CN105354656A - 基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法及系统，以全量测配置为边界对配电网进行解耦分区，把分区作为独立的分析单元对状态估计进行分块处理，再采用基于支路电流的量测变换技术对配电网的单分区进行状态估计，弥补了量测变换中无法利用电压量测的缺陷；同时构建分布式并行计算的分层结构，引入基于消息中间件ZeroMQ，采用不同类型套接字组合实现分布式系统内部的N-N高效通信，并在分布式并行计算平台上以分区状态估计为子任务，实现全网状态估计的分布式并行计算，使应用程序不直接通信，与消息中间件通信，实现应用程序的松耦合方式集成，支持多个线程、内核和主机盒之间的弹性伸缩，支持分布式系统构架，以统一接口支持包括线程间通信。

Description

基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统配电网状态估计领域，尤其涉及一种基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法及系统。

背景技术

目前配电网量测配置不足、量测装置误差较大，无法满足配电网自动化和智能化的精度要求。因此需要通过状态估计的过滤作用和对配电网实时数据进行优化，使其具有更高的完整性和精确性，以满足智能配电网各项高级应用对实时数据的要求。目前配电网状态估计存在以下不足：

1.状态估计一般采用量测变换这一经典的方法，但是其中提出的基于支路电流的量测变换是状态估计信息矩阵与支路阻抗无关，实现三相解耦以及实虚部解耦，求解简单，计算速度快；并且过程中无法利用电压幅值量测，而电压幅值量测是配网量测配置中精确度最高的，这是对现有量测数据的浪费。

2.配电网分支多，规模大，使得配电网状态估计的矩阵规模巨大，各种传统的配电网状态估计串行计算方法均难以满足配网大规模实时快速计算的要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于包括如下步骤：

1)系统初始化：构建分布式并行计算平台，所述分布式并行计算平台包括服务器端、执行端、外部系统和客户端，所述服务器端还包括实例和管理模块，由外部系统获取配电系统的初始数据；

2)所述客户端向管理模块发送任务请求，获得实例信息，选择实例；

3)所述实例接收到客户端发来的任务请求，从任务表中获取任务信息，对状态估计分析对象进行拓扑结构分析及解耦分区；然后以分区为单位进行任务分解，将状态估计任务分解为多个分区状态估计子任务；

4)将子任务组发给管理模块，管理模块的负载均衡中间件，存储任务信息后将子任务包派发各隔执行端；

5)所述执行端按照优先级把子任务包加入任务队列，由任务执行线程按顺序从任务队列中取子任务包进行单分区状态估计计算；

6)计算结束后，执行端根据子任务包里的实例信息向相应实例返回子任务中对应分区状态估计的计算结果；

7)实例收回所有子任务后，整合计算结果，并将计算结果列表返回给客户端。

作为上述技术方案的改进，所述步骤3)中子任务包组成子任务，所述每个子任务包包括任务表、CIM类对象、SCADA类对象以及实例信息。

作为上述技术方案的改进，所述步骤4)管理模块中负载均衡中间件，根据最近最少使用的原则将子任务包均衡地分配给可用的执行端。

作为上述技术方案的改进，所述步骤3)中状态估计分析对象的解耦分区的具体步骤为：以馈线为单位将状态估计分析对象划分为若干个计算区域，并进一步根据全量测配置状态将馈线划分为若干个独立的分区，每个馈线单位可以作为一个子任务的状态估计分析对象和一个独立的计算单元。

作为上述技术方案的改进，所述步骤5)中单分区状态估计计算步骤为：

1)读取分析对象初值化信息；

2)从末端回推各支流电流；

3)由支路电流及根节点电压前推各节点电压初值；

4)量测变换，更新量测相量z；

5)更新雅可比矩阵H、增益矩阵G＝H’WH，并将G因子化分解；

6)求取状态量迭代值△x^l＝(H^TWH)^-1H^TW[z^l-h(x^l)]；

7)更新状态量 ${\hat{x}}^{(l+1)}={\hat{x}}^{\left(l\right)}+\mathrm{\Δ}{\hat{x}}^{\left(l\right)};$

