基于多任务异步处理的电力系统序网络拓扑分析.pdf

第 5 3卷第 5期 2 0 1 6年3月 1 0日 电测与仪表 E1 e c t r i c a l M e a s u r e me nt& I n s t r u me n t a t i o n VoI 5 3 NO 5 M a r 1 0， 2 01 6 基 于多任务异步处理 的 电力 系统序 网络拓 扑分析 郭敏 ， 周亮 ， 王 中庆 ， 王宇鹏 ， 白懿鹏 ， 吕飞鹏 ( 1 四川省 电力公司凉山供 电公司， 四川 西昌 6 1 5 0 5 0 ； 2 四川大学电气信 息学院， 成都 6 1 0 0 6 5 ) 摘要 ： 近年来 ， 多核处理及多线程处理技术发展迅速 ， 充分利用 C P U资源 ， 采用异步处理技术是大幅度提高电 力系统 网络拓扑分析计算效率的有效途径。本文提出了基于多任务异步处理 的序 网络拓扑分析方法 ， 将 电气 元件抽象为节点和支路类型， 建立连接关系类保存连接信息， 异步化处理正序、 零序网拓扑分析， 采用任务嵌套 的模式将耗时较长的节点阻抗矩阵的计算异步化为四个子任务独立执行 ， 最终生成拓扑 网络 图及分析结果数 据。针对四川某 电网的实例拓扑分析表明了该方法的可行性与高效性。 关键词 ： 序网络拓扑分析 ； 异步处理 ； 任务嵌套 ； 节点阻抗矩阵 中图分类号： T M 7 6 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 0 2 20 6 Po we r s y s t e m s e q ue n c e n e t wo r k t o p o l o g y a na l y s i s ba s e d o n mul t i - t a s k a s y nc h r o no us pr o c e s s i ng Gu o Mi n ，Z ho u Li a n g ，W a n g Zh o n g q i n g ，W a n g Yu p e n g ，Ba i Yi p e ng ，Lv Fe i p e n g ( J L i a n g s h a n P o w e r S u p p l y C o m p a n y ， S i c h u a n E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y ， X i c h a n g 6 1 5 0 5 0， S i c h u a n ，C h i n a 2 S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d I n f o r m a t i o n ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 6 5， C h i na ) Ab s t r a c t ：I n r e c e n t y e a r s ， mu l t i c o r e a n d mu l t i t h r e a d p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y h a v e d e v e l o p e d r a p i d l y ，t h u s ma k i n g f u l l u s e o f CP U r e s o ur c e s a nd t a k i n g a s y n c h r o n o us p r o c e s s i ng t e c h n o l o g y a r e e f f e c t i v e wa y s t o i mp r o v e t h e c o mpu t a t i o n a l e ffi c i e n c y o f n e t wo r k t o po l o gy a n a l y s i s i n t h e p o we r s y s t e m Th i s p a p e r p r e s e n t s a me t ho d f o r a n a l y z i n g t h e s e q u e nc e n e t wo r k t o p o l o gy b a s e d o n mu l t i - t a s k a s y n c h r o n o u s pr o c e s s i n gI n t h i s p a pe r ，e l e c t r i c a l c o mp o n e n t s a r e a b s t r a c t e d a s t h e t y p e o f n o d e a nd b r a n c h，a n d we e s t a b l i s h t h e c o n n e c t i o n c l a s s t o s a v e c o n ne c t i o n i n f o r ma t i o n， t he wa y t h a t we d e a l wi