湖北電網運行方式協同計算系統及應用研究

盧子敬,劉 琳,孫建波,李勤新,李大虎,臧主峰,陳 勇,翟媛媛

（1.國網湖北省電力公司，湖北武漢,430077；2.中國電力科學研究院，北京海淀,100192）

湖北電網運行方式協同計算系統及應用研究

盧子敬1,劉 琳2,孫建波1,李勤新2,李大虎1,臧主峰2,陳 勇2,翟媛媛2

（1.國網湖北省電力公司，湖北武漢,430077；2.中國電力科學研究院，北京海淀,100192）

湖北電網運行方式協同計算系統，實現了省、地調人員異地聯合開展方式計算，革新了傳統的方式計算，對于保障電網安全穩定運行具有積極意義，能夠提高省、地調一體化電網聯合仿真計算分析工作的準確性和計算效率，保證電網安全穩定運行水平。本文詳細介紹了湖北電網協同計算工作具體流程，各省、地調人員根據流程管理以及權限設置進行數據維護與潮流調整工作。根據湖北省年度方式計算數據進行潮流、暫穩計算后，將計算結果、計算效率分別與綜合穩定程序（PSASP）7.15版本進行了對比，證實協同計算系統的正確性及高效性。

協同計算系統；數據管理；故障校核；工程應用

0 引言

電力系統的安全穩定運行至關重要，仿真計算是電力系統安全分析的重要手段和技術基礎。隨著電網的發展和智能電網建設的推進，電力系統安全分析和電力系統仿真也面臨著新的挑戰，包括提高仿真的電網規模和計算性能，提高仿真的應用水平和管理水平等等。

目前國內省調與地調間進行聯合計算采用的方法是從各地調中心抽調人員，集中辦公采用電力系統分析綜合程序（PSASP）串行工作。該集中方式工作效率低，生成工作條件產期得不到改善，不能滿足電網快速發展對計算模式提出的要求。不僅如此，當進行電網方式數據的下發上報時，一般通過FTP、移動存儲設備等方式進行整套數據的傳送。利用這些方式傳送數據，存在著數據占用空間大、傳送效率較低、不易對數據進行管理、無法進行資源共享、數據更新不及時、容易出錯等問題。因此有必要研究支持湖北電網形態下的新型仿真計算技術支撐手段，支持省、地調人員異地開展聯合仿真計算，保證電網計算數據的可靠快捷地交換和及時準確地更新，以適應深化“大運行”體系建設的客觀要求。因此，亟需研究和開發適合省、地電網異地協同進行數據維護和聯合方式計算的一體化協同計算系統，提高省、地調一體化電網聯合仿真計算分析工作的準確性和計算效率；

本文介紹湖北電網運行方式省地一體化協同計算系統（協同系統）的設計方案和工作方法，分析其功能及實際應用的可操作性，并對計算結果進行了分析。

1 系統架構設計

總體介紹？設計原則？

系統主要由安全管理、智能交互、仿真計算分析、基礎數據管理四個功能層級構成。協同系統業務框架如圖1-1所示。

1.1 業務框架

安全管理層主要用于提供應用級的安全方案，包括用戶認證、權限控制、操作授權等系統管理類功能。安全管理層確保系統不會遭受匿名用戶的非法訪問，只有通過安全認證的用戶才能夠訪問和使用系統業務功能，并且通過其權限控制和操作授權等功能，還能夠靈活控制用戶所能執行的操作，這樣可以保護一些敏感和高級業務，保證系統業務安全有序地執行。

智能交互層主要用于提供可視化展示和用戶交互操作界面等功能，包括數據管理、圖形展示、即時交互工具、報表工具等。

數據管理交互界面提供數據操作的交互操作界面功能，包括電網基礎數據維護、仿真計算數據設置等交互操作；圖形展示界面提供以圖形化的方式展示業務信息，主要用于地理圖展示、仿真分析結果展示等業務；即時交互工具提供用戶間協同交互的操作界面和功能，使用戶可以通過文本、圖像、聲音等手段，及時、協作地處理業務。

仿真計算分析和基礎數據管理是核心業務層，包括數據管理、數據拼接合并、數據校核對比等數據類業務，以及潮流計算、暫態穩定計算等仿真分析計算類業務，主要提供模型參數維護、基本信息查詢、參數版本管理、增量信息提取、外圍電網提取、潮流計算、潮流報表、暫穩計算、暫穩曲線展示等功能。

圖1-1 湖北電網運行方式協同計算系統業務架構圖

1.2 物理框架

湖北電網運行方式協同計算系統物理框架是實現運行方式計算的物理基礎，包括WEB服務器、應用服務器、數據庫服務器、分布式計算平臺、數據接口服務器、磁盤陣列等，如圖1-2所示。