8)由更新的支路电流前推各节点电压值；

9)判断是否|Δx^l|_max＜ε_x，否，进一步判断是否I≤MIXNUM，是，l＝l+1，否，发散；是，输出量测估计值及估计残差。

作为上述技术方案的改进，所述量测变换将将实时支路功率量测及节点负荷伪量测转换为等效电流量测，实时支路功率量测P_ij、Q_ij的等效电流量测为节点负荷伪量测P_j、Q_j的等效电流量测为所述V_i、V_j分别为节点i、j的电压。

作为上述技术方案的改进，所述量测函数为选择各支路电流的实部虚部为状态变量，建立量测函数，由状态量表示量测量，计算方式如下：

I_ijr＝I_ijr,I_ijx＝I_ijx

I_jr＝I_ijr-I_jkr,I_jx＝I_ijx-I_jkx

I_kr＝I_jkr,I_kx＝I_jkx

$\left|I_{jk}\right|=\sqrt{{I_{jkr}}^2+{I_{jkx}}^2}$

其中，下标r/x分别表示电流的实部和虚部。

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法配电网状态估计的分布式并行计算系统，其特征在于包括：

数据处理模块，将SCADA系统提供的数据、CIM模型的XML数据进行解析，所述数据通过标准的CIS接口传入系统；提供对计算结果的处理，封装成标准的格式，通过标准CIS接口返回用户；

解耦分区模块，把分区作为独立的分析单元对状态估计进行分块处理；

分区状态估计模块，在分区式平台上实现状态估计计算；

结果分析模块，是对状态估计计算的结果进行分析与应用。

本发明的有益效果有：

本发明一种基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法及系统，以全量测配置为边界对配电网进行解耦分区，把分区作为独立的分析单元对状态估计进行分块处理，再采用基于支路电流的量测变换技术对配电网的单分区进行状态估计，弥补了量测变换中无法利用电压量测的缺陷；同时构建分布式并行计算的分层结构，引入基于消息中间件ZeroMQ，采用不同类型套接字组合实现分布式系统内部的N-N高效通信，并在分布式并行计算平台上以分区状态估计为子任务，实现全网状态估计的分布式并行计算，使应用程序不直接通信，与消息中间件通信，实现应用程序的松耦合方式集成，支持多个线程、内核和主机盒之间的弹性伸缩，支持分布式系统构架，以统一接口支持包括线程间通信。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明，其中：

图1是本发明具体实施例的分布式计算平台总体结构框图；

图2是本发明具体实施例的状态估计并行计算实现流程图示；

图3是本发明具体实施例的馈线分区示意图；

图4本发明具体实施例的单分区状态估计流程图；

图5是本发明具体实施例的三节点馈线示意图；

图6是本发明具体实施例的分布式系统的总体架构；

图7是本发明具体实施例的分布式平台层次结构；

图8是本发明具体实施例的分布式通信架构示意图。

具体实施方式

参见图2，本发明实施例的目的在于一种配电网状态估计的分布式并行计算方法，具体步骤包括：

1)系统初始化：构建分布式并行计算平台，所述分布式并行计算平台包括服务器端、执行端、外部系统和客户端，所述服务器端还包括实例和管理模块，由外部系统获取配电系统的初始数据；

2)所述客户端向管理模块发送任务请求，获得实例信息，选择实例；

3)所述实例接收到客户端发来的任务请求，从任务表中获取任务信息，对状态估计分析对象进行拓扑结构分析及解耦分区；然后以分区为单位进行任务分解，将状态估计任务分解为多个分区状态估计子任务；子任务组由这些子任务包组成，每个子任务包中包含了该分区的任务表、CIM类对象、SCADA类对象以及实例信息；

4)将子任务组发给管理模块的负载均衡中间件，并存储任务信息。管理模块的负载均衡中间件在收到实例发来的子任务组后，根据最近最少使用的原则将子任务包均衡地分配给可用的执行端；

