CN110175390B - 一种基于多背包问题分析的rtds仿真资源分配方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法及其系统，方法包括以下步骤：将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络；计算电网建模所需的仿真存储单元资源总量、每个RACK可用存储资源计算结果；并计算出一次电网模型需要的RACK数量；将划分形成的子网络抽象为待装物体，将每个RACK抽象为背包，建立RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型；求解RTDS仿真资源分配的多背包动态规划算法，并进行RTDS仿真资源分配。本发明能够通过定量分析，有效辅助建模设计人员分配RTDS仿真资源，提升RACK资源分配的合理性和仿真运行的稳定性。

Description

一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法及其系统
技术领域
本发明属于电力系统实时数字仿真技术领域，更准确地说，本发明涉及一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法及其系统。
背景技术
随着特高压直流的快速发展，我国电网已经进入交直流混合输电、区域电网互联运行阶段，这为实现资源大范围的统筹优化配置发挥了重要作用。但同时在特高压电网建设过渡期，电网“强直弱交”特性明显，系统安全运行面临较大风险。在多直流密集馈入的新格局下，接受外来电力依赖程度不断提高，随着经济发展进入新常态，在负荷增长缓慢的背景下，特高压直流受端电网本地机组大量关停，一旦发生特高压直流闭锁等故障，由其引发的功率缺额极有可能导致局部电网超稳定限额运行，严重情况下可能诱发连锁故障或大范围停电。
为了抵御特高压直流系统严重故障对区域电网冲击，国家电网公司牵头开展系统保护工程建设，综合利用全网控制资源，应对电网严重故障，提升电网稳定水平。系统保护工程控制层次架构复杂，控制信息需要穿越层级多、传输距离远，需要基于RTDS(实时数字仿真系统，由多个称为rack的仿真单元构成)建立一次电网模型，通过实时数字仿真验证其在实际大电网中的动作特性和控制策略的有效性。
然而，建立大电网模型需要消耗大量RTDS仿真资源，尤其是在RTDS数量有限的条件下，如何规划利用RTDS仿真资源以保障各类实验的有序开展，是建模人员需要解决的问题。
关于这一问题，目前仍缺乏通过定量分析来实现RTDS仿真资源有效规划的方法，通常建模人员只能凭借以往经验分配一次电网模型对RTDS仿真资源的使用，这就存在各RACK(具有一定资源存储和实时运行能力的RTDS仿真器)使用不均衡、甚至个别RACK使用溢出等问题。
发明内容
本发明目的是：为了解决大电网实时数字仿真建模过程中只能依靠传统经验定性分配RACK资源的不足，提出一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法及其系统，能够通过定量分析，有效辅助建模设计人员分配RTDS仿真资源，提升RACK资源分配的合理性和仿真运行的稳定性。
具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，本发明的一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法，包括以下步骤：
将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络；将划分形成的子网络抽象为待装物体，将每个RACK抽象为背包，建立RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型；
设计求解多背包问题数学模型的包动态规划算法，进行RTDS仿真资源分配。
将所述电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络，步骤之前，还包括根据实验电网的规模，统计一次电网各类元件的数量，以及元件对应模型占用的RTDS仿真资源数量。
将所述电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络，具体步骤如下：
根据实验电网的拓扑组成，先将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网，每个子网规模介于[C1,C2]仿真存储单元之间，其中C1,C2分别表示子网规模大小的仿真存储单元数量下限和上限。
满足上述解耦条件的断面均由线路组成，且线路电抗x和对地电纳C满足如下方程：
Figure BDA0002067960930000031
式中，fb为基准频率，τ为仿真步长。
在将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络步骤之后，还包括计算电网建模所需的仿真存储单元资源总量Rall与每个RACK可用存储资源计算结果rable，并计算出一次电网模型需要的RACK数量Num，具体步骤如下：
根据电网包含的各类元件数量、每个元件模型占用资源情况，计算电网建模所需的仿真存储单元资源总量Rall；
根据网络所耗资源rlost、RACK预留资源要求rreserve，确定每个RACK可用资源rable＝n*300-rlsot-rreserve，度量电网建模需要的RACK资源总数量Num；其中，n为单个RTDS授权仿真核数减1；
计算出电网建模需要的RACK数量
Figure BDA0002067960930000032
如果计算结果有余数，需要取整加1，最终计算出一次电网模型需要的RACK数量Num。
在将划分形成的子网络抽象为待装物体，将每个RACK抽象为背包，建立RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型步骤之前，还包括按照相连的子网络分配至同一RACK的原则，确定RTDS仿真资源分配效用的赏罚函数；
