一种在线电压稳定安全评估系统的智能网格实现方法

摘要

一种在线电压稳定安全评估系统的智能网格实现方法，包括步骤：①根据计算需求，在网络环境下搭建计算网格；②协调管理器引擎从SCADA/EMS系统获取实时状态估计断面数据；③计算管理器引擎对实时状态估计断面数据进行潮流收敛性校验，形成计算任务池；④各计算节点引擎申请计算；⑤计算管理器引擎根据各计算节点发送的计算结果，生成综合考虑有功负荷及无功负荷影响的混合电压稳定指标信息，通过排序辨识出电网薄弱节点；⑥将辨识出的电网薄弱节点信息写入数据库，周期性刷新，以图表显示电压稳定安全评估结果。本方法能最大限度地挖掘每个计算节点的计算能力，能有效地实现动态负荷均衡，具有良好的动态扩展性与容错性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用在电力系统运行、安全监控系统中安全稳定评估方法，属于计算机技术应用于电力调度自动化的技术领域。

背景技术

近年来，随着负荷需求的不断增长，电力系统也正逐步迈入远距离、大容量、超高压输电时代，这样能够优化资源配置、提高发电效率、增强供电可靠性。但是，电力系统的结构日益复杂，调度复杂性随之增加，系统的稳定问题更加突出。特别是电力工业的打破垄断、解除管制、引入竞争、建立电力市场的体制改革，迫使电力企业充分利用现有的设备以追求一种经济性的管理目标，通过价格与市场充分挖掘输电系统的输电能力，从而导致电力系统的运行逐步接近其稳定极限。近些年来，世界各地发生了多起电压崩溃的事故，例如1978年12月19日法国电网的事故；1987年日本东京大停电三小时，都是由于负荷的快速持续增加，导致电压跌落甚至崩溃；1996年7月2日，爱达荷州输电线路发生的故障使美国西部15个州和加拿大及墨西哥的部分地区断电，大约200万人的工作生活受到影响；还有2003年8月14日美、加大停电事故，使美加中东部近5000万人在瞬间失去了他们赖以生存的电力供应。电压崩溃事故的屡屡发生，引起了电力工作者的关注，并使电力系统安全稳定运行面临严峻挑战。通过分析国内外所发生一些电力系统事故可以看出：电网发生电压失稳往往是从某一个或某几个电压稳定薄弱节点开始，进而波及到其它节点，最终导致整个地区或系统电压崩溃。为能够分析及仿真系统在正常工况、预想事故集下的运行行为(电压稳定)，指出系统的薄弱环节，并对其进行重点监视，开发与研制快速、实用的在线电压稳定安全评估系统，不仅是对运行中的电力系统进行监控、分析的重要手段，同时也是减少和避免电力系统因电压失稳而导致大停电事故发生的重要保证。随着能量管理系统SCADA/EMS的快速发展和不断成熟、电压稳定理论的不断完善以及计算机和通信技术的快速发展，在线电压稳定安全评估系统也得到了快速发展，在及时采取有效措施防止电压失稳、提高输电网送电的经济性、保障电网的优化控制乃至国民经济的快速发展扮演着越来越重要的角色。

现有的在线电压稳定安全评估系统中，对于电网薄弱节点判定所采用的电压稳定指标都是单独基于P-V(有功功率-电压)曲线或Q-V(无功功率-电压)曲线的极限点信息。而且认为每一种指标与系统某种特定运行状态有着紧密的关系，如与有功负荷相关，或者与无功负荷相关等。因此，对于不同的运行工况，调度员都是有选择性地单独采用某个具体的电压稳定指标进行电网薄弱环节的辨识。其中，尤以基于系统静态模型，从电压和无功功率关系来分析电网电压稳定性的模态分析应用最为广泛。此外，为了加快计算速度，实现在线电网电压稳定安全评估，所采用的分布式计算模型一般是基于多机分摊的任务分配策略，或根据电力系统特有的分层分区域特性的基于区域故障集的任务分配策略，计算平台一般为同构的PC集群。这种传统的基于独立、具体电压稳定指标的电网薄弱节点辨识方法和同构PC集群架构的分布式计算模型的在线电压稳定安全评估系统可以满足当前系统在线运行的要求，但考虑到实际电力系统中负荷的非线性特性和动态特性，以及子任务计算执行时间事先难以确定时，这种传统的在线电压稳定安全评估系统实现方法存在着如下的缺点：

