CN102763298B - 在电网中借助于代理的分布状态计算 - Google Patents

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Abstract

在具备多个节点（K1至K11）的电网（2）中进行状态计算的计算设备和方法。该方法包括向各多个节点（K1至K11）分配本地计算代理（A1至A11），向区域网络（3、4）分配区域计算代理（R1、R2)，由区域计算代理（R1、R2)从相关本地计算代理（A1至A11）接收状态计算结果，并基于此，执行针对相关区域网络（3、4）的状态计算。该方法进一步包括创建相关区域网络（3、4）的简化网络表示，并且由高阶区域计算代理（R3接收状态计算结果和区域计算代理（R1、R2）的简化网络表示，以及，基于简化网络表示来计算电网（2）的状态。

Description

在电网中借助于代理的分布状态计算
技术领域
本发明涉及在具备多个节点(总线)的电网中进行状态计算(功率潮流或负载潮流计算)的方法和计算设备。
背景技术
由M.M.Nordman和M.Lehtonen撰写、于2005年5月发表在IEEETransactions on Power Systems，卷20，第2期、652至658页的题为“Distributed Agent-Based State Estimation for Electrical DistributionNetworks”的文章，公开了一种用于估计配电网络中的状态的方法。从中心的角度(一次变电站)，基于“令牌”转发机制来计算二次变电站的网络的状态。一次变电站周期地发起令牌并将其转发至最近的二次变电站。树结构被传递通过所有的二次变电站，其中，网络拓扑结构也被提供给令牌。在每种情况下，向令牌加入本地数据以用于(集中)可观性分析。随后基于集中和本地可用数据来对整个网络进行状态分析。通过在树结构周围发送令牌，并通过在令牌中加入本地数据，再次收集本地可用数据。这篇文章涉及“状态估计”，功率潮流计算形成其一部分。
由H.Sun撰写、于2008年4月21至24日发表在会议IEEE/PEStransmission and distribution的题为“Distributed power flow calculation forwhole networks including transmission and distribution”的文章，公开了一种用于状态计算的不同技术。在这篇文章中，应用了一种主从分裂法，其中依次计算输电网络和配电网络。
在由B.Stott等人撰写的、1974年发表在IEEE Transactions on PowerApparatus Systems，第三期(5月)、题为“Fast Decoupled Load Flow”的文章中，使用牛顿-拉夫逊方法解决中心点处的非线性方程组，其中通过将矩阵分为两部分来加速计算过程。
发明内容
本发明旨在提供一种方法和计算设备，其能以更有效的方式在电网中进行状态计算。
根据本发明，提供了一种用于在具备多个节点的电网中进行状态计算的方法，其中节点具有关联状态，该状态包括复电压，输入和输出(有功和无功)电力，其中该方法包括：
向各多个节点分配本地计算代理，其中，本地计算代理专门进行相关节点的状态计算；
向区域网络分配区域计算代理，其中，每个区域网络包括多个节点的一部分，且总的区域网络形成除了节点之间的区域间连接以外的电网；
由区域计算代理接收相关本地计算代理的状态计算结果(即，仅外部变量)，并基于此，执行针对相关区域网络的状态计算(不纳入不同区域网络的影响)，并且创建相关区域网络的简化网络表示；以及
由高阶区域计算代理接收状态计算结果和区域计算代理的简化网络表示，并且基于简化网络表示，计算电网状态，其中在计算中包括区域间连接。
