一種電力系統模型參數並行辨識方法
2023-10-16 18:22:24 2
專利名稱：一種電力系統模型參數並行辨識方法
技術領域：
本發明涉及一種電力系統模型參數並行辨識方法，屬於電力系統建模技術領域。
背景技術：
電力系統仿真計算的結果是電力生產部門用於指導實際電網運行的基本依據，而仿真結果是否正確在很大程度上取決於模型參數是否準確。在電力系統模型參數獲取方面，目前主流的方法是參數辨識。所謂參數辨識，即利用待測模型在某一動態過程中所測得的輸入、輸出數據，通過優化算法不斷調整模型參數以使模型仿真結果儘可能接近實測結果O在辨識廣域電力系統的模型參數時，一方面需要進行多類參數的同時優化，另一方面需要計算反映電力系統整體動態行為的目標函數值，即優化過程與目標函數值計算過程是交互的。目標函數值的計算是以電力系統動態過程仿真為基礎的，這就需要在優化算法與電力系統仿真計算軟體之間建立數據交換，即優化一次獲得的中間參數結果自動替代仿真系統中的參數，然後由仿真計算軟體獲得系統動態響應並且輸出給優化程序，優化程序計算獲得目標函數值，並進一步優化獲得新的參數值。但是，在廣域電力系統參數辨識過程中涉及到多參數的同時優化，這大大增加了優化算法的計算量，而且廣域電力系統的仿真也需要較長的時間，所以辨識一組參數通常需要十幾個小時甚至數日。因此，提高參數辨識速度對於廣域電力系統參數辨識的實用化具有重要意義，而採用並行處理技術是一個較為理想的解決方案。計算機集群技術是將多臺計算機組織起來進行協同工作的一種並行處理技術。該技術利用高速通信網絡將一組工作站(計算節點)按某種結構連接起來，形成一個鬆散耦合的並行計算環境；然後通過並行程序設計及可視化人機互動環境的支持來實現統一調度和協調處理,從而組成一個高效並行處理的系統來協同求解同一個問題。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的缺陷，提出了一種電力系統模型參數並行辨識方法，該方法通過建立優化算法與電力系統仿真軟體之間的交互實現了廣域電力系統模型的參數辨識，更主要的是，在計算機集群環境下通過對電力系統仿真計算任務的並行處理實現了參數辨識的並行化，有效地縮短了參數辨識的時間，提高了廣域電力系統模型參數辨識的實用性。本發明具體採用如下技術方案
通過建立優化算法與電力系統仿真軟體之間的交互實現了廣域電力系統模型的參數辨識，參數辨識過程中優化算法與電力系統仿真軟體的交互總體上由優化算法控制，並通過一個交互接口程序來實現；在計算機集群環境下通過對電力系統仿真計算任務的並行處理實現了參數辨識的並行化，具體是以計算機集群作為參數並行辨識的載體，採用一種主從模式的並行計算方式，即計算機集群中的一臺計算機作為並行計算任務管理機，主要承擔優化算法的執行和並行計算任務的調度，其餘計算機作為計算節點，主要承擔電力系統仿真計算任務，每個電力系統仿真計算任務實際代表的是待辨識參數的一組可能取值，在優化算法的每一輪迭代中將眾多計算任務同時分配到計算機集群的各個計算節點以實現仿真計算任務的並行化。本發明的有益效果是解決了以往廣域電力系統參數辨識耗時過長的問題，提高了廣域電力系統模型參數辨識的實用性，從而對提高電力系統仿真分析精度、正確制定電網建設規劃和運行方式產生積極作用。此外，本發明可以適用於目前我國電力行業使用的各種電力系統仿真軟體，並且可以適用於粒子群算法、蟻群算法、模擬進化算法等眾多現代優化算法，因此具有良好的推廣應用前景。
附圖I是參數辨識過程中優化算法與電力系統仿真軟體交互的示意圖附圖2是本發明所提出的電力系統模型參數並行辨識方法的流程圖附圖3是經過並行化編程的優化算法通用執行流程圖
具體實施例方式
