机的参与因子，自动识别该安全稳定模式下系统振荡机群，根据预先指定的机组确定调整模式，生成计算任务的控制文件；

[0022] 2)计算部分获取计算任务后，从控制文件中读取机群信息、断面信息和断面功率需要控制的目标数值，根据计算任务文件中指定的调整原则和方法，调整系统各元件的运行状态使输电断面的功率达到该档位，计算该功率档位下计算故障的系统稳定性；计算完成后将计算结果返回管理部分；

[0023] 3)管理部分对回收的所有档位的计算结果进行分析，判断系统输电裕度的功率档位；根据断面的输电裕度和搜索下限，划分校核档位，生成校核任务的控制文件； [0024] 4)计算部分获取校核任务后，调整系统各元件的运行状态使输电断面的功率达 到校核档位，计算此运行方式下校核故障的系统稳定性；计算完成后将计算结果返回； [0025] 5)管理部分对回收的所有档位的计算结果进行分析，确定对校核故障系统都稳定的档位为输电裕度。

[0026] 本发明基于实际采集的电网实时数据，结合预先设定和基于安全稳定模式实时确定调整原则和方法，采用大规模并行计算处理技术对指定断面的输电裕度自动进行极限计算；以达到提高计算速度、真实反映电网实际情况的目的，用于更好指导电网的实际运行。 [0027] 说明书附图

[0028] 图1为本发明基于并行算法的计算在线输电裕度的系统结构示意图； [0029] 图2为本发所述基于并行算法的计算在线输电裕度的计算方法的流程图； [0030] 图3为实现图2中所述步骤1)的流程图；

[0031] 图4为实现图2中所述步骤2)的流程图；

[0032] 图5为实现图2中所述步骤3)的流程图；

[0033] 图6为实现图2中所述步骤4)的流程图；

[0034] 图7为本发明并行算法中搜索阶段算法的示意图；

[0035] 图8为本发明并行算法中校验阶段算法的示意图。具体实施例

[0036] 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

[0037] 如图1所示，其为本发明基于并行算法的计算在线输电裕度的系统结构示意图，由图中显示可知，所述系统包括：

[0038] 管理部分01，负责对计算任务进行分配，对计算节点返回的结果进行整理分析，生成新的计算任务和计算结果；

[0039] 计算部分02，负责将断面控制到指定的档位，使用稳定计算程序进行校核，生成计算的结果，并将计算节点全部计算任务的结果汇总成一个文件。

[0040] 又如图2所述，本发明所要求保据的基于并行算法的计算在线输电裕度的方法包括如下步骤：

[0041] 1)管理部分生成计算任务的控制文件；

[0042] 2)计算部分获取计算任务后进行计算，并将计算完成后将计算结果返回； [0043] 3)管理部分对计算结果进行分析，划分校核档位生成校核任务的控制文件； [0044] 4)计算部分获取校核任务后，进行调整，计算系统稳定性；计算完成后将计算结果返回；

[0045] 5)管理部分所有档位的计算结果进行分析，确定对校核故障系统都稳定的档位为输电裕度。

[0046] 进一步地，如图3所示，所述步骤1)还包括有如下步骤：

[0047] 11)管理部分获取对计算故障的评估结果；

[0048] 12)根据EEAC量化分析理论计算所有发电机的参与因子；

[0049] 13)自动识别该安全稳定模式下系统振荡机群；

[0050] 14)根据预先指定的机组确定调整模式；

[0051] 15)生成计算任务的控制文件

[0052] 其中，EEAC理论是建立在多机系统的实际受扰轨迹上，适用于多机系统的大扰动稳定性评估和任意参变量极限值的求取。

[0053] EEAC将评估空间从积分空间中分离出来。它先对多机空间中具有任意复杂模型和复杂场景的全部动态方程进行完整的数值仿真，再将全部的受扰轨迹以穷尽方式分解为互补的两群。对于每一种互补划分方式，用两群各自等值惯量中心的等值轨迹构成等值非自治两机相对运动的受扰轨迹。其采用的变换称为互补群中心相对运动变换(Complementary-Cluster Center-Of-Inertia Relative-Motion，缩写为CCCOI-RM)。该线性变换不但完整地保持了原多机运动空间的稳定信息，并且是一种严格的保稳变换。 [0054] EEAC完全不同于李雅普诺夫方法，它从电力系统实际受扰轨迹中直接提取系统稳定性的定性信息及定量信息，其要点是：

[0055] 建立在互补群相对运动和同群转子角加权均值概念上的CCCOI-RM映射保存了原多机系统的稳定性；

[0056] 将等面积法则扩展应用到各个映象平面上具有时变特性的映象OMIB系统，并求得后者的稳定极限条件；

[0057] 最危险的映象子系统的临界条件就是原多机系统的稳定极限条件。 [0058] 因此在多机积分精度的含义上，EEAC是分析电力系统稳定性的严格的量化方法。 [0059] 进一步地，如图4所示，所述步骤2)还包括有如下步骤：

