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1、- 1 -大电网离线分析研究系统的开发万芳茹，王胜明，郭剑，徐健，卢耀华，洪姗姗，季叶飞（国网电力科学研究院 江苏省南京市 210003）摘要：随着大电网安全稳定问题复杂程度的提高，离线分析系统中安排方式的暂态和动态安全性校验要求变得更为迫切。本文介绍了离线研究系统的框架和计算流程，该系统基于电网模型的时态属性，在实体数据库、实时数据库以及多用户并行集群计算平台支撑下，能够针对待校核方式进行安全稳定分析计算，为调度运行人员提供了实用化的研究分析功能。该系统将有助于调度人员进一步理解电网安全稳定特性，合理安排运行方式，保障电网运行安全。关键词：离线研究分析系统 时态属性 数据库协调 多用户并行集
2、群计算Development of Offline Analysis and Research System for Bulk Power SystemWAN Fangru，WANG Shengming，GUO Jian， XU Jian， LU Yaohua，HONG Shanshan， JI Yefei（ State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 210003，China）Abstract：Nowadays the security and stability problem of bulk power system bec
3、omes more and more complex, which makes it more important to satisfy the verification requirements of transient and dynamic security according to the arranged operation mode in Off-line Analysis and Research System (OARS). The Framework and calculation process of the OARS are proposed in this paper.
4、 Based on the temporal characteristics of network model, OARS can analyze and calculate the power systems security and stability with the fundaments of entity database, real-time database and the multi-user distributed parallel computation. With the help of OARS, the dispatchers can understand the m
5、echanism of power systems security and stability deeper, and arrange the operation method more reasonable to realize its operation safety.Key words: OARS，temporal characteristics, the coordination of databases，multi-user distributed parallel computation0 引言随着电网建设速度的加快、电网规模的扩大、互联性增强，全国联网是电网发展的大趋势，使得电
6、网的安全稳定问题更加复杂，网省级电网的调度运行也面临新的挑战。传统电网调度根据年度或月度计划来安排运行方式已然不能满足大规模互联电网运行要求，依靠运行经验判断系统安全稳定性也面临着前所未有的风险。大电网调度运行中电网安全稳定校核变得愈加重要和紧迫，调度、计划、方式人员针对电网操作、检修、计划方式安排往往仅进行了静态安全校验，针对大规模互联电网方式- 2 -暂态安全性、动态安全性校验需求日益迫切，不合理的运行方式将严重影响电力系统安全稳定运行。本文介绍的“离线研究分析系统” ，是在线“大电网安全稳定综合防御系统”1的离线研究态应用功能，为在线安全稳定综合防御系统提供离线验证和计划方式校核功能。该
7、分析系统从可靠性和性价比方面考虑，一般基于异构硬件平台搭建，其中应用服务器一般采用 UNIX/LINUX 服务器，计算机群一般采用 LINUX/Windows 服务器。在多用户并行集群计算平台支撑下，提供静态、暂态、动态安全性计算分析功能，分析待校核断面的安全稳定特性和水平，并针对电网存在的各种稳定问题，提出解决或消除该稳定问题的调整建议或措施，以保证电力系统安全稳定性。精益化电网运行追求安全性与经济性并重，水火电经济调度、提高重要输电断面运行功率等功能能够提高调度运行人员对电网特性研究的深度和广度。本系统在多个网省局调度中心得到了应用，为电网安全稳定运行提供重要的技术支持手段。1 系统功能框
8、架离线研究分析系统采用分层架构，由应用层、计算层和用户层组成。应用层为系统核心，采用 UNIX/LINUX 操作系统，是离线研究分析的应用和数据平台，协调组织计算任务；计算层采用 LINUX/Windows 操作系统，多个用户可在多用户并行集群计算平台的协调下，进行机群的计算资源在线动态分配。每个用户的计算资源由一台管理节点，多台计算节点组成，各计算节点在管理节点的协调管理下，对该用户的多计算任务进行多机分布式并行计算，计算完成后由管理节点汇总所有计算结果后提交至应用层；用户层则提供友好的人机界面，负责数据维护、计算结果的展示。图 1 系统总体框架离线研究系统的研究对象为在线状态估计实时断面、
