CN106485008A - 一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法 - Google Patents

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    • Y04S10/50—Systems or methods supporting the power network operation or management, involving a certain degree of interaction with the load-side end user applications

Abstract

本发明揭示了一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法，该方法是读入系统网架数据、运行数据和故障数据，进行初始状态下系统的潮流计算，依据预想故障集内的故障数将各故障分配到可利用的各核心，各个核心对分配到的故障方式进行最大切除时间的求解，求解结束后各核心将计算结果发送至主线程客户端，最后客户端汇总并输出总结果。本发明的方法运用多核心并行计算技术，极大地提高了电力系统故障最大切除时间的计算速度，尤其是在预想故障集较为庞大的情况下，能显著减少用户的等待时间。在这个前提下，可以考虑将某一电力系统所有的线路纳入预想故障集，其最大切除时间计算结果与继电保护整定值对比后即可完整反映此电力系统的暂态安全稳定裕度，为电网的规划和运行提供一个直观的指导。

Description

一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法
技术领域
本发明涉及电力系统暂态稳定分析和优化领域，尤其涉及一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法。
背景技术
当前电力系统规模日益扩大，新能源接入不断增多，电力市场快速发展，系统运行有可能接近其稳定极限状态。电力系统暂态稳定性是指系统在遭受大扰动后，各发电机能够保持同步稳定运行的能力。而大扰动可以是短路故障、断线故障、大型设备突然投退等。系统突然发生故障后，它的暂态稳定性受到威胁，快速切除故障是维持暂态稳定最简单、高效的措施。最大切除时间，又称临界切除时间，是一个重要的临界参数，它能为安全经济调度及预防控制提供有价值的信息。
以并行计算为代表的高性能计算技术是求解大规模工程问题的重要保障。实际电网结构复杂，包含线路众多，预想故障集庞大。如果采用传统串行计算方法，CPU计算资源不能被有效利用，求解耗时长，计算结果失去对调度运行的指导意义。随着计算机硬件技术的发展，多核CPU、多CPU以及超级计算机的应用开始普及，并行计算可利用的核心数已经达到与故障集规模相同的数量级。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种电力系统故障最大切除时间的并行计算方法，该方法将计算任务合理分配到处理器核心上，求解同一个电力系统不同初始运行状态和故障方式下所对应的最大切除时间，解得的最大切除时间即可与继电保护整定时间比较，获得按工程或给定功角稳定标准下的系统暂态稳定性结论及裕度指标。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法，其包括如下步骤：步骤一，计算机从外存储器读入用户整理好的潮流数据、发电机组参数和算法控制参数文件；步骤二，执行潮流计算，先利用潮流数据生成节点导纳矩阵，再使用牛顿法求解潮流，得到初始变量：电压幅值、电压相角、发电机转角、速度、发电机机械功率；步骤三，程序检测可利用的计算核心资源，在每个核心上开启工作进程，工作进程等待接收数据；步骤四，确定预想故障集的内容，主进程根据核心数将故障集划分成故障子集，把故障子集分配到各个工作进程，分配结束后每个工作进程获得大致相等的故障数量；步骤五，各核心的工作进程接收故障子集，以最大切除时间为待求目标，系统中各发电机转子运动方程按隐式梯形积分规则差分化并作为等式约束，转子相对角度极限为不等式约束，建立一个完全基于时域仿真及数值计算，可准确求解给定功角极限标准下电力系统故障后最大切除时间的计算模型，使用现代内点法依次对故障子集内的所有故障方式求解最大切除时间，并将计算结果发送给往主进程；步骤六，主进程接收各个工作进程的计算结果，直到所有工作进程完成任务；步骤七，汇总输出系统各预想故障对应的最大切除时间计算结果，停机。
此外，本发明还提供如下附属技术方案：
所述潮流数据包含线路参数、变压器参数、接地支路参数、节点电压边界、以及节点功率数据。
所述发电机参数包括耗量特性、出力边界、暂态电抗、以及惯性时间常数。
所述算法控制参数包含计算精度、最大迭代次数、积分步长、以及仿真时长。
相比于现有技术，本发明的优势在于：运用多核心并行计算技术，极大地提高了电力系统故障最大切除时间的计算速度，尤其是在预想故障集较为庞大的情况下，能显著减少用户的等待时间。在这个前提下，可以考虑将某一电力系统所有的线路纳入预想故障集，其最大切除时间计算结果与继电保护整定值对比后即可完整反映此电力系统的暂态安全稳定裕度，为电网的规划和运行提供一个直观的指导。