本發明的電力系統模型參數並行辨識方法通過建立優化算法與電力系統仿真軟體之間的交互實現了廣域電力系統模型的參數辨識，參數辨識過程中優化算法與電力系統仿真軟體的交互總體上由優化算法控制，並通過一個交互接口程序(或名稱不同而功能類似的程序)來實現；在計算機集群環境下通過對電力系統仿真計算任務的並行處理實現了參數辨識的並行化，具體是以計算機集群作為參數並行辨識的載體，採用一種主從模式的並行計算方式，即計算機集群中的一臺計算機作為並行計算任務管理機(以下簡稱「管理機」)， 主要承擔優化算法的執行和並行計算任務的調度，其餘計算機作為計算節點，主要承擔電力系統仿真計算任務，每個電力系統仿真計算任務實際代表的是待辨識參數的一組可能取值，在優化算法的每一輪迭代中將眾多計算任務同時分配到計算機集群的各個計算節點以實現仿真計算任務的並行化。《電力系統分析綜合程序》(PowerSystem Analysis Software Package, PSASP) 是目前我國電力企業進行電力系統仿真的主要工具之一。下面以PSASP為實施例，結合附圖對本發明的實施方式做詳細說明。圖I是參數辨識過程中優化算法與電力系統仿真軟體交互的示意圖，參數辨識過程總體上由優化算法控制，具體交互過程為
I.優化算法首先確定待辨識參數的一組取值。2.通過交互接口程序將該組參數值(經格式轉換後)下發給電力系統仿真軟體。3.交互接口程序調用電力系統仿真軟體進行仿真計算。4.計算完成後，交互接口程序根據仿真輸出計算優化目標函數值並返回給優化算法。5.優化算法根據返回的目標函數值確定下一步優化操作。6.重複以上步驟，直到優化算法達到設定的迭代次數或目標函數值達到預期，最後輸出參數優化結果。
圖2是本發明所提出的電力系統模型參數並行辨識方法的流程圖，當以PSASP為實施例時，具體包含以下步驟
I.在管理機上準備用於參數辨識的電力系統仿真數據包，主要內容包括目標響應曲線 (一般採用實測的動態響應曲線)數據的格式化、電力系統仿真軟體輸出內容的匹配等。根據不同的電力系統仿真軟體，有時還需要對待辨識參數進行代碼設置、向仿真數據包中拷貝仿真調用程序等。設模型所在目錄的名稱為「PowerSystem」，具體操作包括
(I)將參數辨識所需的目標響應曲線(通常為實測的電力系統動態響應曲線)數據按 PSASP仿真輸出結果的格式進行整理，並命名為「FN1. DAT」存放在「PowerSystenA」目錄下。 PSASP仿真輸出文件為「PowerSystem\temp\FNl. DAT」,其中每一條輸出曲線按列存放,每列之間以「，」分割。(2)根據目標響應曲線的實際情況，在PSASP界面中設置相應的網絡故障和仿真輸出內容，要求仿真輸出與目標響應曲線的內容、數量、時間長度一致。(3)在PSASP界面中對待辨識參數進行「代碼」設置。由於PSASP本身並不支持外部程序的直接調用，所以也沒有提供參數的編程修改功能。在PSASP界面中可以對仿真系統的各種參數進行設置，隨後在執行計算前需要對計算作業進行「刷新」，其作用是將仿真所需的各種參數寫入到仿真系統所在目錄下的特定文件中(仿真系統參數寫入「PowerSystem\Lib\DATALIB. DAT」，負荷模型中的靜態負荷比例寫入「PowerSystem\Temp\ST. S6」的最後一列),這樣就使模型參數脫離資料庫環境以便於計算程序的讀取。參數辨識程序通過修改「DATALIB. DAT」和「ST. S6」文件中的特定位置即可實現對仿真系統參數的修改。但由於這兩個文件的內容會隨著仿真系統的改變而改變，因此考慮到通用性，需要在上述文件中對待辨識參數設置「代碼」，以起到識別參數修改位置的作用。待辨識參數的代碼可以直接在PSASP界面中設置，設置的參數代碼也是數字，但是需要與採用標麼制的參數值有明顯差別。代碼設置完畢後，需要刷新一下計算作業。隨後還可以繼續將「DATALIB. DAT」和「ST. S6」文件中的參數代碼改成字母形式，但這僅在需要大量辨識靜態負荷比例時才有必要。(4)設置好待辨識參數的搜索範圍。搜索範圍可以根據經驗值、典型值或者節點級辨識結果來確定。(5)將PSASP計算程序拷貝到模型目錄中。PSASP的眾多仿真計算功能是通過調用其安裝目錄下的不同可執行程序來實現的，即每個可執行程序對應一種仿真計算功能。