9、调度员潮流研究断面、历史状态估计数据断面、未来计划数据断面等，针对待校核方式提供了预想故障集的静态、暂态及动态安全性评估功能，在系统不安全情况下，可选择预防控制辅助决策功能，输出待校核方式的发电机、负荷、直流系统的调整措施，使系统安全稳定水平提高2。系统安全情况下，可根据季节性因素，考虑水火电经济调度，在保证系统安全稳定运行前提下，自动计算出重要输电断面运行极限，提高系统运行经济性。2 关键技术2.1 电网模型的时态属性本系统建模时电网设备拥有“时态”属性，所谓“时态”属性指电网中所有设备均有- 3 -其生命周期，从“服役时间”开始（投产） ， “退役时间”结束（改接或退出） ，各设备服役时间
10、内可以参与生命周期内的计算或操作，否则不参与计算或操作。电网设备不仅指发电机、线路、变压器等一次设备，还包括安全自动装置等二次设备。电网设备随着时间的推移是在“历史态” 、 “实时态”和“规划态”三种时间态进行切换的动态过程。实际电力系统中，对设备查询是厚今薄古型的，即对近期数据的查询频度高，而对历史数据查询频度低，系统将电网网络模型依照时间采用快照型存储方式，将多个时段的数据存入历史数据库中供研究分析使用。为研究不同时段内电网的安全稳定性，系统发电、负荷计划、设备检修等也有明确的时态属性，需同电网设备服役时段匹配，例如设备检修阶段将不允许设备调整或投入运行，使计算结果满足实用化需求。2 0
11、1 0 年 1 月 1 日 2 0 1 0 年 1 0 月 1 日2 3 4 5 6 7 8 94 - 1 0A 线检修4 - 1 0检修结束今日2 - 1 - 8 - 1 32 月 1 日 - 8 月 1 3 日 为 A 线生命周期2 - 1 0A 线投运8 - 1 3A 线改接图 2 电网模型时态属性2.2 实体数据库和实时数据库的协调离线研究系统数据存储最大特点是实体数据库和实时数据库协调。实体数据库指网络模型、计算参数、历史数据库的存储载体，为商用化关系型数据库。实时数据库指应用服务器上内存型数据库，采用内存映射文件机制实现。实体数据库有存储量大、数据永久保存的优点，但实体库操纵速度慢
12、是其最大的缺点。实时数据库则有存取响应速度快、可支持多份镜像特点。本系统实现了实体数据库和实时数据库的协调的数据存储机制，使用时先将计算所需要的实体数据库内容通过实时数据库管理程序加载至实时库中，加载后，实时数据库为实体数据库中需使用数据表的表内容镜像，各用户独自拥有一份用户实时库空间，多个用户计算分析时，输入数据、计算组织、计算结果均互不干扰。研究结束后，通过历史数据保存功能将实时库的内容永久保存至实体数据库，供下次研究分析使用。实体数据库历史数据库表 1 数据用户 1表 1 数据用户 N实时库装载实时库装载实时库装载保存历史数据保存历史数据. . . . .图 3 商用数据库和实时数据库的
13、协调- 4 -2.3 多用户并行集群计算平台分布式并行计算平台已经在在线系统中得到较广泛的工程应用1,2，本系统在在线并行计算平台的研究基础上，研制出多用户并行集群计算平台，充分利用离线研究机群的计算资源，尽可能地缩短多用户的计算平均响应时间。3离线研究系统允许多个用户同时登录使用分析计算功能，但仅有固定数目的计算节点资源，如何在多个用户之间优化分配计算节点，是多用户并行集群计算平台研究实现难点。多用户并行集群计算平台能根据登录用户数量、机群节点的运行状态、计算任务等信息，在线为每个用户分配计算资源，满足每个用户分析计算的需求。离线计算分析往往需要进行海量分析计算工作，为充分利用离线系统机群有
14、限的计算资源，多用户并行集群计算平台实现了“三并行”：实现多个用户提交任务的并行。实现各用户提交多种计算任务之间的并行。实现多个计算算例之间时域仿真程序的并行。通过“三并行”能够大大提高分析计算的速度和效率。以下图为例，仅一个用户登录使用离线系统时，管理节点将所有的计算资源全部分配给该用户使用，全部用于该用户提交的计算任务分布式并行计算。当有新用户登录时，多用户计算资源优化分配模块根据目前系统中登录的用户数、可分配的计算资源等信息，确定每个用户的应分配的计算节点数量。从已登录用户的计算资源中“抢夺”相应的计算资源，被“抢夺”机器上尚未计算完成的计算任务将被中止并抛弃其计算结果，计算资源立刻分配
15、给新用户组织计算。如果登录用户数大于等于计算节点个数，即无法保证每个用户至少要有一台计算节点，新用户登录系统时将会发出“无计算资源”告警，不能登录使用该系统。待已登录用户退出时，多用户计算资源优化分配模块将及时回收该用户计算资源，并触发计算资源重新分配，将释放的计算资源及时分配给其它已登录用户使用。图 4 多用户计算节点分配图2.4 计算流程设计离线研究系统调度运行人员计算流程如下：授权用户请求登录，多用户并行集群计算平台多用户计算资源优化分配进程将判断当前是否尚有计算资源可供分配，存在可分配计算资源，则允许用户登录，否则该用户不能登录。授权用户可选择待校核的方式断面，并根据需要调整运行方式。
16、选择并提交计算任务给多用户并行计算平台，计算结束后返回计算结果用于画面显示。离线研究系统按照电力系统安全稳定导则 、 国家电网公司安全稳定计算技术规范相关要求，提供计算功能有：（1）小扰动分析及辅助决策：根据待校核时间断面、模型和参数进行小干扰稳定性分析，求取系统存在的低频振荡模式，在阻尼不足的情况提供辅助决策措施。- 5 -（2）短路电流分析及辅助决策：基于待校核方式进行短路电流计算，计算单相和三相短路电流，母线短路电流超过开关遮断能力的时候，对短路电流越限情况提供发电机调整、分母运行等辅助决策措施。（3）安全稳定评估：安全稳定分析评估针对预想故障集进行静态、暂态、动态安全性评估分析。（4）断面传输极限搜索：在保证系统静态、暂态、动态安全性前提下，在系统发电机、负荷、直流功率可调空间内计算满足调整约束的关键断面最大传输功率。（5）预防控制策略搜索：系统不安全情况下，在系统发电机、负荷、直流功率等可调空间内，消除预想故障条件下的安全隐患。（6）紧急控制策略搜索：采用控制代价最小的原则，自动快
