CN101477168A - 电力系统暂态稳定并行化测试系统及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力测试技术领域的电力系统暂态稳定并行化测试系统及方法。所述系统包括：能量管理系统、数据接口模块、拓扑分析模块、聚类分析模块、潮流分析模块、动态数据库、故障筛选模块、网络资源管理模块、测试任务调度模块、测试模块单元、性能预测与行为控制模块。本发明通过并行化策略测试电力系统暂态稳定性问题，充分考虑了整个电网的拓扑统计特性，并从较深层次将电网暂态稳定测试工具和网络通信工具无缝结合，大大提高了对现有各种软硬件资源的利用效率。本发明不仅适合应用于软硬件资源同构的高性能测试环境，还特别适合于资源异构且动态多变的各种中小规模测试节点环境上应用推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力测试技术领域的系统及其方法，具体地说，涉及的是一种电力系统暂态稳定并行化测试系统及其测试方法。
背景技术
从2003年下半年开始，全球范围内连续发生了数起大规模停电事故，引起了人们对电力系统暂态稳定问题的广泛关注。目前，电力系统机电暂态稳定性测试方法主要有时域仿真法、暂态能量法和混合法等。时域仿真法通过对非线性微分---代数方程组的求解获得发电机故障运行轨迹，其优点是处理结果精确，模型适应性强；缺点是处理量大，比较耗时。为了提高时域仿真法的处理速度，可以采用电网动态等值技术和并行化求解方法。暂态能量法采用李雅普诺夫稳定性对系统稳定性进行测试，其优点是处理速度快，可以给出稳定裕度等指标；缺点是模型适应能力不强。而混合法充分结合了时域仿真法模型丰富和暂态能量法处理速度快的优点，利用时域仿真法获得故障运行轨迹，然后采用暂态能量函数进行稳定性测试，具有广阔的应用前景。现代电力系统正朝着高电压、大机组、大电网互联和运行市场化等方面发展，并向在线实时甚至超实时数值仿真分析提出了挑战，如何充分发挥网络上现有各种软硬件资源的处理能力进行电力系统暂态稳定测试，又是一个当前的技术难题。
经对现有技术的文献检索发现，K.Hopkinson等人在《IEEE Transactions OnPower Systems》2006，第21卷第2期上发表了“EPOCHS：A Platform forAgent-Based Electric Power and Communication Simulation Built fromCommercial Off-The-Shelf Components”。该文报道了一种将电力网络和通信网络集成进行同步仿真的方法。该方法克服了传统电力网络和通信网络均只能分别进行仿真的不足，将通用电力系统稳定分析工具和通信协议仿真工具集成在一起，这样不仅可以分析电力系统的机电暂态和电磁暂态特性，还可以同步仿真网络协议的通信性能。该仿真器采用已商业化的软件工具进行集成。该方法的缺点在于系统集成度不高，面向专业应用领域的功能尚待进一步完善。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术，提供一种电力系统暂态稳定并行化测试系统及方法，一方面考察整个电力网络的各种统计特性，另一方面从较深层次将网络通信工具嵌入到电力系统暂态稳定测试工具中，最大限度地提高了对现有各种软硬件资源的利用效率。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明所涉及的电力系统暂态稳定并行化测试系统，包括：能量管理系统(EMS)、数据接口模块、拓扑分析模块、聚类分析模块、潮流分析模块、动态数据库、故障筛选模块、网络资源管理模块、测试任务调度模块、测试模块单元、性能预测与行为控制模块。其中：
所述的能量管理系统(EMS)一端连于电力系统，另一端连于数据接口模块，用于获取电力系统运行的实时断面信息；
所述的数据接口模块为一数据转换模块，将能量管理系统EMS采集到的数据转化为系统所能检测的数据格式，供拓扑分析模块使用；