t h t h e t o p o l o gy a n a l y s i s o f po s i t i v e a n d z e r o s e q u e nc e n e t wo r k s i s u s i n g a s y n c h r o no u s p r o c e s s i n g t e c hn o l o gy B a s e d o n t h e n e s t e d - t a s k mo d e l we c a n d e a l w i t h t h e f o rm o f t h e n o d e i mp e d a n c e ma t ri c e s wh i c h a r e l o n g t i me wo r k i n s e q u e n c e n e t wo r k t o p o l o gy a n a l y s i s b y d i v i d i n g t h e m i n t o f o u r i n d e p e n d e n t s u b t a s k s F i n a l l y ，t h e p r o g r a m w i l l g e n e r a t e t o p o l o gy n e t wo r k d i a g r a ms a n d t h e d a t a o f a n a l y s i s r e s u l t s To p o l o gy a na l y s i s o f a c e r t a i n S i c h ua n p o we r g r i d s h o we d t h e f e a s i b i l i t y a n d e ffic i e n c y o f t hi s me t h o d Ke y wor ds： s e q u e n c e n e t wo r k t o p o l o g y a n a l y s i s ，a s y nc h r o no u s p r o c e s s i n g，t a s k n e s t i n g，n o d e i mp e d a n c e ma t r i x 0引言 电力系统规模不断扩大， 电网结构 日渐复杂， 继 电保护图模一体化在线整定、 在线校核、 省地县一体 化整定计算等新技术 的应用 ， 对继 电保 护应用软件 系统计算速度提出了更高要求。序 网络拓扑分析 为 整定计算程序建 立计 算模型提供所需 的正序 网、 零 序网拓扑结果数据和电气设备参数 I 2 ， 是继电保护 整定计算的关键环节之一。传统的网络拓扑分析一 般采用串行顺序处理方式 ， 当电网规模较 大时 ， 分析 过程往往效率低下、 耗时较长。因此， 有必要研究提 一 22 一 高序网络拓扑分析计算效率的方法。 异步处理是解 决数据量 大、 耗 时长且复杂 的计 算问题的重要途径。目前 ， 已有研究主要集中在将 并行计算应用于电力系统 的潮流计算 以及小干扰稳 定等方面 ， 应用于电力系统拓扑分析方面的研究 相对较少 。文献 6 采用基于 P C机群的并行 策略 ， 提出粗粒度空间并行算法 ， 能有效减小计算量 ， 但其 存在 P C 机群间通信量大， 并行效率低下等不足。文 献 7 考虑了利用多核 C P U的优势进行 多线程处理 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 3卷第5期 2 0 1 6年3月 1 0日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I ns t r u me n t a t i o n Vo 1 5 3 NO 5 M a r 1 0， 2 0 1 6 元件的编号以及元件之间的连接关系 ， 因此 ， 可忽略 电气元件 的其他次要 属性 ， 将待分析 的电气 元件及 连接关系类型化为以下三类 ： ( 1 ) 节点类型( N o d e C l a s s ) 节点类型表示 电力系统 中的抽 象节点 ， 包括单 端 口有源元件 ( 发 电机 和负荷等 ) 、 各 电压等级 的母 线以及元 件间的电气连接点。为简化模 型， 节点类 型包含节点编号 、 节点对象和访问标识三个属性。 ( 2 ) 支路类型( B r a n c h C l a s s ) 支路类型表示电力系统 中的等值支路， 包括电 力系统中等值为阻抗表示的各类元件， 如线路、 变压 器、 并联电容器和串联电抗器等。支路类型提供拓 扑分析所需 的主要参数 ， 需包含 以下几个 属性 ： 支路 编号、 支路对应元件、 支路类 型、 大方式 阻抗 、 小方式 阻抗及访问标识 。 ( 3 ) 连接关系类( N B R e l a t i o n C l a s s ) 连接关系类表示节点类 型和支路类型 的连接对 应关系。其主要属性为支路编号 ( B I D) 和节点编号 ( N I D ) 。为简化连接关系的查询， 文章采用类似数据 库 中外键方法储存节点支路 的连接信息 ， 即使连 接 关系类分别与节点 和支路类型互为导航属性。