(1)有选择性地单独采用某个具体的电压稳定指标进行电网薄弱环节的辨识时，是从负荷对电网电压影响的不同角度来进行分析，因而有一定的局限性，而且得到的结果差别也很大；

(2)采用基于同构的PC集群分布式计算模型，当遇到分布式任务中的子任务计算执行时间事先难以确定时，采用多机分摊的任务分配策略会有计算资源得不到充分利用的问题；

(3)在实际应用中，我们手边可利用的计算资源大多为异构的PC机，这些PC机的性能是不一样的，甚至区别很大。若利用异构的PC机构成一个分布式计算系统，不管采用多机分摊还是采用基于区域故障集的任务分配策略，系统总的计算时耗取决于系统中最慢计算节点对故障的处理时间。性能强的计算机势必得不到充分地利用，浪费了本来可利用的计算资源。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线电压稳定安全评估系统的智能计算网格实现方法，以克服现有技术存在的上述缺点。

本发明在线电压稳定安全评估系统的智能计算网格实现方法，包括以下步骤：

①根据计算需求，在网络环境下搭建计算网格，并在计算网格中指定的计算机上分别开启协调管理器引擎、计算管理器引擎、计算节点引擎、监视客户端引擎以及终端浏览器；

②协调管理器引擎从SCADA/EMS系统获取实时状态估计断面数据；

③计算管理器引擎对协调管理器引擎获取的实时状态估计断面数据进行潮流收敛性校验，然后进行系统故障排序，筛选出N个严重故障，生成若干计算子任务，形成计算任务池；

④各计算节点中的计算节点引擎利用多线程技术开启一个或多个网络线程，通过TCP/IP协议与计算管理器引擎通信，申请计算，将计算结果发送给计算管理器引擎；

⑤计算管理器引擎根据各计算节点发送的计算结果，生成综合考虑有功负荷及无功负荷影响的混合电压稳定指标信息，通过对该指标信息排序辨识出电网薄弱节点；

⑥将辨识出的电网薄弱节点信息写入计算网格中的数据库，终端浏览器利用计算网格中的Web服务器周期性刷新，以图形和/或表格方式显示电压稳定安全评估结果。

其中，计算管理器引擎利用各计算节点发送的计算结果生成混合电压稳定指标的方法包括以下步骤：

对母线电压变化指标和无功裕度指标进行无量纲化处理，得到标准化后的指标数据V_和Q_；

从无量纲化处理后的指标数据中，找出两种指标的最大值V_^＊和Q_^＊，组成一个新的目标点(V_^＊，Q_^＊)；

通过公式VQ_＝0.5(V_-V_^＊)²+0.5(Q_-Q_^＊)²计算得到每一电网母线的混合电压稳定指标VQ_。

计算节点引擎、协调管理器引擎和计算管理器引擎优选采用FTP文件传输技术传输文件。协调管理器引擎优选采用目录事件异步通知方法监视指定的文件夹，从SCADA/EMS系统获取实时状态估计断面数据。

本发明方法中，当某计算节点的计算超时后，空闲的计算节点会向计算管理器引擎发送请求抢占超时未完成的计算子任务，对于由此引起的多个计算节点执行相同计算子任务的情况，当计算管理器引擎收到其中一个计算节点返回的计算结果后，终止其它计算节点对相同计算子任务的处理，从而实现自动负载均衡。

本发明方法中，计算管理器引擎自动检测新上线和下线的计算节点，给新上线的处于空闲状态的计算节点分配计算子任务，将下线的计算节点未完成的计算子任务设置为未处理状态并转移给其它计算节点处理，从而实现自动动态扩展。

本发明方法中，计算管理器引擎自动检测各计算节点的运行状态，当发现计算节点发生故障后，将该计算节点正在处理的计算子任务设置为未处理状态并转移给其它计算节点处理，从而实现智能容错。

本发明方法能最大限度地挖掘每个计算节点的计算能力，有效克服了传统在线电压稳定安全评估系统中计算资源得不到充分利用的问题，并能有效地实现动态负荷均衡，具有良好的动态扩展性与容错性。

此外，本发明方法提出的混合电压稳定指标能综合反映有功和无功功率对节点电压的影响，系统判定电网薄弱节点，从全面的角度为电力工程师提供综合的参考信息。

附图说明

图1为本发明在线电压稳定安全评估系统的智能计算网格的结构示意图；

图2为计算节点的网络线程的流程图；

图3为IEEE10机39节点系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明在线电压稳定安全评估系统的智能计算网格是在Intranet(以太局域网)或Internet(广域互联网)网络环境下，由关系数据库系统1、Web服务器2并结合本发明提出的协调管理器引擎4、计算管理器引擎3，加上计算节点引擎7、监视客户端引擎5以及终端浏览器6所构成的计算网格。