所述的拓扑分析模块，一端与数据接口模块连接，接收数据接口模块转换后的数据，另一端与聚类分析模块相连，将网络拓扑分析结果电网拓扑统计特性参数传送给聚类分析模块；
所述的聚类分析模块，其聚类分析输入项为电网拓扑统计特性参数，输出项为电网分层分区信息，供潮流分析模块使用；
所述的潮流分析模块，对电网的潮流分布进行分析处理，结果存入动态数据库；
所述的动态数据库，是一个物理存储设备，存储本测试系统的数据。动态数据库一端连于潮流分析模块，接收其分析结果；另一端连于故障筛选模块和网络资源管理模块。动态数据库与故障筛选模块和网络资源管理模块连接，其数据流动是双向的：一方面，故障筛选模块和网络资源管理模块利用动态数据库中的数据进行故障筛选和网络资源管理；另一方面，它们又将故障筛选结果和网络资源列表存入动态数据库；
所述的故障筛选模块，利用动态数据库中存储的数据进行故障筛选和排序，产生测试任务列表，提交给测试任务调度模块；
所述的网络资源管理模块，利用动态数据库中存储的历史资源列表，搜索互联网上的计算机资源，形成新的资源列表，提交给测试任务调度模块；
所述的测试任务调度模块，根据故障筛选模块提交的测试任务列表和网络资源管理模块提交的资源列表，对网络上的各种软硬件资源进行统一协调管理，以实现计算任务的优化调度。优化调度的结果供多个测试单元模块使用；
所述的测试单元模块，是整个暂态稳定并行化测试系统的核心，由互联网上一个或数个计算机构成，完成暂态稳定测试任务。测试模块单元其数据输入项是测试任务调度模块的调度结果，输出项为暂态稳定性指标，供性能预测与行为控制模块使用；
所述的性能预测与行为控制模块，一端通过互联网连于测试模块单元，获取电网的暂态稳定性指标；另一端连于研究对象电力系统，将由此模块产生的控制策略应用于电力系统。
本发明涉及的一种电力系统暂态稳定并行化测试方法，包括如下具体步骤：
第一步，数据采集系统EMS按照固定的周期获取电力系统的实时断面信息；
第二步，数据接口模块将系统的实时断面信息转化为测试系统所能检测的数据格式；
第三步，进行网络拓扑分析；
第四步，利用拓扑统计特性参数，对电力网络进行聚类处理，产生电网分层分区信息；
第五步，进行潮流分布处理，形成暂态稳定测试所需的潮流数据；
第六步，将第五步结果存入动态数据库，更新动态数据库；
第七步，设定故障事件产生方式；
第八步，如果选择人工方式，则根据工程调度经验产生预想故障；如果选择动态方式，根据动态数据库中的数据，采用支路型故障筛选以及排序快速算法动态产生预想故障；
第九步，根据第八步产生的预想故障生成测试任务列表，并存入动态数据库；
第十步，从动态数据库中获取历史资源列表；
第十一步，根据历史资源列表和用户提供的IP范围信息，动态监测互联网上的计算资源；
第十二步，根据第十一步获得的测试资源，更新资源列表存入动态数据库；
第十三步，考虑到计算任务和网络上软硬件计算资源的差异性，采用不同任务并行化分解策略和任务池技术，将测试任务动态分配给各个测试模块单元；
第十四步，各个测试模块单元对分配到本单元的测试任务进行处理，产生暂态稳定性指标；
第十五步，对各个测试模块单元产生的暂态稳定性指标进行汇总分析，预测未来电网暂态稳定变化趋势，并根据电网运行的实际情况，给出预防或紧急控制策略。
第八步所述的支路型故障筛选以及排序快速算法中有随即扰动和蓄意攻击两种方式，其中随机扰动的分布函数可随机产生或按照某种事先给定的概率分布产生，而蓄意攻击可以按照节点度分布从大到小或者按照线路介数由大到小的模式进行。
第十二步所述的更新资源列表，具体如下：网络资源管理模块根据用户提供的IP范围自动搜索网络上的处理节点，添加到动态数据库中的历史资源列表中，形成初始化资源列表；然后向初始化资源列表中的处理节点发送计算请求，当处理节点收到计算请求后根据自身CPU、内存使用情况决定是否参与暂态稳定测试，如果决定参与，则将本地信息传回网络资源管理模块；最后网络资源管理模块根据响应信息确定可以利用的资源，更新资源列表，存入动态数据库。
