[科普中国]-电力网化简与等值

简介

网络化简实行网络化简的基本原则，应使消去一部分节点后网络中保留部分的各节点电压，在不同运行方式下都与简化前相同，从而达到既使网络简化又保持网络保留部分电气特征不变的目的。对不计电磁暂态过程的稳态网络通常采用两种化简的方法，一是根据网络接线图直接进行等价变换，即网络变换法;一是对描述网络的线性方程组进行消元处理。两种方法都是以减少节点为目的.因而在本质上是一样的。

网络变换法一般包括两个步骤:第一步是负荷移置，将需消去的节点上的负荷移到经过支路连接的其他节点上去，使该节点变成既不与电源连接，也不带负荷的联络节点。第二步是进行网络变换，即应用网络变换法则。消去联络节点.通常采用星形、三角形变换，即先将星形中心点的负荷移去，然后进行星一网变换，消去星形中心点，每变换一次，消去一个节点。通过网络不断变换，把应消去的节点全部消掉，最后得到所希望的简化网络。

提高计算速度，在进行潮流、短路电流和稳定等计算时，可对复杂电力网的等值电路进行适当的等值和简化处理。在实现电力系统在线分析，如实时静态安全分析时，为了克服系统的规模与计算机内存容量、分析计算所需的响应时间等方面存在的矛盾，需要对系统中某些不可观察部分及互联系统的邻网作外部静态等值处理。

自适应保护整定的精髓是保护定值要随电网运行方式的变化而自动调整。这就要求在电力系统运行方式发生变化时，快速修正用于短路计算用的节点阻抗阵。然而，对于大规模电网，特别是当计算涉及到多组具有零序互感的线路时，需要修正的节点阻抗阵元素数量会很大。传统的串行计算方法无法满足对阻抗阵修改的实时性要求。另外，现代电网大多为互联系统，且其调度SCADA 系统的监测范围是按区域进行划分的，例如一个省级电网调度的SCADA 系统无法获取相邻省网的实时运行信息。而每个电网的短路计算都牵涉到邻接电网的阻抗阵，为了减少数据通信量，这就需要每个电网的EMS/SCADA 能快速地把本网的节点阻抗矩阵化简为边界节点等值阻抗矩阵并发送给相邻电网。相邻电网通过追加与边界节点相连的链支来形成适合本网保护短路计算用的节点阻抗阵。因此，大型互联电网阻抗阵的快速修改和边界等值化简是实现大规模电网保护在线整定的关键。

PC 机群由于具备高性价比、系统结构灵活以及便于升级等优点，近年来得到了研究人员越来越多的关注。基于PC 机群的并行计算已在电力系统暂态稳定分析、无功优化、潮流计算等领域得到了成功的应用，而在保护在线整定领域的应用还鲜见报道。

通过对电网节点阻抗阵修改和邻接电网边界等值化简的内在并行性的研究，提出基于PC 机群的大型互联电网的阻抗阵并行计算方法，并针对进程间计算和通信具有可重叠的特点，提出基于远程存储访问功能（Remote MemoryAccess, RMA）的并行计算优化策略，以满足自适应保护定值计算的实时性要求1。

基于节点阻抗阵的边界等值化简一个电网的短路电流受邻接电网的影响较大，快速地获取相邻电网运行方式的变化对计算本网的实时保护定值是至关重要的。然而各级电网调度SCADA 系统正常的监测范围是有划分的，例如一个省级电网调度的SCADA 系统不知道相邻省网的开关开合情况。为了解决互联电网之间互不了解对方电网实际拓扑的问题，每个电网的调度主机在修正完本网的阻抗阵后，应自动进行节点等值，消去内部节点，形成其相邻电网需要的等值边界节点阻抗阵和节点注入电流2。

算法应用于自适应保护系统的构想根据电网当前的运行方式整定保护定值可以扩大保护装置的保护范围，从而提高其灵敏性和选择性。自适应保护系统在检测到电网发生开关变位后，应能快速地计算新的自适应定值。在电网阻抗阵快速算法的基础上，提出了自适应保护系统框架。

当电网中发生开关变位事件，变位消息或者邻网的边界等值（如果开关变位事件发生在邻网）通过基于广域网的新型远动系统快速传递到调度端，唤醒自适应保护系统。电网拓扑分析算法采用图论与启发式搜索技术相结合的方法，通过修改母线的邻接矩阵来快速跟踪站内拓扑的变化，把母线重新分组并映射为电网的节点，然后采用启发式搜索算法搜索电网的节点树，快速跟踪并更新发生变化的局部电网拓扑。根据已知的电网拓扑，启动并行算法求取电网当前的节点阻抗阵和边界等值，并把边界等值发送给相邻电网的通信调度中心。同时，根据电网的新拓扑修改相关保护间的函数依赖关系，在原有保护的MBPS 基础上，快速得到新的MBPS 和RSM。最后根据当前的节点阻抗阵以及保护的MBPS 和RSM 计算出当前的自适应定值，并远程设定厂站保护的自适应定值。

尽管形成节点阻抗阵需要较大的计算量，但是在一个在线持续运行的环境，前一轮的分析和计算结果可以得到利用。当发生线路投退时，均可通过在原阻抗阵的基础上增加1 条链支来实现（跳闸时为负阻抗）。一旦系统启动并分布存储一次后，调度处理器只需把少量的数据广播到其他各处理器，由多个处理器并行修改阻抗阵，大大缩短了修改时间。所以在线自适应定值计算时间是可以控制在允许范围内的。

为了应对电网发生开关变位后，自适应定值计算短暂过程中可能出现故障的情况，电网中各保护装置仍需存储一套传统定值。调度中心主机在收到开关变位信号后，在启动新定值计算过程前，将向各保护装置广播禁止使用旧自适应定值的通知，此时保护装置改用传统定值直至收到新的自适应定值。

总结基于分块存储和消息传递的阻抗阵并行修改方法，并推导了基于阻抗阵的边界等值化简并行计算公式，可对大型互联电网的完整阻抗阵进行并行修改。通过基于远程存储访问功能的并行计算优化策略，可实现进程间计算与通信的重叠，从而有效提高并行计算效率3。