PSASP雖然沒有直接提供仿真計算的調用指令，但只需要運行所需計算功能對應的可執行程序即可實現調用。本發明中主要用到PSASP 的潮流(「Wmlf. exe」)、暫態穩定(「Wmud. exe」)、暫態穩定/UPI (「Wmupst. exe」)三個計算模塊。將這上述三個程序以及「lforDLL.DLL」拷貝到「PowerSystenATempV』目錄下，隨後即可脫離PSASP環境直接由外部程序調用。該方法不是對PSASP的破解，因此調用計算功能時PSASP的軟體加密狗依然需要，並沒有損害PSASP作者的商業利益。2.管理機通知各個計算節點啟動並行計算客戶端。該客戶端用於接收管理機下發的電力系統仿真數據包以及參數辨識時的計算任務(並向管理機返回計算結果)。3.管理機將電力系統仿真數據包下發給各個計算節點，這需要管理機和計算節點上的並行計算客戶端相互配合完成。4.管理機啟動經過並行化編程的優化算法調度程序。本發明以計算機集群作為參數並行辨識的載體，並採用了一種主從模式的並行計算方式。根據這一特點，對現代優化算法進行並行化的思路是進行計算任務的並行化處理， 每個計算任務可以是蟻群算法中的一隻「螞蟻」、粒子群算法中的一個「粒子」或者遺傳算法中的一個「個體」等等，其實際代表的是待辨識參數的一組可能取值。在優化算法的每一輪迭代中都同時存在許多個計算任務，通過將這些計算任務分配到計算機集群的各個計算節點上以實現優化算法的並行化。經過並行化編程的優化算法是一個運行在計算機集群管理機上的並行優化算法調度程序(或名稱不同而功能類似的程序)。無論具體採用哪種優化算法，其通用的執行流程如圖3所示，具體步驟為
(I)並行優化算法調度程序啟動，並對優化算法本身的一些參數進行設置，比如蟻群的最大移動次數、粒子群的慣性權重、遺傳算法的變異概率等等。(2)計算確定當前一輪迭代時的所有計算任務(比如蟻群算法中螞蟻的位置、粒子群算法中粒子的位置、遺傳算法中個體的基因組成等)。(3)向計算機集群的空閒計算節點下發計算任務，如果沒有空閒計算節點則進行等待。(4)當本輪迭代的所有計算任務都下發後，等待所有計算節點返回計算結果。如果有計算節點未能在規定時間內返回計算結果，則將計算任務分配到其他計算節點上重新計
笪
ο(5)檢查迭代次數限制以及最小誤差是否達到期望值，以確定是否進行下一輪迭代。如果還需要迭代，則回到步驟(2)繼續執行，否則輸出優化結果。5.管理機上的優化算法調度程序首先計算得到本輪迭代的所有計算任務，然後向各計算節點下發任務。計算任務實際為待辨識參數的一組可能取值。6.各個計算節點收到計算任務後調用PSASP計算並向管理機返回仿真輸出曲線與目標響應曲線之間的誤差數值(即優化算法的目標函數值)，具體步驟為
(I)對電力系統仿真數據包中的「DATALIB. DAT 」和「 ST. S6 」文件進行修改，使其中待辨識參數的數值為當前計算任務值。(2)根據需要調用「PowerSystem\Temp\」目錄下的「Wmud. exe」(暫態穩定)或者 「Wmupst. exe」(暫態穩定/UPI)進行計算
(3)等待計算結束，然後讀取PSASP輸出文件「P0WerSyStem\Temp\FNl. DAT」中的數據， 並與目標響應曲線的數據(存放於「PowerSystem\FNl. DAT」中)進行對比，計算誤差數值。 在這一步驟中，有可能因為計算任務中參數的取值不合理而導致計算異常終止，這就需要通過檢查「PowerSystem\Temp\FNl. DAT」文件的修改時間來判斷,如果發生計算異常終止， 就應該向管理機返回一個約定的數值代碼，以表示當前參數組合不合理。(4)向管理機返回仿真輸出曲線與目標響應曲線之間的誤差數值，然後等待下一個計算任務。7.管理機上的優化算法調度程序根據各個計算節點返回的結果，判斷是否進行下一輪迭尋優。如果繼續尋優，則重複步驟5和步驟6，否則輸出參數辨識結果。