附图说明
图1是本发明的电力系统故障最大切除时间的多核心并行计算方法流程图。
图2是以串行模式运行的CPU利用率图。
图3是以多核心并行模式运行的CPU利用率图。
具体实施方式
以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。
如图1所示，算法启动后，进入步骤一，计算机从外存储器读入用户整理好的潮流数据、发电机组参数和算法控制参数文件。其中，潮流数据包含线路参数、变压器参数、接地支路参数、节点电压边界、以及节点功率数据；发电机参数包括耗量特性、出力边界、暂态电抗、以及惯性时间常数；算法控制参数包含计算精度、最大迭代次数、积分步长、以及仿真时长。
图1中步骤二执行潮流计算，首先利用潮流数据生成节点导纳矩阵，然后使用牛顿法求解潮流，得到初始变量：电压幅值、电压相角、发电机转角、速度、发电机机械功率。
图1中步骤三程序检测可利用的计算核心资源，在每个核心上开启工作进程，工作进程等待接收数据。
图1中步骤四确定预想故障集的内容，主进程根据核心数将故障集划分成故障子集，把故障子集分配到各个工作进程，分配结束后每个工作进程获得大致相等的故障数量。
图1中步骤五各核心的工作进程接收故障子集，以最大切除时间为待求目标，系统中各发电机转子运动方程按隐式梯形积分规则差分化并作为等式约束，转子相对角度极限为不等式约束，建立一个完全基于时域仿真及数值计算，可准确求解给定功角极限标准下电力系统故障后最大切除时间的计算模型。使用现代内点法依次对故障子集内的所有故障方式求解最大切除时间，并将计算结果发送给往主进程。
图1中步骤六主进程接收各个工作进程的计算结果，直到所有工作进程完成任务。
图1中步骤七汇总输出系统各预想故障对应的最大切除时间计算结果，停机。
本发明使用现代内点算法求解最大切除时间，所用到的数学模型如下：
max tc\*MERGEFORMAT(1.1)
s.t.xc＝F(tc)\*MERGEFORMAT(1.2)
g+(xe,ye,λe)＝0\*MERGEFORMAT(1.4)
hmin≤h(xe,λe)≤hmax\*MERGEFORMAT(1.5)
式中，
tc：故障持续时间(即故障切除时刻)；
F(tc)：故障连续轨迹关于时间的函数；
xc：故障切除时刻的动态变量；
xe,ye,λe：故障切除后的变量和参数；
h(xe)：稳定判据和时间限制；
hmin,hmax：不等式约束上、下限。
本发明采用多机系统经典模型，即各发电机用暂态电抗X′d后的电势E恒定，且δ与转角相等来模拟；负荷用恒定阻抗模型，原动机功率不变。
利用隐式梯形积分规则差分化系统中各发电机的转子运动方程，可得到递推方程组。将之与潮流方程、初值方程联立求解，即可精确求解故障连续轨迹。由于切除时间通常较小，不会超过1秒。仅计算0.5～1秒内的故障连续轨迹已足够。同时，这个轨迹是按积分步长分段的一系列时间点，只要积分步长足够小，便可有足够的精度保证。利用这一系列的离散点进行插值或曲线拟合，即可得到精确的故障连续轨迹关于时间的函数，即式(1.2)。
式(1.3)所示故障切除后的各发电机转子运动方程组，同样可以利用隐式梯形积分规则差分化，并作为等式约束。由于切除时间一般不超过1秒，因此，可在不等式约束中增加时间约束。建立仿真计算模型：
min-tc\*MERGEFORMAT(1.6)
0≤tc≤1\*MERGEFORMAT(1.12)
式中，
δci,ωci：故障切除时刻各发电机转角和速度；
故障连续轨迹关于时间的函数；
故障切除后各时段各发电机转角、转速；
故障切除后各时段各发电机电磁功率；
故障切除后各时段的惯性中心角度，
tc小于0或模型无解时，可认为系统在给定功角极限δ,下无法保持稳定；tc大于0.5～1秒时，可认为系统在给定功角极限δ,下必定稳定；式(1.8)～(1.9)中的等于δci,ωci；为发电机的电磁功率。
模型(1.8)～(1.12)属动态最优化，本发明采用基于原问题Karush-Kuhn-Tucker即KKT条件的现代内点算法来求解。
为更加详细地说明本发明的有益效果，这里使用某地区195节点系统对本发明提出的计算方法进行测试。
该系统包含线路141条，发电机29台。运行测试时选择积分步长为0.05s，仿真时长2s。测试用的计算机使用16核心1.8GHz处理器。测试结果如表1。
表1.195节点系统测试结果
从表1可以看出，在使用多核心并行计算技术之前，计算16个故障耗时18秒，并且随着故障集规模增长耗时也线性增长，当到达128个故障规模时，整个计算需要1分钟以上；使用并行计算技术之后，8核心情况下，加速比在5至5.5之间，16核心情况下，加速比在7至8之间。可以看出，对比单核心的计算时间，并行计算技术加速效果较好。
另一方面，多核心的引入改善了计算资源的利用效率，可以用CPU利用率图看出。图2是串行模式下计算机CPU的利用率图，只有个别核心得到利用，其余大多数核心处在半载和轻载状态；图3是16核心模式下CPU各核心利用率图，相比图2，图3中大多数核心得到利用，利用率均在50％以上，整体利用率也大幅度提高(空白区域较图2减少)。