具备单独计算代理的这种类型的分层模型需要不同层之间的较少的数据交换。这也开辟了提高执行不同计算的效率的可能性，例如使用并行计算。该代理可能(例如)作为具备输入和输出以及明确目的的(软件)实体来实现。代理顾及了本方法实施方式中的用户、组件或实体的利益。区域网络和相关区域计算代理也可以一起进行分层，因此，使用实际上无数目限制的层来创建网络结构。这种类型的模型也可称为“多代理系统”，即，具有多于一个代理的系统，其中代理可以或必须彼此协商或合作。
在一个实施方式中，该方法进一步包括：
由高阶区域计算代理向区域计算代理发送电网状态计算结果；
由区域计算代理再次进行状态计算；以及
由区域计算代理向本地代理发送状态计算结果。通过向低位代理反馈计算结果，定义数据的初步估计可由计算数据替换，且可开始新的迭代。
在进一步的实施方式中，该方法进一步包括由本地计算代理、区域计算代理和高阶区域计算代理迭代执行状态计算。对于不同状态计算(非线性方程)的解的迭代方法将导致一个更好且更快的解，即，较低的误差容限。
在进一步的实施方式中，由本地计算代理、区域计算代理和高阶区域计算代理中的两个以上并行地进行状态计算。这可节省进行状态计算所需的时间。
在进一步的实施方式中，本地计算代理、区域计算代理和高阶区域计算代理中的一个或多个作为自主单元实现。于是该代理是能够独立于电网中相同或不同层中的其他代理，自主地进行本地计算的自主单元。
在进一步的实施方式中，该方法包括：由区域计算代理向高阶区域代理和相关本地代理同时发送计算的状态。这保证了一个更直接的迭代，因此，在某些情况下，可更快地获取状态计算的解的收敛。
在进一步的实施方式中，高阶区域计算代理周期地进行状态计算。这导致该方法的行为可预测，如果状态计算结果被进一步用于其他测量或仿真，这样可能是有利的。
在进一步的实施方式中，高阶区域计算代理在接收到来自每个区域计算代理的结果之后进行状态计算。在该实施方式中，因此也取得了一个预期结果，但是有可能异步地接收状态计算结果，由此，对于一个新的状态计算所需的所有数据被首先收集。
在进一步的方面，本发明涉及计算机程序产品，其上存储计算机可执行指令，这些指令一经加载到计算机系统，就提供具有如上描述的、根据本实施方式之一的方法的功能的计算机系统。
在另一个方面，本发明涉及一种计算设备，用于对电网进行状态计算，其中计算设备包括一个或多个计算系统，且该一个或多个计算系统被设计为实现本地计算代理、区域计算代理和高阶区域计算代理中的一个或多个，因此，如上描述，计算设备获得根据本实施方式之一的方法的功能。一个这种类型的计算设备可(例如)由网络管理员有益地使用，监测电网以及执行电网仿真这两者。
在一个实施方式中，计算设备进一步设置有接口，从而接收来自传感器的测量数据。因此可在计算中包括最新测量数据。在进一步的实施方式中，计算设备是电网中节点的一部分，例如以嵌入系统的形式。
附图说明
现在将参考附图，基于多个示例实施方式更详细地讨论本发明，其中：
图1示出了可应用本发明的(小)电网的示例示意图；
图2示出了根据应用于图1所示电网的本发明的该方法的实施方式的实现方式的示意性表示；以及
图3示出了其上可实现(部分)本方法的计算机系统的示意性表示。
具体实施方式
有关电网的状态计算是电网设计、规划和操作中的重要资源。状态计算在相关技术领域中也被称为功率潮流或负载潮流计算。在状态计算中，在网络中的节点处计算(复)电压，其后，可计算通过电缆和电线的(有功和无功)功率潮流。状态计算通常包括数值分析方法以用于解或计算非线性方程。图1中示出了这种类型的电网1的例子。在该技术领域中，通常假设功率潮流计算的复杂度以节点K1至K11数量的三次方增加。
由于上述状态计算的复杂度，要计算的电网1的大小(即，节点数)通常受限，这是因为它是可以完成计算的速度。传统状态计算(功率潮流计算)是基于集中计算方法，例如借助于牛顿-拉夫逊方法。这里，在中心点处借助于矩阵解非线性方程组。使用来自现有技术的这些方法，通常不可能将计算分为可彼此独立进行的不同部分，且难以实现计算速度和计算范围的提升。
图1以示意图的形式示出了电网8中的11个节点(或总线)B1至B11。每个节点B1至B11连接至一个或多个其他节点B1至B11，从零个、一个或多个发电机G1至G4接收功率，并将功率传递至零个、一个或多个负载L1至L6。
