引文信息：
Chuntian CHENG, Bin LUO, Jianjian SHEN, et al. A modular parallelization framework for power flow transfer analysis of large-scale power systems [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2018, 6(4): 679-690
A modular parallelization framework for power flow transfer analysis of large-scale power systems
一种适应大规模电力系统的潮流转移并行分析框架
DOI: 10.1007/s40565-017-0354-4
作者：程春田，罗彬，申建建，廖胜利
实现各类预想故障下潮流转移的快速仿真分析对保障电网安全稳定运行具有重要意义。为此，本文提出了一种适应大规模电力系统的潮流转移并行分析框架。首先，对潮流转移方法进行模块化编码，包括参数初始化模块、故障设置模块、网络完整性检测模块、合理性判别模块以及结果解析模块；然后，基于Fork/Join的并行框架，实现了PSD-BPA软件以及各分析模块的并行，进一步提高了分析效率；最后，IEEE39节点测试系统验证了准确性，同时将其在云南电网实际应用中进行测试，并对结果进行详细讨论。
1.大规模电力系统潮流转移分析步骤包括哪些？
大规模电力系统运行方式潮流转移分析的详细计算步骤包括：
1）数据准备。读取参与计算运行方式参数数据，解析得到所有设备信息并按照设备类型、区域、分区、电压等级分类。
2）基态潮流计算。在给定基态系统网络拓扑、元件参数、发电状态及负荷水平等运行条件下，计算潮流分布，得到各支路基态潮流。
3）分析条件设置。按潮流转移分析要求将条件设置分为两大类：一类是潮流转移普扫条件设置，包括开断故障类型(N-1、N-2等)和扫描范围(区域、分区、电压等级等)，另一类是关键断面潮流转移快速分析条件设置，包括故障断面和关注断面。
4）故障状态潮流计算与潮流转移分析。根据预想故障设置网络参数，在网络完整性检测合格前提下，进行故障下的潮流计算，分析结果合理性，解析得到关注支路、断面的潮流新值并进行潮流转移分析。
5）结果总结。根据潮流转移分析结果按潮流转移严重程度由高到低排序，同时可查看分析过程中网络完整性检测、计算结果合理性判别等其他信息。
2.什么是Fork/Join并行框架
ork/Join框架基于“分治模式”来处理大量数据计算，其基本思想是将一个求解过程复杂的大规模问题，分解为多个规模较小、相互独立且可直接求解的子任务，再通过求解并组合所有子任务的解，最终得到原问题的解，如图1所示。在任务分解过程中，它通过定义一个阈值来控制子任务的规模，当任务的计算规模小于或等于阈值时，则停止任务分解，其控制方式如图2所示。
图1 Fork/Join并行框架基本原理
图2 任务分解与阈值控制方式
3.如何实现潮流转移分析的并行？
采用模块化的设计理念，将参数解析、故障设置、网络完整性检测、合理性判别、以及结果解析进行模块化编码，封装成可执行的exe程序。此外，PSD-BPA软件也将其分析功能封装为可执行的exe程序。
采用Java应用程序的Runtime类实例的exec方法可实现Windows与本地exe程序的交互。可执行程序(exe)是相对较大的进程，在安全的环境中，通过控制可执行程序路径设置及其输入参数，即可在多任务操作系统中实现程序接口并捕获计算过程中的详细输出信息。
4.测试环境与并行效果如何评价？
本文并行方法采用java编程语言实现。测试机器参数配置如表1所示。
表1 测试机器参数配置情况
2）并行性能评价指标
采用目前普遍评价并行计算性能的2个重要指标：加速比Sp和效率Ep，表达式如下：
式中：T1为单核(串行)环境下的计算时间；Tp为算法在p个内核环境下的运行时间。一般情况下，Sp小于理想的加速比p，但在实际并行计算中，常出现“超线性加速比”现象，即Sp大于p。
5.并行效果如何？
为了验证文中所提方法的准确性和求解效率，首先以IEEE39节点系统为算例，验证了方法的准确性，但由于仿真系统规模较小，并行效率并不明显。进一步地，以云南电网实际工程为例，计算网络系统规模大，并行效率明显，从而验证了并行框架的求解效率。
1）算例1：IEEE39节点系统
以N-1开断故障潮流转移普扫分析为例，在配置1机器上进行测试。对逐条支路进行N-1开断故障设置，并扫描分析其他非故障支路的潮流转移情况。同时，将计算结果与PowerWorld Simulator（PWS）电力系统仿真软件计算结果进行比较。
测试结果显示，并行与串行结果完全一致，并且所提方法计算结果与PWS软件计算结果同样一致，相差甚微，平均转移结果偏差为0.28%，验证了文中所提方法的可行性和准确性。以支路L2-25发生N-1开断故障为例，有功潮流转移分析结果如表2中所示。
表2 节点2至节点25支路N-1开断故障后主要潮流转移结果
注：L2-25表示节点2至节点25支路；“*”表示潮流方向反向，即从节点25至节点2。
2）算例2：云南电网实际运行方式
以云南电网实际运行方式为例，验证所提并行框架的并行效率。测试方案如表3所示。方案1为用户根据实际运行经验，自定义关键支路和断面分析，校核支路相对较少；方案2、3、4为220 kV及以上电压等级支路潮流转移普扫分析，参与校核支路数为736条（包含580条传输线路及156条短连接开关支路）。
表3 不同测试方案的规模
结果表明，无论是在配置1和2上，本文所提并行框架的并行效率都得到了验证。得出以下结论：a）分析时间主要与故障总数有关，与校核支路总数关系较小，大规模系统下校核支路即使成倍增加也不会造成耗时突增，有利于大范围批量扫描；b）随着内核数的增加，计算时间减少，加速比增加，效率降低；c）开启了“超线程”技术，具有更多的逻辑线程，能获得更好的并行效果；d）由于PSD-BPA软件涉及与测试机器硬盘的文件交互，在多线程同时读写文件大小达到一定程度时，硬盘的读写速度会影响计算效率。
图3 不同测试方案在配置1环境下的计算结果
图4不同测试方案在配置2环境下的计算结果
作者介绍
程春田：博士，大连理工大学建设工程学部教授，博士生导师，主要研究方向包括电力系统分析，跨流域跨省跨区域水电系统调度，清洁能源电力市场，云计算和大数据。
罗 彬：博士，毕业于大连理工大学建设工程学部，现为清华四川能源互联网研究院助理研究员，主要研究方向包括电力系统运行方式分析、能源互联网规划与优化运行。
申建建：博士，大连理工大学建设工程学部副教授，硕士生导师，主要研究方向包括水电系统运行分析、水火电协调和决策支持系统的开发。
廖胜利：博士，大连理工大学建设工程学部副教授，硕士生导师，主要研究方向包括电力系统优化、水文建模。
注：文章转自电力系统自动化