[0060] 21)计算部分获取计算任务后，从控制文件中读取机群信息、断面信息和断面功率需要控制的目标数值；

[0061] 22)根据计算任务文件中指定的调整原则和方法，调整系统各元件的运行状态使输电断面的功率达到该档位；

[0062] 23)计算该功率档位下计算故障的系统稳定性；

[0063] 24)计算完成后将计算结果返回管理部分。

[0064] 进一步地，如图5所示，所述步骤3)还包括有如下步骤：

[0065] 31)管理部分对回收的所有档位的计算结果进行分析，判断系统输电裕度的功率档位；

[0066] 32)根据断面的输电裕度和搜索下限，划分校核档位，生成校核任务的控制文件。 [0067] 进一步地，如图6所示，所述步骤4)还包括有如下步骤：

[0068] 41)计算部分获取校核任务后，调整系统各元件的运行状态使输电断面的功率达到校核档位，计算此运行方式下校核故障的系统稳定性；计算完成后将计算结果返回计算部分获取校核任务后，调整系统各元件的运行状态使输电断面的功率达到校核档位； [0069] 42)计算此运行方式下校核故障的系统稳定性；

[0070] 43)计算完成后将计算结果返回。

[0071] 进一步地，在本发明的技术方案中并行计算方法是本方法的核心部分，该算法分成两个阶段：搜索阶段和校验阶段。

[0072] 所述搜索阶段算法如下图7所示，根据给定的断面传输功率搜索的上限和下限，分成N个档位，使用F个故障，这样每个断面形成N×F个计算任务，多个断面形成∑Ni×Fi个任务，分配给计算节点进行计算，回收计算的结果，交给管理程序进行汇总分析，找出断面输送功率的极限。至此完成极限搜索阶段，如果存在校验故障，程序进入校验阶段。断面传输功率搜索的上限取断面N-1热稳定极限，下限取断面离线计算的极限下调两档的数值。

[0073] 所述校验阶段算法如下图8所示，其建立在搜索阶段计算结果的基础之上。首先根据各个断面搜索出的极限结果、搜索下限和搜索步长，计算各个断面的校核档位； [0074]

[0075] 这样分成N个校核档位，使用F个校核故障，每个断面形成N×F个计算任务，多个断面形成∑Ni×Fi个任务，分配给计算节点进行计算，平台回收计算的结果，交给管理程序对前面的计算结果进行分析，生成最终的计算结果，交给计算平台，同时通知平台结束整个裕度计算任务。

[0076] 并行计算过程中主要进行机组出力调整，将断面潮流控制到指定数值，而后使用稳定程序进行计算，输出稳定校验的结果。基本计算过程如下：

[0077] (1)根据管理主进程给的任务号和当前所处的计算阶段号，从计算任务信息文件中提取计算任务的描述信息。

[0078] (2)从计算任务文件中提取所计算断面的信息、断面两侧机群及调整原则和方法、和故障；根据搜索范围、档位个数和当前任务的档位号，找出断面潮流的目标值； [0079] (3)断面潮流调节。初次启动潮流计算时，初始化断面的初始潮流、机组运行状态等等信息；而后对平衡机出力进行校验，如果出现运行在非允许范围，将对机组出力进行调整，找到合理为止；

[0080] (4)判断断面潮流是否达到目标值，如果没有达到，则调整断面两侧机组出力，重复前面的潮流调节环节的步骤(3)，直到达到控制点为止。

[0081] (5)稳定性校验。

[0082] (6)计算完成之后，输出计算结果，完成计算任务。

[0083] 基于大规模并行处理的裕度评估的调度流程是由由平台调度服务器发起，主要流程如下：

[0084] (1)平台调度服务器向输电裕度管理程序发送控制信号；

[0085] (2)管理程序接收到信号后，程序准备计算任务文件，向调度服务器程序发送消息，告知其数据准备完成；

[0086] (3)调度服务器接收到信号后，将相关的文件广播到各个计算节点； [0087] (4)计算节点的服务器接收文件后，读取计算任务，并逐个分配给多个计算任务的线程；

[0088] (5)每一个计算线程接收到任务号后，根据任务号和计算阶段号分别提取自己的计算任务描述信息；

[0089] (6)进入初始化阶段，分别从控制文件中读取机群信息、断面信息、计算出自己控制的断面功率的目标数值；根据初始潮流的流向，确定潮流的控制方向； [0090] (7)计算完成之后，形成计算结果文件。计算任务线程结束后，将文件发回给计算节点主进程，计算节点主进程将这些结果汇总到一起后，回传给调度服务器； [0091] (8)调度服务器收集齐结果文件并保存。