5)执行端的任务接收线程收到子任务包后，执行端按照优先级把子任务包加入任务队列，由任务执行线程按顺序从任务队列中取子任务包进行单分区状态估计计算；

6)计算结束后，执行端根据子任务包里的实例信息向相应实例返回子任务中对应分区状态估计的计算结果；

7)实例收回所有子任务后，整合计算结果，并将计算结果列表返回给客户端。

进一步参见图3目前多数综合量测装置可以测得所测支路的功率以及相应节点的电压，这样的实时量测称为全量测。全量测对分析对象进行分区的理论认为以全量测为边界将馈线划分为最小的独立区域时各区域状态估计结果相互独立，并验证了各分区之间的耦合性。

根据该理论，以馈线为单位将状态估计分析对象划分为若干个计算区域，并进一步根据全量测配置状态将馈线划分为若干个独立的分区，每个分区作为一个独立的计算单元。这样，在对分析对象进行状态估计时，以分区为单位进行任务分解，将状态估计任务分解为多个分区状态估计子任务进行并行计算。其中，mea1，2，3均为全量测点。Feeder2可以划分为三个分区，每个分区可以作为一个子任务的状态估计分析对象，支持多个执行端同时对不同分区分别进行状态估计分析，达到对全网并行计算的效果。

进一步参照图4，单分区状态估计计算步骤为：

1)读取分析对象初值化信息；

2)从末端回推各支流电流；

3)由支路电流及根节点电压前推各节点电压初值；

4)量测变换，更新量测相量z；

5)更新雅可比矩阵H、增益矩阵G＝H’WH，并将G因子化分解；

6)求取状态量迭代值△x^l＝(H^TWH)^-1H^TW[z^l-h(x^l)]；

7)更新状态量 ${\hat{x}}^{(l+1)}={\hat{x}}^{\left(l\right)}+\mathrm{\Δ}{\hat{x}}^{\left(l\right)};$

8)由更新的支路电流前推各节点电压值；

9)判断是否|Δx^l|_max＜ε_x，否，进一步判断是否I≤MIXNUM，是，l＝l+1，否，发散；是，输出量测估计值及估计残差。

进一步参照图5，量测变换将将实时支路功率量测及节点负荷伪量测转换为等效电流量测，实时支路功率量测P_ij、Q_ij的等效电流量测为节点负荷伪量测P_j、Q_j的等效电流量测为所述V_i、V_j分别为节点i、j的电压。量测函数为选择各支路电流的实部虚部为状态变量，建立量测函数，由状态量表示量测量，计算方式如下：

I_ijr＝I_ijr,I_ijx＝I_ijx

I_jr＝I_ijr-I_jkr,I_jx＝I_ijx-I_jkx

I_kr＝I_jkr,I_kx＝I_jkx

$\left|I_{jk}\right|=\sqrt{{I_{jkr}}^2+{I_{jkx}}^2}$

其中，下标r/x分别表示电流的实部和虚部。基于支路电流量测变换的状态估计，其基本原理是加权最小二乘法，目标函数如下：

$\min J\left(\hat{x}\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{w}_i{\left(x_i{h}_i\right(x\left)\right)}^2={\[z-h\left(x\right)\]}^{T}W\[z-h\left(x\right)\]$

其中，z_i为量测向量；w_i为量测量z_i对应的权重系数，W为权重系数矩阵；h_i(x)为z_i对应的量测函数，h(x)为量测函数。

第l次迭代中状态量的迭代方程为：

$\mathrm{\Δ}{\hat{x}}^{\left(l\right)}={\[H^T\left({\hat{x}}^{\left(l\right)}\right)WH\left({\hat{x}}^{\left(l\right)}\right)\]}^{-1}{H}^T\left({\hat{x}}^{\left(l\right)}\right)W\[z^{\left(l\right)}-h\left({\hat{x}}^{\left(l\right)}\right)\]$ 其中 $H\left(x\right)=\frac{\∂h\left(x\right)}{\∂x^T}$ 为量测Jacobian矩，由于h(x)多为线性函数，除电流幅值量测外相应的H矩阵元素均由{1，-1，0}组成；电流幅值量测对应的H矩阵非零元素取决于上一次迭代中相应支路电流向量的相角大小