第十三步所述的任务并行化分解策略包括数据级测试任务分解和事件级测试任务分解两种方式。当测试模块单元的程序源代码开放时，可结合电网聚类模块所得分层分区电网结果进行数据级测试任务分解；若计算模块单元采用成熟化的暂态稳定测试引擎，程序源码通常很难获得，此时，通常只能结合电网聚类模块的聚类分析结果进行事件级任务分解。
本发明通过并行化策略测试电力系统暂态稳定性问题，充分考虑了整个电网的拓扑统计特性，并从较深层次将电网暂态稳定测试工具和网络通信工具无缝结合，大大提高了对现有各种软硬件资源的利用效率。本发明的系统及方法不仅适合应用于软硬件资源同构的高性能测试环境，还特别适合于资源异构且动态多变的各种中小规模测试节点环境上应用推广。
附图说明
图1本发明系统整体结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例涉及的电力系统暂态稳定并行化测试系统包括：能量管理系统2、数据接口模块3、拓扑分析模块4、聚类分析模块5、潮流分析模块6、动态数据库7、故障筛选模块8、网络资源管理模块9、测试任务调度模块10、第一测试模块单元11、第二测试模块单元12、性能预测与行为控制模块13，连接方式为：数据接口模块3一端通过能量管理系统2与研究对象电力系统1相连，另一端和拓扑分析模块4相连。聚类分析模块5、一端连于拓扑分析模块4、另一端连于潮流分析模块6。潮流分析模块6、故障筛选模块8、网络资源管理模块9通过动态数据库7相连。测试任务调度模块10一端连于故障筛选模块8、计算资源管理模块9，另一端连接第一测试模块单元11、第二测试模块单元12。性能预测与行为控制模块13一端连于第一测试模块单元11、第二测试模块单元12，另一端连接到研究对象电力系统1。
所述的能量管理系统(EMS)2用于获取电力系统运行的实时断面信息；
所述的数据接口模块3为一数据转换模块，将能量管理系统EMS采集到的数据转化为系统所能检测的数据格式，供拓扑分析模块4使用；
所述的拓扑分析模块4，接收数据接口模块转换后的数据，并将网络拓扑分析结果电网拓扑统计特性参数传送给聚类分析模块5；
所述的聚类分析模块5，接收电网拓扑统计特性参数，处理后输出电网分层分区信息，供潮流分析模块6使用；
所述的潮流分析模块6，对电网的潮流分布进行分析处理，结果存入动态数据库7；
所述的动态数据库7，是一个物理存储设备，存储本测试系统的数据。动态数据库7一端连于潮流分析模块，接收潮流分析模块6分析结果；另一端连于故障筛选模块8和网络资源管理模块9。动态数据库与故障筛选模块和网络资源管理模块连接，其数据流动是双向的：一方面，故障筛选模块和网络资源管理模块利用动态数据库中的数据进行故障筛选和网络资源管理；另一方面，它们又将故障筛选结果和网络资源列表存入动态数据库；
所述的故障筛选模块8，利用动态数据库中存储的数据进行故障筛选和排序，产生测试任务列表，提交给测试任务调度模块；
所述的网络资源管理模块9，利用动态数据库7中存储的历史资源列表，搜索互联网上的计算机资源，形成新的资源列表，提交给测试任务调度模块10；
所述的测试任务调度模块10，根据故障筛选模块8提交的测试任务列表和网络资源管理模块9提交的资源列表，对网络上的各种软硬件资源进行统一协调管理，以实现计算任务的优化调度。优化调度的结果供多个测试单元模块11使用；
所述的测试单元模块11，是整个暂态稳定并行化测试系统的核心，由互联网上一个或数个计算机构成，完成暂态稳定测试任务。测试模块单元11其数据输入项是测试任务调度模块10的调度结果，输出项为暂态稳定性指标，供性能预测与行为控制模块12使用；
所述的性能预测与行为控制模块12，一端通过互联网连于测试模块单元11，获取电网的暂态稳定性指标；另一端连于研究对象电力系统1，将由此模块产生的控制策略应用于电力系统。
实施例2
在局域网环境下，设置10个测试节点，测试节点信息如表1。并行通信协议采用TCP/IP协议，测试模块单元测试引擎由BPA经编程扩展后充当。研究对象为华东492台机4758节点电力系统。
本实施例涉及的如上所述的电力系统暂态稳定并行化测试系统的测试方法，具体步骤如下：
第一步，由能量管理系统2对华东系统进行数据采集，获取电力系统的实时断面信息；