在所示例子中，第一节点B1与第一负载L1连接，在所示例子中，该负载占用了140MW的有功功率和50MVAR的无功功率。第一节点B1进一步连接至节点B2和B6。第二节点B2从发电机G2接收9MW的有功功率和61MVAR的无功功率，并进一步连接至节点B3。如图1所示，其余节点B4至B11与其他组件相连接。
每个节点B1至B11或总线在电网1中具有相关状态，包括复电压、输入和输出(有功和无功)功率。
所指示的有功和无功功率可以是采用本领域技术人员所知的测量设备的，源自各自源G1至G5、负载L1至L6和节点B1至B11的真实的、最新测量数据。作为替代，数字也可以是仿真数据，例如，一个或多个前述数字可以作为参数来定义，其后计算并显示其他所示数据。
因此，网络管理员可以确定必须设计多粗的电缆和/或电线，例如，如果发电机G1至G4、负载L1至L6或电缆中的一个或多个故障，观察网络(仿真)的行为。
功率潮流或状态计算也可用于优化网络管理，例如，通过降低网络中的损耗，从而降低操作成本。
根据本发明，功率潮流或状态计算以分布方式进行，例如，借助于能够以本地级别(即，针对每个节点B1至B11)进行功率潮流计算的本地软件(代理)。
在图2中，根据本发明的方法的实施方式的实现被应用于图1所示的电网。图2所示电网2包括11个节点K1至K11。每个节点K1至K11可具备诸如有关图1讨论的例子的节点B1至B11之一的配置，即，发电机G1至G4、负载L1至L6和/或其他节点可被连接至每个节点K1至K11。节点K1至K6(使用其互连)形成第一区域或区域网络4，节点K7至K11形成第二区域或区域网络3。区域间连接T1位于节点K5和K8之间，该区域间连接将第一区域3和第二区域4互连以构成整个所呈现的电网2。
在每种情况下都具有全部本地信息(与相应的节点K1至K11相关联的测量或仿真数据)的代理A1至A11(本地计算代理)与各节点K1至K11相关联。这与迄今已知的、所有所需信息必须在电网1中集中可用的方法形成对比。每个代理A1至A11专门表示关联节点K1至K11的状态，即，可基于数据(估计或测量数据)来计算相关节点K1至K11的状态。该状态包括(就像在传统功率潮流计算中)节点K1至K11上的(复)电压，以及输入或输出(复)功率。在每个节点K1至K11中，可以知道某些参数，而其余参数则被初步估计并最终计算。
对于每个区域3、4，存在或分配区域计算代理R1、R2。每个区域网络3、4包括多个节点K1至K11的一部分，且总的区域网络3、4形成除了区域间连接T1(示例中在节点K5和K8之间)以外的电网2。区域计算代理R1、R2从代理A1至A11(其与来自相关区域3、4的节点K1至K11相关联)接收相关数据，即，状态计算结果。随后，区域计算代理R1、R2进行对于区域3、4本身已知的功率潮流计算，它在程度上受限，但不考虑区域3或另一区域4的动态影响(借助于区域间连接T1：这些都不考虑，且只作为边界条件纳入)。
每个区域计算代理R1、R2也进行相应的区域网络3、4的简化，并将其作为相关区域网络3、4的简化网络表示进行存储，例如甚至到一单个节点的级别，或几个节点的组合(少于相关区域网络3、4的节点总数)。这些数据(简化网络拓扑)也被转发至较高级别。
在这个例子中，区域网络3、4结合区域间连接T1而形成整个电网2。电网2当然可能包括更多的区域3、4，它们之间以一种更复杂或更简单的方式采用一个或多个区域间连接来互连。
高位的计算代理R3(或高阶区域计算代理)与整个电网2相关联，并从低位区域计算代理R1、R2接收信息，而不是直接从每个区域3、4的计算代理A1至A11接收。高位的计算代理R3从区域计算代理R1、R2接收涉及简化区域网络的数据和相关测量或仿真数据。因此，高位的计算代理R3可根据电网2(包括区域间连接T1)建模充分简化的网络，并且使用所有收集的数据，可快速并以不太复杂的方式来计算具备功率潮流计算的整个电网2。