[0092] (9)如果不存在计算任务，计算结束，输出计算结果；如果还存在其它的计算任务，重复本流程(1)-(9)的各个步骤。

[0093] 校验阶段的过程与搜索阶段的过程接口相同。只是计算阶段线程和管理程序的内部处理程序存在一些差异。输电裕度管理程序在分析完成结果后，输出计算结果，结束整个计算任务。

[0094] 进一步地，计算任务的分配受计算任务的多少和计算平台计算能力决定。由于某些原因，可用的节点也是变化的，预分配给各个计算节点的任务也应该是变化的。计算任务的个数由计算断面的个数、各个断面搜索的档位数、搜索和校核的故障数来决定的。程序依托的平台采用通过任务文件的形式进行分配计算任务。管理节点读取配置文件，根据搜索或校核阶段可用计算节点的数目，动态生成计算任务文件，指定每个计算节点的计算任务；每个计算节点通过读取任务文件，识别当前的计算任务。

[0095] 任务分配的方法：在搜索阶段，如果计算任务的数目大于可用计算节点的数目，则增大搜索空间较小的断面的搜索步长，减少断面档位数目，修正计算任务的数目使之小于等于可用计算节点数目；如果计算任务的数目小于可用计算节点的数目，则减少搜索空间较大的断面的搜索步长，增加断面档位数目，修正计算任务的数目使之接近可用计算节点数目。在校核阶段，如果计算任务的数目大于可用计算节点的数目，则依次对于每一个断面，从搜索出的断面极限开始，逐个向下分配计算节点，直至可用计算节点分配完成为止。 [0096] 在本发明的一个较佳实施例中，申请人将本发明所述技术方案应用于在线稳定分析与预警系统中，其中的实现流程如下：

[0097] (1)每隔一定时间间隔(例如10分钟)，获取一次电网的实时数据，整合成为指定格式的可用的数据；

[0098] (2)调度服务器启动本技术方案的软件模块；

[0099] (3)本技术方案的管理程序准备计算任务文件等数据；通过调度服务器将相关的文件广播到各个计算节点；各计算节分配并启动各计算任务线程，即本技术方案的计算部分；

[0100] (4)本技术方案计算程序进行必要的初始化，开始按照本方案中的并行计算方法调整潮流，进行稳定计算分析等计算。

[0101] (5)计算完成后，计算结果返回调度服务器汇总。

[0102] (6)计算结果显示给调度员，指定电网的实际运行工作。

[0103] 本发明的特点和功能如下：

[0104] 1)采用了并行算法，充分利用计算机集群技术，发挥集群强大的计算能力，实现断面输电裕度的快速搜索；

[0105] 2)根据预警评估结果，可以自动识别不同安全模式下的系统振荡机群，确定最优的调整方式。

[0106] 3)考虑机组特性：每台机组都有一，合理出力范围，低于下限时，必须停机。由于机组出力调整后，运行方式发生变化，系统的网络损耗也会发生变化，平衡机的出力可能超出合理范围。该程序具有校正平衡机出力的功能。有些机组可能启动时间比较长，程序中可以设置这些机组只有运行时才可以调整出力，不允许启动机组。

[0107] 4)实现按电厂进行开停机组：允许按照电厂调整机组出力，保证电厂的最小出力，并用最少的机组来分担出力。当前只要用于水电厂的机组出力调整。 [0108] 5)考虑跨区电网不同输电断面之间的相互影响和制约，设计了对其他断面相关故障的校核阶段。校核阶段建立在搜索阶段计算结果的基础之上，根据各个断面搜索出的极限结果、搜索下限和搜索步长，计算各个断面的校核档位，选择对所有校核故障系统都稳定的最大档位作为该断面的极限功率。

[0109] 除此以外，在实际运用过程中，还可以采取另外的一种计算在线输电裕度的方法，所述方法包括如下步骤：

[0110] 101)取满足电力系统潮流、稳定计算分析程序格式的实际的电网运行数据； [0111] 102)管理部分程序接受启动的信号，完成计算任务、数据等的前期准备工作； [0112] 103)计算部分获取计算任务后，从控制文件中读取机群信息、断面信息、计算出自己控制的断面功率的目标数值；

[0113] 104)对所有断面都重复进行如下计算：

[0114] 调整潮流数据：根据预先指定的调整原则和方法，针对每个档位功率，调整电力系统各元件的运行状态使输电断面的功率达到该档位，得到多个合理的运行方式数据； [0115] 针对指定的搜索阶段采用的故障形式，采用并行计算技术，对多个故障进行并行计算分析，计算各个功率档位各个故障系统的稳定性；

[0116] 回收所有档位的计算结果进行分析，判断系统输电裕度的功率档位； [0117] 针对指定的校验阶段采用的故障形式，采用并行计算技术，对确定的功率档位进行稳定计算，计算各故障的稳定性；如果所有这些故障系统是稳定的，则该功率为输电裕度；

[0118] 105)计算完成后，计算部分将所有计算结果汇总并返回。