圖1-2 湖北電網運行方式協同計算系統物理框架圖

WEB服務器用于實現對于客戶端瀏覽器的響應；應用服務器負責運行著各種應用服務；數據庫服務器負責提供數據庫服務；分布式計算平臺是由多臺計算節點機通過高速網絡互連而成，執行電力系統仿真軟件、處理用戶作業；數據接口服務器實現了智能分析系統與協同系統之間的數據交換；磁盤陣列能夠可靠存儲數據庫信息和重要文件信息；交換機則用來提供網絡數據平臺網絡傳輸服務。實際部署中，把WEB、應用服務器、數據接口服務器進行了合并。

2 系統功能設計

湖北電網運行方式協同計算系統的主要目標是建設湖北電網計算數據管理系統，支持湖北省、地調聯合開展運行方式計算工作。該系統包括四部分：系統管理模塊，協同管理模塊、數據管理平臺、計算分析模塊，如圖1-3所示。

2.1 系統管理模塊

系統管理模塊提供用戶管理、日志管理、網絡安全等功能，保障系統安全、穩定、連續穩定運行。其中，賬號管理是系統正常業務的基礎，系統所有的使用用戶以及權限都應該由賬號管理系統來管理和維護。

系統通過硬件防火墻、防病毒軟件、數據加密等措施來保障安全。防火墻和防病毒軟件采用現有商用產品。不僅如此，為了保證數據的可靠性，必須對數據庫進行備份，保證系統故障時數據不丟失。

2.2 協同管理模塊

協同管理模塊提供多人異地協同工作的相互配合及溝通交流技術支持手段，包括流程管理、即時通信、論壇公告等功能。流程管理主要功能是統籌系統任務，使其按照計劃的順序和時間有序執行，其執行過程采用工作流驅動，保證系統運行的正確性和穩定性。項目的SVG監控可以全程跟蹤流程的整個工作過程，實時獲取工作進度和工作過程中的每一個任務節點處理細節情況，使項目管理者更好的控制把握整個流程的工作過程，保證工作的順利進行。即時通訊工具實現了用戶通過頁面和后臺進行即時交流，既能夠提供點到點即時在線交流和群體即時在線交流等簡單的文本交流功能。

圖1-3 湖北電網運行方式協同計算系統主要功能

2.3 數據管理模塊

數據管理模塊能夠實現電網運行方式計算數據的集中管理和分散維護、實時更新和發布；實現省地數據共享共用、統一管理；保證省地數據的唯一性、規范性、時效性、雙向流動性、準確性和完整性。數據管理模塊包含工程數據管理、數據校核比對、數據上傳下載、用戶和權限管理、數據日志管理等功能。

圖2 湖北電網運行方式協同計算系統流程圖

2.3 計算分析模塊

計算分析模塊實現多人異地分布式聯合計算，轉變現有聯合計算集中辦公模式，實現電網方式計算和故障分析由以往的單地區單人工作獨立模式向多人聯合協同的模式轉變。包括潮流、暫穩計算等計算分析功能，計算功能由單機計算和機群計算組成，可以進行一個作業的計算或多個作業的同時計算。提供計算結果的可視化圖形顯示，包括地理接線圖靜態/動態顯示、暫穩曲線綜合分析顯示等內容，界面風格美觀大方，以簡潔明確的方式提醒用戶所需要關心的關鍵數據或者結果。

3 協同計算應用流程

利用湖北電網運行方式協同計算系統進行方式計算工作，湖北省、地調工作人員需嚴格按照工作流程，結合協同計算系統的權限設置，對各自所管轄數據進行操作，具體的協同計算流程如下圖2所示。

首先湖北省調在協同計算平臺上傳一套基礎數據，并建立多個副本供各地調修改。湖北省調人員利用協同管理平臺下發此次方式計算具體要求至各地調，各地調人員根據要求在各自所屬副本上進行數據維護工作。數據維護工作完成后，湖北省調根據各地調所屬數據組進行數據拼接，并下發合并后的數據給各地調核查。各地確認無誤后，由湖北省、地調依次串行調整潮流，潮流調整過程及次序均由湖北省調在協同計算系統中利用權限設置進行控制。最后，湖北省調人員在協同計算平臺進行暫穩批處理計算工作和相應的專題計算工作。

在此過程中，省、地調人員無需集中工作，各省、地調人員根據其權限在協同計算平臺上進行數據維護以及潮流調整工作，各司其職，完畢后在協同管理平臺進行流程進度管理及文字報告的傳輸，直至流程結束。