在高位计算代理R3已进行计算之后，只要该信息与相关联的区域3、4有关，就与低位区域计算代理R1、R2共享或向其转发获取的信息(尤其包括区域3、4之间的链路)。为了进行本地级别的状态计算，获取的数据由区域计算代理R1、R2依次重新使用。因此，获取的数据再次被本地代理A1至A11共享或向其转发，随后这些本地代理能够以本地级别再次进行重新的功率潮流计算。
在进一步的实施方式中，为了达到针对整个网络2状态的稳定解，整个进程是迭代的。层的个数可大于这个例子(本地代理A1至A11；区域计算代理R1、R2；以及高阶区域计算代理R3)所示的3层。因此，采用进行计算仍然有限的方式，有可能对甚至更为复杂的电网进行状态计算(功率潮流)。基于(例如)可用计算资源，可进行对每个区域3、4的大小的优化。
迭代可从本地代理A1至A11层经由区域计算代理R1、R2向高阶区域计算代理R3进行并再次返回。作为替代，在进一步的实施方式中，计算的状态由区域计算代理R1、R2向高阶计算代理R3并且向相关联的本地代理A1至A11同时发送。在特定情况下，这可以导致迭代步骤的更快收敛。
在本发明的进一步实施方式中，高阶区域计算代理R3周期地进行状态计算。这提供了本方法的一种随时可预测的行为。作为替代，高阶区域计算代理R3在从每个区域计算代理接收结果之后进行状态计算。这使得本方法的子步骤能够在较低层异步执行，从而以总的尽可能少的迭代来进行。
在一个实施方式中，代理A1至A11和区域计算代理R1、R2、R3可作为在计算机系统25上执行的软件(模块、程序)实现。这种类型的计算机系统25在图3中示出(以简化形式)。计算机系统25包括处理器(PROC)20，以及与处理器20连接的存储器单元(mem)21(例如，硬盘和/或半导体存储器)和输入/输出单元(I/O)22。输入/输出单元(I/O)22连接各种外围设备23。
外围设备23的示例为读取单元，用于将计算机可执行指令读入存储器21。该读取单元可被设计为从计算机程序产品(例如，软盘或CD至ROM)读取数据(例如，计算机可执行指令)，或可在其上存储数据。其他类似的数据介质可为(例如)本领域技术人员所知的内存条，DVD或蓝光光盘。
计算机系统25中的处理器20可作为单机系统或数个并行操作处理器实现，每个并行操作处理器被设计为执行一个较大程序的子例程，或作为一个或多个具有各种子处理器的主处理器实现。
在一个实施方式中，各种本地代理A1至A11和区域计算代理R1、R2、R3在一个中央计算机系统25上实现。这能应用于，例如，如果功率潮流计算作为现有或未来电网2的仿真进行的情况。
作为替代，代理A1至A11和计算代理R1、R2、R3可在多个计算机系统25上(分散)实现，例如，在使用来自电网2的最新测量值(使用传感器23)的情况下。在一个实施方式中，输入/输出单元22是用于与一个或多个传感器23(作为与输入/输出单元22连接的外围设备23的进一步的例子)交换数据的接口22。传感器23测量电压、电流和/或与一个节点K1至K11相关联的其他运行参数。这些测量数据可用于在此描述的实施方式中。
分散式处理(例如，经由一个计算机网络)也可用在电网仿真中。
作为进一步的替代，由本地计算代理、区域计算代理和高阶区域计算代理中的两个以上并行地进行计算，例如在适用于并行执行软件的计算机系统25上。通过在多个(物理或虚拟)处理器20中分布本质上复杂的计算，这导致了时间增益。
在所有作为例子引用的实施方式中，本地计算代理A1至A11、区域计算代理R1、R2和高阶区域计算代理R3中的一个或多个可作为自主单元实现。这种类型的自主单元能够独立于相同或不同层中的其他代理，自主地进行本地计算。
在另一个进一步的实施方式中，该发明作为计算设备实现。该计算设备包括如图3所示的一个或多个计算系统25。一个或多个计算系统25被设计为实现本地计算代理A1至A11和区域计算代理R1、R2、R3中的一个或多个，例如，以软件模块的形式。该计算设备被设计为，例如，借助于软件程序，实现上述实施方式之一。
参考各种实施方式，如描述的计算设备可以是电网2中的节点K1至K11的一部分，且可能，例如，作为一个嵌入系统实现。