迭代过程中量值修正分为以下三部分：

1)状态量修正：由迭代方程得到的更新状态量

2)节点电压修正：经修正的状态量即各支路电流的更新值，结合分区根节点电压前推出各节点电压；

3)量测量修正：由电压更新值重新计算功率量测的等效电流量测值，修正量测量；由支路电流值更新电流幅值量测相应的支路电流相角，为下次迭代中Jacobian矩阵H的求取做准备。

进一步参照图6和图7，所述分布式并行计算平台包括服务器端、执行端、外部系统和客户端，所述服务器端还包括实例和管理模块，由外部系统获取配电系统的初始数据。核心模块即消息通信层是四个子系统交互的纽带，每个子系统维护各自的消息管理模块，用来与其他子系统传递数据。服务器端：负责任务调度及数据处理，其层次结构从低到高分别为：数据访问层对数据库进行连接、查询、插入、删除等操作，数据管理层为上层提供所需计算数据及消息系统中的各类操作，业务规则层进行拓扑分析和任务管理。执行端：负责子任务的计算，为任务管理模块和上层任务的执行提供分区状态估计计算；外部系统：为外部数据接口，将DAS系统、EMS系统及图资系统等外部数据接入平台系统。客户端：任务请求，通过客户端设置状态估计任务参数。

进一步参照图8，分布式通信网络架构包括外部系统(EMS、DAS、图资)、主PAS(若干实例)、管理模块(包含负载均衡中间件)、若干PAS客户端、若干执行进程。

(1)初始化操作

实例首次启动时，首先连接至外部系统暴露的IP和端口，通过REQ向外部系统请求初始化，外部系统通过REP将所有数据返回，外部系统的REP和实例的REQ是一对多的关系，每个外部系统的REP与若干个实例的REQ相连接；然后，通过读取管理模块配置文件得到管理模块的IP和绑定端口号，连接到管理模块，向管理模块注册自己的IP和绑定的端口组。

执行端首次启动时，通过读取管理模块配置文件得到管理模块的IP和绑定端口号，连接至管理模块，通过REQ-REP套接字向管理模块发送REQ请求，并由管理模块的REP获得在线实例的信息。

PAS客户端读取管理模块配置文件得到管理模块的IP和绑定端口，连接至管理模块。

(2)通信网架的交互关系

1)实例-外部系统：PUB-SUB：外部系统通过发布套接字PUB定时向各实例推送实时更新的动态数据，各实例通过套接字SUB订阅更新数据。

2)客户端-管理模块：REQ-REP：PAS客户端REQ向管理模块发送任务请求后，通过管理模块的REP获取在线实例的信息，此时PAS可以自主选择某个实例进行连接。

3)客户端-实例：DEALER-ROUTER：PAS客户端通过套接字DEALER向所选实例ROUTER发送任务，不管实例有没有返回任务结果，都可以继续向实例发送其他任务请求；实例的ROUTER可以被多个客户端的DEALER连接，同时接受不同客户端的任务请求。

4)实例-管理模块：PUSH-PULL：初始化完成后，实例轮询所需要监听的端口，当接收到客户端发来的任务请求后，将任务切分成子任务组，PUSH至管理模块的负载均衡中间件，并存储任务信息。

5)管理模块-执行端：PUSH-PULL：执行端的任务接收线程轮询所有需要监听的端口，主动发现实例，接收管理模块PUSH来的子任务。

6)执行进程-实例：PUSH-PULL：执行端计算结束后，根据子任务包里实例信息向相应实例PULL端口PUSH本执行端信息与子任务的计算结果。

进一步参考图1，本发明具体实施例的另一个目的在于提供一种配电网状态估计的分布式并行计算系统，包括数据处理模块，将SCADA系统提供的数据、CIM模型的XML数据进行解析，所述数据通过标准的CIS接口传入系统；提供对计算结果的处理，封装成标准的格式，通过标准CIS接口返回用户；