协调管理器引擎4负责与电力系统数据采集/能量管理系统(SCADA/EMS-Supervisory Control and Data Acquisition/Energy Management System)8通信，接收电网实时状态估计断面数据，控制计算管理器引擎3，同时协调整个计算网格的运行，接受客户端的连接请求，接受计算管理器引擎3发回的结果，并把有效数据存入数据库。

计算管理器引擎3是该计算网格中的核心模块。它接受协调管理器引擎4发送过来的指令与数据，对电网实时状态估计断面数据进行潮流校验，故障排序，生成并分配计算任务，协调计算节点7’完成计算，存储计算节点7’发送回的计算结果，并完成电网薄弱节点的判定。计算管理器引擎3与协调管理器引擎4联系非常紧密，两者既可在不同的物理计算机上实现，也可放在同一台计算机上实现。

监视客户端引擎5主要用来监视与控制整个系统的运行，具有人机交互的界面。用户可通过该引擎了解当前计算网格内的所有服务器、客户端的状态及计算节点的运行状况。

对于若干个计算节点引擎7，运行于性能不一的物理计算机上(异构PC机)，它们的具体任务就是根据自身的计算能力向计算管理器引擎3发出计算请求，并接收由计算管理器引擎3发送来的子任务，完成电压稳定计算，返回计算结果至计算管理器引擎3。

终端浏览器6则周期性进行刷新，以图形或表格方式显示电压稳定安全评估结果。

该计算网格需要完成由若干任务(如故障集)构成的大规模在线电压稳定安全评估，这些任务将会同时分散到该计算网格中不同的计算节点7’进行计算。参照图1，本在线电压稳定安全评估系统的智能计算网格实现方法如下：

(1)根据计算需求在Intranet(以太局域网)或Internet(广域互联网)网络环境下，搭建计算网格，并在指定的物理计算机上分别开启协调管理器引擎4、计算管理器引擎3、计算节点引擎7、监视客户端引擎5以及终端浏览器6。其中，协调管理器引擎4采用目录事件异步通知方法监视特定的文件夹，用于获取来自SCADA/EMS系统8的实时状态估计断面数据。

(2)协调管理器引擎4检测到有新的SCADA/EMS系统8的实时状态估计断面数据到来，通知计算管理器引擎3。

(3)计算管理器引擎3对该实时状态估计断面数据首先进行潮流收敛性校验。校验工具可采用当前成熟的、在电力调度中心使用的任意商用潮流算法。

如果潮流校验成功，计算管理器引擎3进行系统故障排序。最终筛选出N个严重故障，N由用户自定义。故障排序方法可采用成熟的、在电力调度中心使用的任意商用软件算法。

计算管理器引擎3进一步生成计算子任务，形成计算任务池，用于计算网格中的计算节点7’进行电压稳定计算。本实施例定义了一种结构体类型数组CIRCUIT_TASK_ARRAY作为计算任务池来分割和存储计算任务信息，每一个数组元素包含了一个计算子任务的详细信息，如：流水编号、任务状态、任务中包含的母线个数、任务类型、计算结果、任务处理时间。该结构体定义如下：

typedef struct circuit_task    //计算任务描述

{

unsigned int task_number；//任务流水编号

char state；              //任务状态，0未处理，1正在处理，2已处理

unsigned int Curve_number；//任务中包含的母线个数

char task_type；   //任务类型，1计算P-V曲线，2计算Q-V曲线

CString result；   //存储计算结果

DWORD handle_time；//记录任务处理时间

}CIRCUIT_TASK；

计算任务类型分为计算母线P-V曲线、Q-V曲线两种。母线P-V曲线任务和Q-V曲线任务由程序根据来自SCADA/EMS系统8的实时状态估计断面数据中的母线数量自动生成。定义了结构体类型数组PV_CURVE_ARRAY和QV_CURVE_ARRAY，用来存储需要计算P-V曲线和Q-V曲线的母线信息。其结构体定义如下：

struct PV_Curve

{

int nBusNum；   //母线号

char nName[10]；//母线名称

}；

struct QV_Curve

{

int nBusNum；   //母线号

Char nName[10]；//母线名称

double fBegin，fEnd；//计算Q-V曲线的起始、结束电压

double fStepSize；//计算Q-V曲线的电压步长

}；

生成包含计算母线P-V曲线和Q-V曲线信息的结构体类型数组之后，程序开始对其进行任务分割。根据计算任务类型和每个计算任务所包含的母线个数(由用户定义)，生成任务数组(任务池)CIRCUIT_TASK_ARRAY。