4 系統應用

本次計算應用依據湖北電網年度方式計算數據初始化協同計算系統數據庫，并根據指定檢修故障掃描故障集，開展故障校核。在湖北電網運行方式協同計算系統批處理計算完畢后，將計算結果與《電力系統分析綜合程序》PSASP7.15進行對比，以驗證湖北電網運行方式協同計算系統的正確性以及高效性。其中，潮流計算采用最優乘子法；暫態穩定計算采用隱式梯形積分法，積分步長為0.01秒。

4.1 計算結果一致性對比

4.1.1 潮流結果對比

以湖北年度方式計算數據為例，利用湖北電網運行方式協同計算系統以及綜穩程序PSASP7.15分別計算同一潮流后，分別采用BeyondCompare軟件和中國電力科學研究院開發的潮流對比工具，所得對比結果顯示潮流結果最大誤差不超過0.1%，誤差在合理要求范圍內。

4.1.2 暫穩曲線對比

基于相同潮流作業，以玉孝線孝感側500kV母線三相短路接地故障為例，將協同計算系統所得曲線結果與綜穩程序PSASP7.15所得結果進行對比，可得下圖3-1、圖3-2以及圖3-3所示。

圖3-1 張恩_53有功功率曲線

圖3-2 鄂荊門EH母線電壓曲線

圖3-3 發電機功角曲線

同理，基于相同潮流作業，以鳳光線和光咸線異名相故障重合閘不成功為例，將協同計算系統所得曲線結果與綜穩程序PSASP7.15所得結果進行對比，可得下圖3-4、圖3-5以及圖3-6所示。

圖3-4 張恩_53有功功率曲線

圖3-5 鄂荊門EH母線電壓曲線

圖3-6 發電機功角曲線

從上圖3-1到圖3-6曲線對比圖可知，針對不同的故障類型，協同計算系統與綜穩程序所得功率曲線、母線電壓以及發電機功角差等計算曲線基本一致，最大誤差不超過1%，誤差在合理范圍之內。

4.2 批處理計算效率對比

湖北電網現安裝部署兩臺服務器，其中一臺服務器有10個線程，共20個線程，即最多同時計算20個故障。按照故障集掃描效率提升指標加速比=單機計算時間/協同并行計算時間，即

其中，Sp表示加速比，T1表示單機版程序計算時間， Tp湖北表示協同平臺并行計算所需時間，可得湖北電網運行方式協同計算系統的理想加速比為20。

經仿真實驗證明，批處理掃描故障集掃描效率實際加速比約為5，即協同計算系統的計算時間是單機版的5倍，顯著快于單機版程序。協同計算系統沒有達到理想加速比的主要原因是協同平臺數據庫并行訪問效率較低以及網絡傳輸問題，目前正在對系統進行進一步優化。

5 結論

湖北電網運行方式協同計算系統的開發，實現了電力系統分析計算數據的集中管理和分散維護、多人異地協同計算以及大規模電網的分布式快速仿真計算功能；保證了電網計算數據的準確可靠、及時更新以及快捷交換；整合了電力企業的資源和應用系統，實現了電網模型數據中心、調度運行方式數據、規劃數據等電網數據的資源共享，降低勞動、生產和服務的成本，提高電網方式計算的整體效率；提高電網方式分析工作的準確性和計算效率，提高電網規劃方案的可適用性。提供了適合電力系統運行穩定分析和推演的可視化技術。

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Collabrative Computing System of Hubei Power Grid and its Application

Lu Zijing1,Liu Lin2,Sun Jianbo1,Li Qinxin2,Li Dahu1,Zang Zhufeng2,Chen Yong2,Zhai Yuanyuan2
（1.Hubei Electric Power Company，Wuhan，Hubei Province，430077；2.China Electric Power Research Instritute，Haidian District，Beijing,100192）

The development of collaborative computing system of Hubei power grid achieved the calculation work that provincial and municipal dispatch start calculation work in different places jointly.It revolutionized the traditional way of computing and enhanced the accuracy and efficiency of the joint simulation calculation and analysis to ensure the safety of the power grid.This paper describes the work of Hubei collaborative computing specific processes, the provincial and municipal dispatch accomplishes data maintenance and power flow calculation according to the process management and permissions.Then the collaborative computing system is used for power flow and transient stability calculation for practical use.The calculation results and effectiveness are respectively compared with the comprehensive program (PSASP) 7.15 version to verify the correctness and efficiency.

Collaborative computing system;data management;fault checking;engineering application

TM715

B

盧子敬（1979-），男，湖北黃岡人，高級工程師。