连接 信息在连接关系类 中储存为一个 B I D对应两个 N I D， 一 个 N I D对应多个 B I D。 节点类型 、 支路 类型包含 的属性 以及 与连接关 系类的关联模式如 图4所示 。 图 4拓 扑模 型 的 关联 模 式 F i g 4 Re l a t i o n p a t t e r n s o f t h e t o p o l o g y mo d e l 2 2 正序网络拓扑分析的异步化 正序网的拓扑分析， 首先需对正序网的结构进行分 析 ， 对其节点和支路进行编号。正序网的结构相对于原 始网络结构没有太大变化 ， 在不考虑实时状态情况下 ， 通过查询原始网络的连接关系类 即可得到正序网各节 点和支路的连接信息， 采用广度优先的搜索策略 即可 快速对正序网中节点及支路进行搜索和自动编号。 其次 ， 为提高生成不同运行方式下节点阻抗矩阵 的效率 ， 可对节点阻抗矩阵的形成采用多任务的异步 处理方法 ， 该处理方法的思想是将互不干涉的几类处 理分别封装成为多个任务 ， 并将任务合理分配至其他 线程上同时执行。因此可将大方式和小方式下 的节 一 2 4 一 点阻抗矩 阵的形成 封装成为两个 任务独立 的执行。 该方法在程序中执行的主要步骤为 ： ( 1 ) 主线程发出调用方法命令 ； ( 2 ) 将 已封装 的两个任务合理分 配到其他线程 上执行 ， 主线程响应其他请求 ； ( 3 ) 任务执行完成后将结果 自动返 回主线程 ， 释 放该任务所 占线程空间； ( 4 )主线 程 处 理 返 回结 果 ， 完 成 正 序 网拓 扑 分析。 任务 中形成节点 阻抗矩阵的具体方法仍然采用 传统的支路追加法 。正序网络拓扑分析的异步化 流程如图 5所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 3卷第 5期 2 0 1 6年3月 1 0日 电测与仪表 El e c r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r ume nt a t i o n Vo 1 5 3 NO 5 M a r 1 0。 2 0 1 6 2 4 序网络异步拓扑分析的流程 根据上述分析 ， 正序网络与零序 网络的拓扑分析 在使用设备参数 、 形成 网络结构 以及生成节点阻抗矩 阵等方面可认为是互不影响、 相互独立的， 根据多任 务异步模式的思想 ， 可将正序网络与零序 网络的拓扑 分析进行异步化处 理 ， 即利用 N e t 中的任务 ( T a s k ) 类型对正序和零序网络拓扑分析算法分别进行封装 ， 并 同时处理。基 于多任务异步处理 的序 网络拓扑分 析流程如图 6所示。 正序 和零序网络拓扑分析异步化为两个独立的 父任务 ， 其 中分别嵌套包含节点阻抗矩阵形成的两个 子任务 。各任务 的执行是独立 的， 且使用的线程 由任 务调度器 自动分配 。子任务 、 父任务与主线程之 间为 逐层调用和回调关系。父任务的完成依赖 于子任务 西昌2 2 0 k j o 0 1 2 9 O o 0 2 5 ) Xl j O 0 9 9 3 X 2 ：- -j o 0 0 5 X 3 j O 0 5 2 1 。2 l O k V I Xl j O 0 X 2 ：- -j o 0 0 5 X 3 ：- j o 0 0 5 1 1 2 2 6 1 0 2 西昌 西马线 1 1 1 马道 j o 0 1 4 7 的回调。当所有父任务均完成并返回后 ， 拓扑分析结 束。需要说明， 任务 中实现广度优先搜索策略及支路 追加法的具体程序算法可参考文献 2 及文献 1 2 ， 本文在此不详述。 3 应 用 实例 本文介绍 的异步化处理方法已实际应用于继 电 保护 图模一体化在线整定程序中， 通过将四川某 电网 原始 网络参数及连接信息录入程序 ， 程序即可快速实 现序 网络的拓扑分析。鉴于零序 网与正序 网在程序 中分析过程类似 ， 本文主要以正序 网络拓扑分析为例 进行说明。图 7为拓扑分析后得到的部分 系统正序 网络 图， 图中将正序网络包含的设备参数及相应名称 直观的显示出来供用户参考 。具体的正序 网拓扑分 析结果数据如图 8所示 。 X l j O 2 6 7 9 X 2 ： - j o 0 1 4 1 x 3 0 o 1 7 6 4 1 2 道3 5 k V 道l 0 l ( 马道3 5 k V j o 4 7 9 2 01 4 6 8 ) l O 1 马道 马官线 j o 0 9 5 3 马道 l 1 O k v j o 3 3 0 2 1 0 3 0 0 0 0 ) 1 0 4 西昌 西钢线 j o 0 2 9 新钢业l O k V X1 0 O 5 6 2 8 x 2 ：j o 3 6 9 8 X3 ： - j o 0 4 2 2 1 。 2 0 0 5 6 3 l x 2 j 0 l 3 6 9 5 j 3 o 0 0 l ： - j 聊册0 0 l r ： 1 L 官地l O k V 官地 l l O k V 黜 搜 I 1 薪 皿 官地3 5 k V 竺 llOkVIlI 赎 铷 。 ， 一 一 j 安 宁 ll0kv 1 0 5 西昌西钢线1 暗钢线2 l j o 1 2 5 9 lj o 。 。 4周 家 堡 1 0 k v 图7 系统正序 网络 图( 部分) F i g 7 O v e r v i e w o f t h e s y s t e m p o s i t i v e s e q u e n c e n e t w o r k( P a r t ) j o 6 3 1 3 ： m 嘲 了 ， U - l 2 3 X X l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 3卷 2 0 1 6生 第 5期 3月 1 O日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 3 No 5 M a r 1 0， 2 0 1 6 2 01 3 - 3 9 t h An n u al Co n f e r e n c e o f t h e I EEE，2 01 3：1 2 7 8- 1 2 8 3 2 D a n W a n g ， C h e n g x i o n g M a o ， J i m i n g L u ， We i - J e n L e e E l e c t r o n i c p o w e r t r a n s f o r me r t o s e c u r e t h e p o we r s u p p l y o f a mi s s i o n c ri t i c a l mi - c rog r i d C I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s S o c i e t y An n u al Me e t i n g ，2 0 1 4 I EE E，2 01 4：5 - 9 3 张兴 ， 张崇巍P WM整 流器及其控制 M 北京 ： 机 械工业 出版 社 2 0 1 2 4李威 ，王建赜 ， 冉启文 ， 纪延超一种新 的电力系统暂态 波形检 测方法 J 电力系统自动化， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 5 ) ： 4 5 - 4 8 L i We i ，Wa n g J i a n z e ， R a n Q i w e n， A n o v e l m e a s u r e m e n t me t h o d f o r p o w e r s y s t e m t r a n s i e n t w a v e f o rms J A u t o ma t i o n o f E l e c t ri c P o w e r S y s t e ms ， 2 0 o 2， 2 6 ( 5 )： 4 5 -48 5 石敏， 徐袭 ， 吴正国一种简单的电能质量扰动信号检测方法 J 继电器， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 1 5 ) ： 6 8 - 7 2 S h i Mi nXu Xi Wu Z h e n g g u o A s i mp l e me t h o d f o r d e t e c t i n g o f p o w e r q u al i t y d i s t u r b a n c e s i g n a l J R e l a y ， 2 0 0 6， 3 4( 1 5 ) ： 6 8 - 7 2 6 文继锋， 刘沛一种电能质量扰动的检测和分类方法 J 电力 系统 自动化 ， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 1 )： 4 2 _ 4 4 We n J i n g，L i u P e i A me t h o d for d e t e c t i o n a n d c l a s s i fi c a t i o n o f p o w e r q u al i t y d i s t u r b a n c e s J A u t o ma t i o n o f E l e c t ri c P o w e r S y s - t e m s ， 2 0 0 2 ， 2 6 ( 1 ) ： 4 2 - 4 4 7T e o d o r e s c u R，B l a a b j e r g F，L i s e r r e M，e t a 1 P rop o r t i o n a l - r e s o n a n t Co n t r o l l e r s a n d F i l t e rs for Grid - c o n n e c t e d Vo l t a g e - s o u r c e Co n v e r t e r s J I E E E P roc e e d i n g s E l e c t ri c P o w e r A p p l i c a t io n s ， 2 0 0 6， 1 5 3 ( 5 )： 7 5 0- 7 6 2 8 徐恒山， 