上述RTDS仿真资源分配效用的赏罚函数的确定方法如下：
第i个子网络ni与已分配的子网络集合Ndistri没有连接关系时，赏罚函数通过减少价值的方式，将子网络ni和子网络集合Ndistri分配到同一个RACK中做出惩罚，反之则给予奖赏；赏罚函数取值情况如下所示：
Figure BDA0002067960930000033
上述RTDS仿真资源分配效用的赏罚函数不仅度量子网络加入到RACK后产生的价值，同时也对子网络加入到RACK后形成孤网的情况做出惩罚。
上述RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型具体建立方法如下：
将第i个子网络ni所需RACK资源作为抽象后物体的体积属性mi，将ni与其他网络相连的关系记为集合Li，赏罚函数值作为ni的装入价值vi；
将每一个RACK抽象为背包，每个背包可用资源空间为背包的实际大小rable，并根据电网建模需要的背包数量Num；
所述RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型表示为：
max S[k][i],k＝1,2,L,Num
Figure BDA0002067960930000041
其中，rable,k为第k个背包的可用空间；S[k][i]为前i个物体放入容量为m的背包k中形成的价值；M[k][i]为前i个物体放入背包k后，背包k剩余的容量。
上述求解RTDS仿真资源分配的多背包动态规划算法，并进行RTDS仿真资源分配，具体方法如下：
在单个背包每一次迭代装入物体的求解过程中，遵循以下原则：
待装包的物体与已装包物体有物理连接关系，即vi>0；
在第i个物体所需空间mi小于背包k剩余空间的条件下，如果装入该装包M[k][i]最大，则物体i放入背包中；否则，物体i不放入背包中；
如果背包k仍有剩余空间，且剩余空间小于任意一个待装包物体的所需空间时，则终止第k个背包迭代装入物体的过程；
通过对RACK个背包依次规划，求解每个背包装入物体的最佳空间使用方案，获取各子网部署到多个RACK的RTDS仿真资源分配：
Figure BDA0002067960930000042
Figure BDA0002067960930000043
本发明的一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配系统，所述系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，
所述网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行上述基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法的步骤。
本发明的有益效果如下：本发明采用定性和定量相结合的方式分析RTDS仿真资源分配，一方面通过专家经验法将待分配资源的电网分解为若干子网，而不是将单一元件作为物体，并综合考虑电网规模、解网络所耗资源等因素，明确电网建模需要的RACK资源总量，这可以大幅降低规划算法的迭代次数，提高算法求解效率；另一方面利用背包问题原理，建立RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型，设计背包动态规划算法来求解RTDS仿真资源分配的多背包问题，能够通过定量分析，有效辅助建模设计人员分配RTDS仿真资源，提升RACK资源分配的合理性和仿真运行的稳定性。本发明实现定量分析计算RTDS仿真资源，可有效辅助电力系统建模仿真人员在建模初期对RTDS仿真资源进行有效分配，解决了现阶段大规模电网RTDS建模过度依赖专家经验的缺陷，提高了建模效率和资源利用精细化水平。
附图说明
图1为本实施例中RTDS仿真资源分配方法的工作流程图；
图2为本发明的求解RTDS仿真资源分配的多背包动态规划算法流程图；
图3为某区域电网子网络拓扑结构示意图；
图4为电网模型RTDS仿真资源分配使用情况图。
具体实施方式
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步详细描述。
以某区域电网(如图3)为例，根据本发明步骤1统计各元件占用资源，利用专家经验，将该区域电网划分为A,B,C,…,Q共20个子网络，图3同时给出了20个子网络间的拓扑连接关系。
参见图1，本发明的RTDS仿真资源分配方法具体包括以下几个步骤：
1)统计RTDS的可用仿真资源，设定每个RACK配置的授权仿真核数n＝3。除核1用于求解网络外，剩余每个授权仿真核有300个仿真存储单元，则每个RACK共有600个仿真存储单元。根据不同元件在RTDS仿真环境中占用的资源情况(见表1)，统计一次电网各类元件模型占用的RTDS仿真资源。
表1各类元件模型占用RTDS仿真资源情况
序号 元件类型 占用存储单元数量
1 马达负荷 20
2 静态负荷 10
3 变压器 10
4 线路 10
5 同步发电机 20
2)首先采用专家经验法，将电网分解为若干数量的子网，并设定各子网规模介于[C1,C2]仿真存储单元之间，此处C1计算为300，C2计算为500。然后根据电网包含的各类元件数量、每个元件模型占用资源情况计算建模所需的RACK总资源Rall，同时分析解网络所耗资源rlost、RACK预留资源要求rreserve，明确每个RACK可用资源rable＝n*300-rlsot-rreserve，然后度量电网建模需要的RACK资源总数量
Figure BDA0002067960930000061
各子网络的占用资源(即抽象为物体的体积属性mi)，以及该子网络与其他网络连接关系(即集合Li)等信息如表2所示。例如，第1个子网络A的m1＝80、Li＝{C,D}。
表2各子网络所需RTDS仿真资源和拓扑信息