第二步，数据接口模块3对能量管理系统2采集到的数据进行数据转换；
第三步，拓扑分析模块4对电力系统进行拓扑分析，获得电力系统拓扑统计特性参数；
第四步，聚类分析模块5进行聚类分析获得电力系统分层分区信息；
第五步，潮流分析模块6进行潮流分布计算，生成潮流文件；
第六步，将潮流文件存入动态数据库7，更新动态数据库7；
第七步，设定故障事件产生方式为动态方式；
第八步，故障筛选模块8采用支路型故障筛选以及排序快速算法(蓄意攻击的方式)动态产生预想故障，故障类型为母线三相短路，测试任务数量分别为10个，20个，30个，50个，100个；
第九步，根据第八步产生的预想故障生成测试任务列表，并存入动态数据库7；
第十步，网络资源管理模块9从动态数据库7中获取历史资源列表；
第十一步，网络资源管理模块9根据历史资源列表和用户提供的IP范围信息，动态监测互联网上的计算资源，本实施例中设定10个测试节点；为了验证测试系统的并行效果，分别让1个测试节点(NO.1)、2个测试节点(NO.1、NO.7)、5个测试节点(NO.1、NO.2、NO.5、NO.7、NO.8)、10个测试节点参与计算；
第十二步，根据第十一步获得的测试资源，更新资源列表存入动态数据库7；
第十三步，由于无法获得BPA程序源码，所以测试任务调度模块10按照事件级对测试任务进行分解；为了验证采用任务池技术动态分配故障的有效性，本实施例中测试任务调度模块10采用动态分配故障和平均分配故障两种方式将测试任务分配给各个测试模块单元；
第十四步，各测试模块单元分别启动计算引擎进行暂态稳定测试，获得故障事件对应的临界切除时间指标预测值；
第十五步，性能预测与行为控制模块13对各个测试模块单元产生的暂态稳定性指标进行汇总分析，预测未来电网暂态稳定变化趋势，并对失稳机组提出一定的预防和紧急控制策略。
表2是不同参与测试的节点数在平均分配故障和动态分配故障两种情况下的BPA暂态稳定测试时间对比(单位：秒)。其中计算结果没有计及系统的初始化及其程序终止的时间。通过对测试时间的对比表明，采用本发明的体系及方法，可以充分利用网络上的资源来提高处理速度和效率。由于该发明所述系统及方法对硬件体系和软件模块均无严格限制，所以该系统及方法适用于资源同构的高性能计算环境，更适合在资源高度异构且动态多变的各种中小规模节点环境下应用推广。
表1 测试节点属性及其操作系统环境
表2 BPA暂态稳定测试时间对比(单位：秒)
注：O 代表一个测试节点参与测试(NO.1)；
T 代表2个测试节点参与测试(NO.1、NO.7)
F 代表5个测试节点参与测试(NO.1、NO.2、NO.5、NO.7、NO.8)
A 代表10个测试节点参与测试。
Claims (6)
1、一种电力系统暂态稳定并行化测试系统，其特征在于包括：能量管理系统、数据接口模块、拓扑分析模块、聚类分析模块、潮流分析模块、动态数据库、故障筛选模块、网络资源管理模块、测试任务调度模块、测试模块单元、性能预测与行为控制模块，其中：
所述的能量管理系统一端连于研究对象电力系统，另一端连于数据接口模块，用于获取电力系统运行的实时断面信息；
所述的数据接口模块为一数据转换模块，将能量管理系统采集到的数据转化为系统所能检测的数据格式，供拓扑分析模块使用；
所述的拓扑分析模块，一端与数据接口模块连接，接收数据接口模块转换后的数据，另一端与聚类分析模块相连，将网络拓扑分析结果电网拓扑统计特性参数传送给聚类分析模块；
所述的聚类分析模块，其聚类分析输入项为电网拓扑统计特性参数，输出项为电网分层分区信息，供潮流分析模块使用；
所述的潮流分析模块，对电网的潮流分布进行分析处理，结果存入动态数据库；
所述的动态数据库，是一个物理存储设备，存储本测试系统的数据，动态数据库一端连于潮流分析模块，接收其分析结果；另一端连于故障筛选模块和网络资源管理模块；
所述的故障筛选模块，利用动态数据库中存储的数据进行故障筛选和排序，产生测试任务列表，提交给测试任务调度模块；
所述的网络资源管理模块，利用动态数据库中存储的历史资源列表，搜索互联网上的计算机资源，形成新的资源列表，提交给测试任务调度模块；