Claims (4)

1.一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法，其特征在于其包括如下步骤：
步骤一，计算机从外存储器读入用户整理好的潮流数据、发电机组参数和算法控制参数文件；
步骤二，执行潮流计算，先利用潮流数据生成节点导纳矩阵，再使用牛顿法求解潮流，得到初始变量：电压幅值、电压相角、发电机转角、速度、发电机机械功率；
步骤三，程序检测可利用的计算核心资源，在每个核心上开启工作进程，工作进程等待接收数据；
步骤四，确定预想故障集的内容，主进程根据核心数将故障集划分成故障子集，把故障子集分配到各个工作进程，分配结束后每个工作进程获得大致相等的故障数量；
步骤五，各核心的工作进程接收故障子集，以最大切除时间为待求目标，系统中各发电机转子运动方程按隐式梯形积分规则差分化并作为等式约束，转子相对角度极限为不等式约束，建立一个完全基于时域仿真及数值计算，可准确求解给定功角极限标准下电力系统故障后最大切除时间的计算模型，使用现代内点法依次对故障子集内的所有故障方式求解最大切除时间，并将计算结果发送给往主进程；
步骤六，主进程接收各个工作进程的计算结果，直到所有工作进程完成任务；
步骤七，汇总输出系统各预想故障对应的最大切除时间计算结果，停机。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法，其特征在于：所述潮流数据包含线路参数、变压器参数、接地支路参数、节点电压边界、以及节点功率数据。
3.根据权利要求1所述的一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法，其特征在于：所述发电机参数包括耗量特性、出力边界、暂态电抗、以及惯性时间常数。
4.根据权利要求1所述的一种电力系统故障后最大切除时间的多核心并行计算方法，其特征在于：所述算法控制参数包含计算精度、最大迭代次数、积分步长、以及仿真时长。
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CN101751518A (zh) * 2009-12-21 2010-06-23 江西省电力公司 基于集群的故障临界切除时间并行计算方法
CN101976835A (zh) * 2010-10-11 2011-02-16 重庆大学 一种大规模电力系统牛顿潮流的并行计算方法

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