序号 子网络名称 子网络占用资源 相连接的子网络名称
1 A 80 C、D
2 B 90 D、E
3 C 90 A、G
4 D 80 A、B、E、F
5 E 100 B、D、H
6 F 80 D、G、H
7 G 100 C、F、H、J、M
8 H 100 E、F、G、I、J、K
9 I 90 H
10 J 90 G、H、K、L
11 K 80 H、J、N
12 L 100 J、O
13 M 100 G、O
14 N 80 K、O
15 O 90 M、L、N
根据表2，可以计算出实施案例各子网络所需的仿真存储单元资源总量
Figure BDA0002067960930000071
设定每个RACK用于求解网络的资源rlost＝120、RACK预留资源要求rreserve＝50，则每个RACK可用存储资源计算结果为rable＝600-rlsot-rreserve＝430个存储单元。在明确RACK存储资源总需求Rall和每个RACK可用存储资源rable基础上，计算出电网建模需要的RACK数量
Figure BDA0002067960930000072
计算结果有余数，需要取整加1，最终计算建立本实施案例的一次电网模型需要分配Num＝4个RACK。
3)遵循相连的子网络应尽量分配至同一RACK的原则，建立RTDS仿真资源分配效用赏罚函数fpun(ni,Ndistri)，当第i个子网络ni与已分配的子网络集合Ndistri有连接关系时，通过增加分配效用，对将子网络ni和子网络集合Ndistri分配到同一个RACK中做出奖赏；当第i个子网络ni与已分配的子网络集合Ndistri没有连接关系时，通过减少分配效用的方式，对将子网络ni和子网络集合Ndistri分配到同一个RACK中做出惩罚；惩罚的目的是尽量避免子网络加入到RACK后形成孤网。赏罚函数取值情况如下所示：
Figure BDA0002067960930000081
4)利用背包问题思想，将划分形成的各子网络抽象为待装物体，将第i个子网络ni所需RACK资源作为抽象后物体的体积属性mi，将ni与其他网络相连的关系记为集合Li，赏罚函数值作为ni的装入价值vi；同时设定S[k][i]为前i个物体放入容量为m的背包k中形成的价值。
将每一个RACK抽象为背包，其可用资源空间即为背包的实际大小rable，并根据电网建模需要的RACK资源总数量Num，即背包数量；同时设定M[k][i]为前i个物体放入背包k后，背包k剩余的容量；然后建立RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型，以此为基础，本案例区域电网RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型可以表示为：
max S[k][i],k＝1,2,3,4
Figure BDA0002067960930000082
其中，rable,k为第k个背包的可用空间，即第k个RACK的可用资源。
5)设计求解RTDS仿真资源分配的多背包动态规划算法。通过对各个背包逐一装入物体来实现多个背包的空间合理安排。动态规划算法求解步骤如下：
步骤1：初始化待装物体i、背包k均为1；
步骤2：设定前i个物体放入容量为m的背包k中形成的价值S[k][i]＝0；前i个物体放入背包k后，背包k剩余的容量M[k][i]＝rable；
步骤3：在第i个物体所需空间mi小于背包k剩余空间的条件下，如果装入该装包方案价值最大，即M[k][i]最大，则物体i放入背包中；否则，物体i不放入背包中；
步骤4：待装包的物体尽量与已装包物体有物理连接关系，即vi>0；
步骤5：如果背包k仍有剩余空间，且剩余空间小于任意一个待装包物体的所需空间时，则终止第k个背包迭代装入物体的过程，否则执行步骤3。
步骤6：判断所有背包是否均分配完毕，若是则结束算法，否则执行步骤2。
通过对Num个背包依次规划求解每个背包的最佳空间使用方案，即各子网部署到多个RACK的资源分配方案。本发明设计提出的算法流程如图2所示。
算法主要计算如公式(3)、(4)所示。
Figure BDA0002067960930000091
Figure BDA0002067960930000092
利用本发明设计的多背包动态规划算法，求解4个RACK的子网建模分配结果如表3所示。4个RACK的资源使用情况如图4所示，每个RACK的资源使用量均未超过其可用存储资源阈值rable，而且4个RACK资源的分配使用较为均衡。
表3各RACK资源的分配使用情况
序号 RACK名称 分配到相应RACK的子网络名称
1 RACK1 A、C、G、J
2 RACK2 B、D、E、F
3 RACK3 I、H、K、N
4 RACK4 M、O、L
本发明的一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配系统，所述系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，
所述网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行上述基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
虽然本发明已以较佳实施案例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络；将划分形成的子网络抽象为待装物体，将每个RACK抽象为背包，建立RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型；
求解多背包问题数学模型的动态规划算法，进行RTDS仿真资源分配；
所述将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络步骤之前，还包括：根据实验电网的规模，统计一次电网各类元件的数量，以及元件对应模型占用的RTDS仿真资源数量；