参考实施方式和例子，本发明已被详细描述。对于本领域技术人员而言明确的是，所讨论的实施方式的各部分可以不同方式来实现，而仍然达到相同结果。随后，本应用的保护范围也由权利要求中定义的元素及其等价物来确定。

Claims (11)

1.一种用于在具备多个节点(K1至K11)的电网(2)中进行状态计算的方法，其中，节点(K1至K11)具有关联状态，该关联状态包括复电压、传入和传出功率，其中，所述方法包括：
向所述多个节点(K1至K11)中的每个分配本地计算代理(A1至A11)，其中，所述本地计算代理(A1至A11)专门进行相关联的所述节点(K1至K11)的状态计算；
向区域网络(3、4)分配区域计算代理(R1、R2)，其中，每个所述区域网络(3、4)包括所述多个节点(K1至K11)中的一部分，且区域网络(3、4)的总体形成除了区域网络(3、4)之间的区域间连接(T1)以外的所述电网(2)；
由所述区域计算代理(R1、R2)接收相关联的所述本地计算代理(A1至A11)的状态计算结果，并基于该计算结果，执行针对相关联的所述区域网络(3、4)的状态计算，并创建相关联的所述区域网络(3、4)的简化网络表示；以及
由高阶区域计算代理(R3)接收所述区域计算代理(R1、R2)的状态计算的结果和所述简化网络表示，以及，基于所述简化网络表示计算所述电网(2)的状态。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
由所述高阶区域计算代理(R3)向所述区域计算代理(R1、R2)发送所述电网的状态计算结果；
由所述区域计算代理(R1、R2)再次进行状态计算；以及
由所述区域计算代理(R1、R2)向所述本地代理(A1至A11)发送状态计算结果。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
由所述本地计算代理(A1至A11)、所述区域计算代理(R1、R2)以及所述高阶区域计算代理(R3)迭代地执行状态计算。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，由所述本地计算代理(A1至A11)、所述区域计算代理(R1、R2)和所述高阶区域计算代理(R3)中的两个以上并行地进行状态计算。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述本地计算代理(A1至A11)、所述区域计算代理(R1、R2)和所述高阶区域计算代理(R3)中的一个或多个作为自主单元实现。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，进一步包括：
由所述区域计算代理(R1、R2)向所述高阶区域计算代理(R3)和相关联的所述本地代理(A1至A11)同时发送所计算的状态。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述高阶区域计算代理(R3)周期地进行状态计算。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述高阶区域计算代理(R3)在接收到来自每个所述区域计算代理(R1、R2)的结果之后进行状态计算。
9.一种用于对电网进行状态计算的计算设备，其中，所述计算设备包括一个或多个计算系统(25)，且所述一个或多个计算系统(25)被设置为实现本地计算代理(A1至A11)、区域计算代理(R1、R2)和高阶区域计算代理(R3)中的一个或多个，因此所述计算设备获得根据权利要求1至8中任一项所述方法的功能。
10.根据权利要求9所述的计算设备，进一步设置有接口(22)，用于接收来自传感器(23)的测量数据。
11.根据权利要求9或10所述的计算设备，其中，所述计算设备是所述电网(2)中的节点(K1至K11)的一部分。
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