(4)此时，该计算网格中运行于不同计算性能的物理计算机(计算节点)上的计算节点引擎7，利用多线程技术，并根据该计算节点的CPU个数开启一个或多个网络线程。该网络线程通过TCP/IP协议在计算网格中与计算管理器引擎3进行通信，并申请计算子任务。每个网络线程的执行流程如图2所示。

在处理计算任务的时候，根据计算任务的类型，程序自动生成计算P-V曲线或者Q-V曲线所必须的文件，然后进行计算，最后从得到的计算结果文件中搜索母线所对应的电压变化指标(可由P-V曲线结果数据获得)和无功裕度指标(可由Q-V曲线结果数据获得)，并将这两个指标信息发送给计算管理器引擎3。计算P-V曲线或者Q-V曲线方法可采用成熟的、在电力调度中心使用的任意商用软件算法。

此外，不同的网络线程在执行不同的计算子任务时，使用到的一些数据文件(如实时状态估计断面数据、参数及监视文件)是相同的，而这些文件最初保存在运行协调管理器引擎4的计算机上。为了提高该计算网格运行效率以及保证文件传输的可靠性，本发明提出使用FTP文件传输技术。考虑到网络线程之间需要实现文件的共享，对此，本实施例定义了全局的fileNumber变量及各个网络线程的局部fileNumber变量，并建立了一个FTP客户端的互斥锁MUTEX_OF_FTP_CLIENT。任何时刻，只能有一个网络线程获得该互斥锁，下载最新的实时状态估计断面数据及其它一些计算所需文件之后，更新全局fileNumber变量及本身的局部fileNumber变量。当其它网络线程获得计算子任务时，先对比全局fileNumber变量与本身的局部fileNumber变量，若一致则不需要更新这些数据文件，直接执行计算子任务；反之，则获得互斥锁MUTEX_OF_FTP_CLIENT，下载实时状态估计断面数据及其它一些计算所需文件，并修改全局fileNumber变量及本身的局部fileNumber变量。

本发明提出的在线电压稳定安全评估计算网格平台，针对计算节点7’，还具备下面3种智能功能：

(a)该计算网格具有自动负载均衡功能，即如果某一计算节点7’计算超时，那么空闲的计算节点7’会向计算管理器发送请求抢占未完成的计算子任务。而原先未完成计算子任务的计算节点继续处理计算子任务，这样就有两个计算节点同时计算一个子任务。在这种情况下，最先完成计算子任务的计算节点把计算结果发送给计算管理器引擎，而未完成子任务的计算节点将会被停止计算，计算结果被丢弃。

(b)该计算网格具有自动动态扩展功能，即平台增删计算节点时，计算管理器引擎3能够对其自动做出反应，在无人干涉的情况下完成计算子任务的分配。计算管理器引擎3作为服务端，计算节点7’作为客户端，采用了一个服务器对应多个客户端的架构，并且在进行电压稳定分析时，子任务之间不需要进行交互。当某一计算节点7’离开系统(即“下线”)时，计算管理器引擎3能够自动把该计算节点未完成的子任务置为未处理状态并转移给其它计算节点进行处理，从而使整个系统的网格结构不会受到影响。同样，当计算平台正在运行时，如果一个外部的计算节点7’连接至计算管理器引擎3并验证成功后(即“上线”)，计算节点初始化为空闲状态，计算管理器引擎3将为该计算节点分配未处理的计算子任务，其它计算节点的运行不会受到任何影响。

(c)该计算网格具有智能容错功能，即当某一计算节点7’在计算子任务的过程中出现故障，无法继续工作时，计算管理器引擎3会及时发现此情况，同时把该计算节点正在处理的计算子任务置为未处理状态，然后分配给空闲的计算节点，在一定程度上避免了因某一计算节点出现故障而导致系统无限等待的情形。

(5)计算管理器引擎3对计算节点7’发送回来的母线电压变化指标信息和无功裕度指标信息进行汇总和分类，并最终形成一个综合考虑有功负荷及无功负荷影响的混合电压稳定指标，用于电网薄弱节点的辨识。该混合电压稳定指标生成过程如下：