付超 ， 石新春轻型动车牵引电力电子变压器的研究 J 华北 电力大学学报 ， 2 0 1 4， 4 1 ( 5 ) ：1 8 - 2 2 ， 6 1 Xu He n g s h a n，F u Ch a o，S h i Xi n c h u n Re s e a r c h o n l i g h t t r a i n t r a c t i o n p o w e r e l e c t ron i c s t r a n s f o r me r J J o u r n al o f N o rt h C h i n a E l e c t ri c P o w e r U n i v e r s i t y ， 2 0 1 4 ， 4 1 ( 5 ) ：1 8 - 2 2， 6 1 9 Z h a o ， T ， Wang ， G ， B h a t t a c h a r y a ， S ， H u ang ， A Q V o l t a g e a n d P o we r B a l an c e Co n t rol for a Ca s c a d e d H Bri d g e C o n v e e r Ba s e d S o l i d S t a t e T r ans f o r me r J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 3 2 8 ( 4 ) ：1 5 2 3 - 1 5 3 2 1 O 朱俊杰， 马伟明， 聂子玲 一种用于静止式中频电源的比例谐振 控制策略 J 电机与控制学报， 2 0 1 2 ， ( 1 O ) ： 7 9 8 5 ， 9 4 Z h u J u n j i e ， Ma We i m i n g ， N i e Z i l i n g A p r o p o r t i o n al r e s o n a n t s t r a t e g ) r fo r s t a t i c m e d i u m f r e q u e n t p o w e r s u p p l y J E l e c t ri c M a c h i n e s a n d C o n t r o l ， 2 0 1 2 ，( 1 0) ： 7 9 - 8 5 ， 9 4 作者简介 ： _ 许恺(1990一)，男，汉族，河北保定人，硕士研究生， 主要研究方向为轻型动车牵引电子电力变压器。 Email：xukai13930897578163COB 付超( 1 9 7 9 一) ， 男， 汉族 ， 湖北枝江人， 博士， 讲师， 主要研究方向为新 能源发电 ， 电力 电子技术与应用。 王毅 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 汉族 ， 河北秦皇岛人 ， 博士 ， 教授 ， 主要 研究方 向为 新能源发电 ， 电力 电子技术与应用 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 42 8 ； 修 回日期 ： 2 0 1 51 12 6 ， ( 王艳丽编发 ) ( 上接第 2 7页) 1 1 邱 晓燕 ，刘天琪电力系统分析 的计算 机算法 M 北京 ： 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 9 作者简介 ： 郭敏 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 工程师 ， 研究方 向为电力系统运 行与控制和 电力系统继电保 护。 Ema i l ： g in2 0 04 1 1 1 6 3 c o m 周亮 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 研究方 向为 电力 系 统运行 与控制 、 电力系统继 电保护和新 能源发 电与 智能电网。E m a i l ： z h o u l i a n g _ x c s i n a c o m c a 王中庆( 1 9 8 6 一) ， 男， 助理工程师， 研究方向为电力系统继电保护与 控制 。 王宇鹏 ( 1 9 8 6 一 ) ， 男 ， 助理工程 师 ， 研究方 向为电力系统运行与控制和 智 能电网调度支持系统。 白懿鹏 ( 1 9 9 1 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为 电力系统继电保护和智 能变 电站 自动化系统。 吕飞鹏 ( 1 9 6 8 一 ) ， 男 ， 博士 ， 教授 ， 研究方 向为电力系统继 电保护 和故 障信息处理智能系统。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 0 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 504 1 3 ( 刘爽编发 ) 41 一 _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m