一种图分割算法在大规模电力系统计算中的应用

论文摘要

全国互联电网的日益形成,对电力系统在线仿真计算的要求越来越高。传统的串行潮流计算方法已无法满足要求,高效的潮流并行算法和分布式计算理论的研究成为大规模电力系统仿真计算的关键。因此,通过研究一种通用并行算法,实施高效运算、动态仿真和预测,进行实时系统的在线监测,对于现代电力系统的运行与控制有重大意义。分块对角加边形式(Bordered Block Diagonal Form,BBDF)是进行电力系统并行计算的有效方法。本文提出了一种基于电力系统地理区域信息,自外而内利用边割集,形成嵌套分块对角加边形式(Nested BBDF)系数矩阵的图形分割算法。应用稀疏技术,对算法形成的嵌套对角块和边界块进行节点重新编号,以减少计算过程所引入的注入元,并利用该算法进行大规模电力系统的并行计算。本文首先介绍了电力系统潮流计算与状态估计的基本方法,进一步阐述电力系统与图的关系,系统阐述了嵌套BBDF的图理论与图过程,结合华东2806节点系统,IEEE300系统进行了算法的有效性验证。然后将此算法引入电力系统的潮流计算与状态估计,给出了详细的计算过程,并在基于MPI的并行计算环境中进行仿真计算。通过对实际系统的仿真计算证明,本文提出的算法较其他BBDF分解算法具有更小的通信量。实验结果表明,该算法在按照地理区域划分的大型电力系统潮流计算中,有着很强的适应性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的意义与背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 第二章 电力系统潮流计算与状态估计
• 2.1 电力系统潮流计算
• 2.1.1 电力系统潮流计算概述
• 2.1.2 电力系统潮流方程
• 2.1.3 牛顿拉夫逊潮流计算
• 2.2 电力系统状态估计
• 2.2.1 电力系统状态估计概述
• 2.2.2 状态估计量测方程
• 2.2.3 加权最小二乘法
• 第三章 电力系统的图论基础
• 3.1 矩阵的图论基础
• 3.1.1 系数矩阵与有向图
• 3.1.2 Gauss 消去与图收缩
• 3.2 电力系统计算的图表征
• 3.2.1 潮流计算的模型
• 3.2.2 雅可比矩阵的图
• 3.2.3 雅可比矩阵的GAUSS 消去
• 3.3 稀疏技术在电力系统计算中的应用
• 第四章 嵌套BBDF 分割算法
• 4.1 普通的BBDF 图分割
• 4.1.1 BBDF 雅可比矩阵的形成
• 4.2 基于边割集的BBDF 图分割
• 4.3 基于嵌套BBDF 的图分割
• 4.4 稀疏技术在嵌套BBDF 分割中的应用
• 4.4.1 BBDF 矩阵的节点重新编号
• 4.4.2 嵌套BBDF 矩阵的节点重新编号
• 4.5 嵌套BBDF 分割算法的实现
• 4.5.1 电网的初始划分
• 4.5.2 嵌套BBDF 划分
• 4.5.3 映射表和节点重新编号
• 4.6 算例验证
• 4.6.1 嵌套BBDF 划分验证
• 4.6.2 优化节点排序与雅可比矩阵注入元
• 第五章 嵌套BBDF 算法在电力系统潮流计算中的应用
• 5.1 基于BBDF 的分布式数据存储
• 5.2 基于嵌套BBDF 分割的并行潮流计算
• 5.2.1 雅可比矩阵更新
• 5.2.2 高斯前代
• 5.2.3 高斯回代
• 5.2.4 电压向量更新
• 5.2.5 收敛性判断
• 5.3 并行潮流算例验证
• 第六章 嵌套BBDF 算法在状态估计中的应用
• 6.1 图分割算法在状态估计中的实现
• 6.2 状态估计的并行计算
• 6.3 算例验证
• 第七章 基于MPI 的并行程序设计及其实现
• 7.1 并行处理技术概述
• 7.2 MPI 并行处理技术
• 7.3 MPI 的通信机制
• 7.3.1 MPI 消息传递过程
• 7.3.2 MPICH 并行程序设计
• 7.4 硬件配置与算法实现
• 7.4.1 算法实现的硬件配置
• 7.4.2 电网的嵌套BBDF 分割
• 7.4.3 分布式电网数据存储
• 7.4.4 分布式并行计算
• 第八章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 下一阶段工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文