解耦分区模块，把分区作为独立的分析单元对状态估计进行分块处理；

分区状态估计模块，在分区式平台上实现状态估计计算；

结果分析模块，是对状态估计计算的结果进行分析与应用。

以上所述，只是本发明的较佳实施方式而已，但本发明并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于包括如下步骤：

1)系统初始化：构建分布式并行计算平台，所述分布式并行计算平台包括服务器端、执行端、外部系统和客户端，所述服务器端还包括实例和管理模块，由外部系统获取配电系统的初始数据；

2)所述客户端向管理模块发送任务请求，获得实例信息，选择实例；

3)所述实例接收到客户端发来的任务请求，从任务表中获取任务信息，对状态估计分析对象进行拓扑结构分析及解耦分区；然后以分区为单位进行任务分解，将状态估计任务分解为多个分区状态估计子任务；

4)将子任务组发给管理模块，管理模块的负载均衡中间件，存储任务信息后将子任务包派发各隔执行端；

5)所述执行端按照优先级把子任务包加入任务队列，由任务执行线程按顺序从任务队列中取子任务包进行单分区状态估计计算；

6)计算结束后，执行端根据子任务包里的实例信息向相应实例返回子任务中对应分区状态估计的计算结果；

7)实例收回所有子任务后，整合计算结果，并将计算结果列表返回给客户端。

2.根据权利要求1所述的基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于，所述步骤3)中子任务包组成子任务，所述每个子任务包包括任务表、CIM类对象、SCADA类对象以及实例信息。

3.根据权利要求1所述的基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于，所述步骤4)管理模块中负载均衡中间件，根据最近最少使用的原则将子任务包均衡地分配给可用的执行端。

4.根据权利要求1所述的基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于，所述步骤3)中状态估计分析对象的解耦分区的具体步骤为：以馈线为单位将状态估计分析对象划分为若干个计算区域，并进一步根据全量测配置状态将馈线划分为若干个独立的分区，每个馈线单位可以作为一个子任务的状态估计分析对象和一个独立的计算单元。

5.根据权利要求1所述的基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于，所述步骤5)中单分区状态估计计算步骤为：

1)读取分析对象初值化信息；

2)从末端回推各支流电流；

3)由支路电流及根节点电压前推各节点电压初值；

4)量测变换，更新量测相量z；

5)更新雅可比矩阵H、增益矩阵G＝H’WH，并将G因子化分解；

6)求取状态量迭代值△x^l＝(H^TWH)^-1H^TW[z^l-h(x^l)]；

7)更新状态量

8)由更新的支路电流前推各节点电压值；

9)判断是否|Δx^l|_max＜ε_x，否，进一步判断是否I≤MIXNUM，是，l＝l+1，否，发散；是，输出量测估计值及估计残差。

6.根据权利要求5所述的基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于，所述量测变换将将实时支路功率量测及节点负荷伪量测转换为等效电流量测，实时支路功率量测P_ij、Q_ij的等效电流量测为节点负荷伪量测P_j、Q_j的等效电流量测为所述V_i、V_j分别为节点i、j的电压。

7.根据权利要求5所述的基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算方法，其特征在于，所述量测函数为选择各支路电流的实部虚部为状态变量，建立量测函数，由状态量表示量测量，计算方式如下：

I_ijr＝I_ijr,I_ijx＝I_ijx

I_jr＝I_ijr-I_jkr,I_jx＝I_ijx-I_jkx

I_kr＝I_jkr,I_kx＝I_jkx

其中，下标r/x分别表示电流的实部和虚部。

8.基于分区解耦的配电网状态估计的分布式并行计算系统，其特征在于包括：

数据处理模块，将SCADA系统提供的数据、CIM模型的XML数据进行解析，所述数据通过标准的CIS接口传入系统；提供对计算结果的处理，封装成标准的格式，通过标准CIS接口返回用户；

解耦分区模块，把分区作为独立的分析单元对状态估计进行分块处理；

分区状态估计模块，在分区式平台上实现状态估计计算；

结果分析模块，是对状态估计计算的结果进行分析与应用。