(a)应用成熟、公开的标准化处理方法对母线电压变化指标和无功裕度指标进行无量纲化处理，得到标准化后的指标数据V_和Q_；

(b)从无量纲化处理后的指标数据中，找出两种指标的最大值V_^＊和Q_^＊，组成一个新的目标点(V_^＊，Q_^＊)；

(c)应用下面的平方和加权方法，最终得到每一电网母线的混合电压稳定指标VQ_。

VQ_＝0.5(V_-V_^＊)²+0.5(Q_-Q_^＊)²

对该混合电压稳定指标进行升序排列，排在前面的即为电网电压稳定薄弱节点。

对于某一具体故障N_i，如选取前M个节点为电网在该故障下最薄弱节点集合S_Mi。而对于有N个故障情况时，全系统的电压稳定薄弱节点为

$S_N=\underset{i=1}{\overset{N}{\cup }}{S}_{\mathrm{Mi}}$

(6)将辨识出的电网电压稳定薄弱节点信息写入到计算网格中的关系数据库1中。终端浏览器6则利用计算网格中的Web服务器2周期性进行刷新，以图形和/或表格方式显示出电压稳定安全评估结果。

本发明可以由计算管理器引擎3将辨识出的电网电压稳定薄弱节点信息发送给协调管理器引擎4，由协调管理器引擎4把有效数据存入数据库1。也可以由计算管理器引擎3直接将辨识出的电网电压稳定薄弱节点信息存入数据库1。

下面以国内某实际电网系统和IEEE10机39节点系统进行仿真实验为例，进一步说明：

一、用国内某实际电网系统对本发明提出的计算网格进行系统性能测试。该实际系统由97台发电机，387个负荷，1101条母线，1485条交流线路及6条高压直流输电线路构成。对系统的114个单线故障(500KV等级线路)，81个切机故障，64个双回线路故障，共计259个故障进行分析。为了进行测试，搭建了由5台异构的计算机构成的以太网计算网格。该计算网格中的计算资源配置如表1所示。

表1  计算资源配置信息一览表

  名称  计算机型号  CPU(数目)  内存  操作系统  C1  Pentium4-PC  3.06G(1)  504MB  Windows XP^TM Professional  C2  Pentium4-PC  3.06G(1)  504MB  Windows XP^TM Professional  S1  Xeon(TM)-Server  3.20G(2)  2.00GB  Windows Server^TM 2003  S2  Xeon(TM)-Server  3.20G(2)  2.00GB  Windows Server^TM 2003  S3  Xeon(TM)-Server  3.20G(2)  2.00GB  Windows Server^TM 2003

其中，C1，C2为普通的PC机，S1，S2，S3为高性能服务器。测试中，该5台计算机都作为计算节点；此外，协调管理器引擎、计算管理器引擎运行在C1上。

设计了三种测试方案：

(i)仅S1参与计算；

(ii)S1，S2，S3参与计算；

(iii)S1，S2，S3与C2参与计算。

计算时间如表2所示。表3给出了不同测试方案下各计算节点完成的任务数。

表2  不同测试方案下的计算时间

  测试方案  第一次计算  第二次计算  第三次计算  i  29分47秒  29分29秒  29分39秒  ii  10分9秒  10分9秒  10分9秒

  测试方案  第一次计算  第二次计算  第三次计算  iii  8分33秒  8分33秒  8分33秒

表3  不同测试方案下各计算节点完成的任务数

  测试方案  S1  S2  S3  C2  i  22/22  -  -  -  ii  7/7  8/7  8/7  -  iii  6/6  6/6  6/6  8

从表2和表3的统计结果可以看出，随着计算节点的增加，总的计算时间减少，并且性能优良的计算节点完成了较多的任务，充分挖掘了计算网格中计算资源的计算能力。

二、根据本发明提出的在线电压稳定安全评估智能计算网格实现方法，以IEEE10机39节点系统作为测试算例进行电网薄弱节点辨识。IEEE10机39节点系统结构如图3所示。

表4 分别给出了不同运行工况下采用本发明提出的混合电压稳定指标与传统的模态分析、电压变化指标(P-V曲线)、无功裕度指标(Q-V曲线)得到的电网薄弱节点。

表4  不同运行工况下多种电压稳定指标得到的薄弱节点

由表可以看出，本发明提出的混合电压稳定指标在一定程度上能综合反映有功和无功功率对电网电压稳定性的影响。