将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络，具体步骤如下：
根据实验电网的拓扑组成，将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网，每个子网规模介于[C1,C2]个仿真存储单元之间，其中C1,C2分别表示子网规模大小的仿真存储单元数量下限和上限；
满足所述解耦条件的断面均由线路组成，且线路电抗x和对地电纳C满足如下方程：
Figure FDA0003658973190000011
式中，fb为基准频率，τ为仿真步长；
在将电网在满足解耦条件的断面处分隔为若干数量的子网络步骤之后，还包括计算电网建模所需的仿真存储单元资源总量Rall与每个RACK可用存储资源计算结果rable，并计算出一次电网模型需要的RACK数量Num，具体步骤如下：
根据电网包含的各类元件数量、每个元件模型占用资源情况，计算电网建模所需的仿真存储单元资源总量Rall；
根据网络所耗资源rlost、RACK预留资源要求rreserve，确定每个RACK可用资源rable＝n*300-rlsot-rreserve，度量电网建模需要的RACK资源总数量Num；其中，n为单个RTDS授权仿真核数减1；
计算出电网建模需要的RACK数量
Figure FDA0003658973190000021
如果计算结果有余数，需要取整加1。
2.根据权利要求1所述的基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法，其特征在于，
在将划分形成的子网络抽象为待装物体，将每个RACK抽象为背包，建立RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型步骤之前，还包括按照相连的子网络分配至同一RACK的原则，确定RTDS仿真资源分配效用的赏罚函数；
所述RTDS仿真资源分配效用的赏罚函数的确定方法如下：
第i个子网络ni与已分配的子网络集合Ndistri没有连接关系时，赏罚函数通过减少价值的方式，将子网络ni和子网络集合Ndistri分配到同一个RACK中做出惩罚，反之则给予奖赏；赏罚函数取值情况如下所示：
Figure FDA0003658973190000022
3.根据权利要求2所述的一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法，其特征在于，所述RTDS仿真资源分配效用的赏罚函数用于度量子网络加入到RACK后产生的价值，RTDS仿真资源分配效用的赏罚函数也用于对子网络加入到RACK后形成孤网的情况做出惩罚。
4.根据权利要求1所述的一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法，其特征在于，所述RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型具体建立方法如下：
将第i个子网络ni所需RACK资源作为抽象后物体的体积属性mi，将ni与其他网络相连的关系记为集合Li，赏罚函数值作为ni的装入价值vi；
将每一个RACK抽象为背包，每个背包可用资源空间为背包的实际大小rable，并根据电网建模需要的背包数量Num；
所述RTDS仿真资源分配的多背包问题数学模型表示为：
Figure FDA0003658973190000031
其中，rable,k为第k个背包的可用空间；S[k][i]为前i个物体放入容量为m的背包k中形成的价值；M[k][i]为前i个物体放入背包k后，背包k剩余的容量。
5.根据权利要求4所述的一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法，其特征在于，所述求解多背包问题数学模型的动态规划算法并进行RTDS仿真资源分配，具体方法如下：
在单个背包每一次迭代装入物体的求解过程中，遵循以下原则：
待装包的物体与已装包物体有物理连接关系，即vi＞0；
在第i个物体所需空间mi小于背包k剩余空间的条件下，如果装入该装包M[k][i]最大，则物体i放入背包中；否则，物体i不放入背包中；
如果背包k仍有剩余空间，且剩余空间小于任意一个待装包物体的所需空间时，则终止第k个背包迭代装入物体的过程；
通过对Num个背包依次规划，求解每个背包装入物体的最佳空间使用方案，获取各子网部署到多个RACK的RTDS仿真资源分配：
Figure FDA0003658973190000032
Figure FDA0003658973190000033
6.一种基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配系统，其特征在于，所述系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，
所述网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，信号的接收和发送；
所述存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；
所述处理器，用于在运行所述计算机程序指令时，执行权利要求1至5任一项所述基于多背包问题分析的RTDS仿真资源分配方法的步骤。
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CN101404040A (zh) * 2008-08-07 2009-04-08 南方电网技术研究中心 基于子图同构的对电力系统实时仿真的计算资源划分方法
CN109145362A (zh) * 2018-07-02 2019-01-04 中国电力科学研究院有限公司 一种电网建模方法及系统

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