所述的测试任务调度模块，根据故障筛选模块提交的测试任务列表和网络资源管理模块提交的资源列表，对网络上的各种软硬件资源进行统一协调管理，以实现计算任务的优化调度，优化调度的结果供多个测试单元模块使用；
所述的测试单元模块，是整个暂态稳定并行化测试系统的核心，由互联网上一个或数个计算机构成，完成暂态稳定测试任务，测试模块单元其数据输入项是测试任务调度模块的调度结果，输出项为暂态稳定性指标，供性能预测与行为控制模块使用；
所述的性能预测与行为控制模块，一端通过互联网连于测试模块单元，获取电网的暂态稳定性指标；另一端连于研究对象电力系统，将由此模块产生的控制策略应用于电力系统。
2、根据权利要求1所述的电力系统暂态稳定并行化测试系统，其特征是，所述动态数据库与故障筛选模块和网络资源管理模块连接，其数据流动是双向的：一方面，故障筛选模块和网络资源管理模块利用动态数据库中的数据进行故障筛选和网络资源管理；另一方面，它们又将故障筛选结果和网络资源列表存入动态数据库。
3、一种根据权利要求1所述的电力系统暂态稳定并行化测试系统的测试方法，其特征在于包括如下具体步骤：
第一步，数据采集系统EMS按照固定的周期获取电力系统的实时断面信息；
第二步，数据接口模块将系统的实时断面信息转化为测试系统所能检测的数据格式；
第三步，进行网络拓扑分析；
第四步，利用拓扑统计特性参数，对电力网络进行聚类处理，产生电网分层分区信息；
第五步，进行潮流分布处理，形成暂态稳定测试所需的潮流数据；
第六步，将第五步结果存入动态数据库，更新动态数据库；
第七步，设定故障事件产生方式；
第八步，如果选择人工方式，则根据工程调度经验产生预想故障；如果选择动态方式，根据动态数据库中的数据，采用支路型故障筛选以及排序快速算法动态产生预想故障；
第九步，根据第八步产生的预想故障生成测试任务列表，并存入动态数据库；
第十步，从动态数据库中获取历史资源列表；
第十一步，根据历史资源列表和用户提供的IP范围信息，动态监测互联网上的计算资源；
第十二步，根据第十一步获得的计算资源，更新资源列表存入动态数据库；
第十三步，考虑到计算任务和网络上软硬件计算资源的差异性，采用不同任务并行化分解策略和任务池技术，将测试任务动态分配给各个测试模块单元；
第十四步，各个测试模块单元对分配到本单元的测试任务进行处理，产生暂态稳定性指标；
第十五步，对各个测试模块单元产生的暂态稳定性指标进行汇总分析，预测未来电网暂态稳定变化趋势，并根据电网运行的实际情况，给出预防或紧急控制策略。
4、根据权利要求3所述的电力系统暂态稳定并行化的测试方法，其特征是，第八步所述的支路型故障筛选以及排序快速算法中有随即扰动和蓄意攻击两种方式，其中随机扰动的分布函数可随机产生或按照某种事先给定的概率分布产生，而蓄意攻击按照节点度分布从大到小或者按照线路介数由大到小的模式进行。
5、根据权利要求3所述的电力系统暂态稳定并行化的测试方法，其特征是，第十二步所述的更新资源列表，具体如下：网络资源管理模块根据用户提供的IP范围自动搜索网络上的处理节点，添加到动态数据库中的历史资源列表中，形成初始化资源列表；然后向初始化资源列表中的处理节点发送计算请求，当处理节点收到计算请求后根据自身CPU、内存使用情况决定是否参与暂态稳定测试，如果决定参与，则将本地信息传回网络资源管理模块；最后网络资源管理模块根据响应信息确定可利用的资源，更新资源列表，存入动态数据库。
6、根据权利要求3所述的电力系统暂态稳定并行化的测试方法，其特征是，第十三步所述的任务并行化分解策略包括数据级测试任务分解和事件级测试任务分解两种方式，当测试模块单元的程序源代码开放时，结合电网聚类模块所得分层分区电网结果进行数据级测试任务分解；若计算模块单元采用成熟化的暂态稳定测试引擎，此时，只能结合电网聚类模块的聚类分析结果进行事件级任务分解。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101201 Termination date: 20140108 |