權利要求
1.一種電力系統模型參數並行辨識方法，其特徵是通過建立優化算法與電力系統仿真軟體之間的交互實現了廣域電力系統模型的參數辨識，參數辨識過程中優化算法與電力系統仿真軟體的交互總體上由優化算法控制，並通過一個交互接口程序來實現；在計算機集群環境下通過對電力系統仿真計算任務的並行處理實現了參數辨識的並行化，具體是以計算機集群作為參數並行辨識的載體，採用一種主從模式的並行計算方式，即計算機集群中的一臺計算機作為並行計算任務管理機，主要承擔優化算法的執行和並行計算任務的調度，其餘計算機作為計算節點，主要承擔電力系統仿真計算任務，每個電力系統仿真計算任務實際代表的是待辨識參數的一組可能取值，在優化算法的每一輪迭代中將眾多計算任務同時分配到計算機集群的各個計算節點以實現仿真計算任務的並行化。
2.根據權利要求I所述的一種電力系統模型參數並行辨識方法，其特徵是優化算法與電力系統仿真軟體的具體交互過程為(1)優化算法首先確定待辨識參數的一組取值； (2 )通過交互接口程序將該組參數值轉換格式後下發給電力系統仿真軟體；(3 )交互接口程序調用電力系統仿真軟體進行仿真計算；(4)計算完成後，交互接口程序根據仿真輸出計算優化目標函數值並返回給優化算法；(5)優化算法根據返回的目標函數值確定下一步優化操作；(6)重複以上步驟，直到優化算法達到設定的迭代次數或目標函數值達到預期， 最後輸出參數優化結果。
3.根據權利要求I所述的一種電力系統模型參數並行辨識方法，其特徵是該方法具體包括如下步驟(1)在並行計算任務管理機上準備用於參數辨識的電力系統仿真數據包；(2)並行計算任務管理機通知各個計算節點啟動並行計算客戶端；(3)並行計算任務管理機將電力系統仿真數據包下發給各個計算節點；(4)並行計算任務管理機啟動經過並行化編程的優化算法調度程序；(5)並行計算任務管理機上的優化算法調度程序向各計算節點下達計算任務；(6)各個計算節點根據計算任務調用電力系統仿真軟體進行計算，並向並行計算任務管理機返回仿真輸出曲線與目標響應曲線之間的誤差數值；(7)並行計算任務管理機上的優化算法調度程序根據各個計算節點返回的結果，判斷是否進行下一輪迭尋優，如果繼續尋優，則重複步驟(5)和步驟(6)，否則輸出參數辨識結果O
4.根據權利要求1-3任一所述的一種電力系統模型參數並行辨識方法，其特徵是所述優化算法是一個經過並行化編程的，運行在並行計算任務管理機上的並行優化算法調度程序，無論具體採用哪種優化算法，其普遍的執行步驟為S並行優化算法調度程序啟動，並對優化算法本身的一些參數進行設置；2計算確定當前一輪迭代時的所有計算任務；$向計算機集群的空閒計算節點下發計算任務，如果沒有空閒計算節點則等待；$當本輪迭代的所有計算任務都下發後，等待所有計算節點返回計算結果，如果有計算節點未能在規定時間內返回計算結果，則將其計算任務分配到其他計算節點上重新計算；S檢查迭代次數限制以及最小誤差是否達到期望值，從而確定是否進行下一輪迭代，如果還需迭代，則回到步驟 繼續執行，否則輸出優化結果。
全文摘要
本發明公開了一種電力系統模型參數並行辨識方法，屬於電力系統建模技術領域。本發明通過建立優化算法與電力系統仿真軟體之間的交互迭代實現了廣域電力系統模型的參數辨識，更主要的是，在計算機集群環境下通過對電力系統仿真計算任務的並行處理實現了參數辨識的並行化，有效地縮短了參數辨識的時間，提高了廣域電力系統模型參數辨識的實用性。此外，本發明可以適用於目前我國電力行業使用的各種電力系統仿真軟體，並且可以適用於粒子群算法、蟻群算法、模擬進化算法等眾多現代優化算法，具有良好的推廣應用前景。
文檔編號H02J3/00GK102593830SQ20121006449
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者餘一平, 周冰, 孫冉, 孫素琴, 秦川, 金宇清, 陳謙, 鞠平, 黃訓誠 申請人:河南省電力公司, 河海大學