基于拉丁超立方抽样和多线程并行技术的电力系统安全性评估

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013A-169基于拉丁超立方抽样和多线程并行技术的电力系统安全性评估杨掌林1，王钢2，汪隆君31华南理工大学电力学院2华南理工大学电力学院3华南理工大学电力学院[e-mail],[e-mail],[e-mail]摘要：针对目前电力系统安全性评估普遍存在评估效率低、精度差、波动大等突出问题，在研究扰动参数不确定模型的基础上，提出基于拉丁超立方抽样技术生成系统扰动序列，并采用多线程并行技术进行电力系统暂态安全性评估方法。该方法能避免传统直接抽样方法的高维不均匀性和长周期相关性，通过少量样本抽样即可获得稳定的安全性指标，结合并行技术进一步提高暂态安全性评估速度。在此基础上，研发电力系统暂态安全性评估软件。以IEEE10机39节点系统为算例验证本文所提方法的有效性。关键词：暂态安全性评估；拉丁超立方抽样；多线程并行技术PowerSystemSecurityAssessmentBasedonLatinHypercubeSamplingandMultiThreadParallelTechnologyYangZhanglin1，WangGang2,WangLongjun31CollegeofElectricalP[e-mail],[e-mail],[e-mail]:Thepowersystemsecurityassessmentgenerallyexistsproblemsinlowefficiency,pooraccuracyandlargefluctuationatpresent.Therefore,thispaperstudiedtheuncertaintymodelinperturbationparameters,andproposedanapproachfortransientsecurityassessmentbasedonLatinHypercubeSamplingandmultithreadparalleltechnology.Thisapproachcanavoidthehigherdimensionalinhomogeneityandlongcyclecorrelation,relativetotheotherdirectsampling.Besides,itcanobtainstablesecurityindicesbyasmallamountofsamplessamplingandincreasethespeedwiththeparalleltechnologyfurther.Onthisbasis,asoftwareofpowersystemtransientsecurityassessmentisdeveloped.CasestudiesoftheIEEE39systemdemonstratetheeffectivenessoftheproposedmethod.Keywords:transientsecurityassessment;Latinhypercubesampling;multithreadparalleltechnology0引言随着电力系统向高电压、远距离、大容量方向发展，电网拓扑结构与运行环境越加复杂，驾驭电网的难度随之加大，系统安全稳定性问题不容忽视。作为电力系统可靠性评估的组成之一，暂态安全性评估是是分析电力系统在暂态条件下承受突发大扰动（如发电机突然故障或线路发生短路）的稳定能力，即分析系统中继电保护装置能否可靠、及时地切除故障，以及在故障切除后的动态过程中系统是否具有足够承受扰动保持系统不失去稳定的能力。与电力系统稳态的充裕度评估类似，电力系统暂态稳定概率评估要分析计算故障事件的概率和后果两个方面。由于电力系统暂态稳定分析计算的特点，这两方面的计算量远比稳态的充裕度评估大得多，如故障扰动事件建模的不确定因素不仅涉及故障位置和类型，而且与继电保护控制系统和安全自动装置的响应行为及动作时间有关，暂态稳定后果评估更是对大量微分方程作故障响应时间全过程积分计算。精确暂态稳定计算过程依然十分复杂，传统的人工计算方法作系统暂态安全性评估根本无法实现。现有的系统暂态安全性评估方法普遍存在评估效率低、精度差、波动大等突出问题，其原因主要在于评估所采用的随机抽样技术具有高维不均匀性和长周期相关性等问题，而且计算过程单一，没有合理利用高性能计算技术。计算机技术的发展为暂态安全性评估带来了新的契机，特别是多线程并行技术的应用，可大幅提高多个相互独立问题的计算速度，有助于缓解电力系统暂态安全性评估计算中样本多，计算过程复杂的资助信息：广东省高新技术产业化重点项目-工业攻关（2010A010200005）中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013A-169困境。为此，在研究扰动参数不确定模型的基础上，本文提出基于拉丁超立方抽样技术生成系统扰动序列，并采用多线程并行技术进行电力系统暂态安全性评估方法，避免传统直接抽样方法的高维不均匀性和长周期相关性，结合并行技术进一步提高暂态安全性评估速度。在此基础上，研发电力系统暂态安全性评估软件。以IEEE10机39节点系统为算例验证本文所提方法的有效性。1安全性评估指标本文采用系统失稳概率，系统失稳频率以及系统稳定运行时间期望值构成暂态安全性评估指标体系。系统失稳概率PLOS：∑∑∈∈==SiiiiSiiLOSNnpPP(1)式中S为系统状态集合，Pi为第i个系统状态失稳概率，pi为元件i失效概率，ni为出现系统暂态失稳的次数，Ni为系统状态i的模拟次数。系统失稳频率FLOS：∑∈=SiiiLOSPFλ(2)式中λi为系统由第i个失稳状态到正常状态的转移率。系统稳定运行时间期望Ts：LOSLOSsFPT/)1(8760−×=(3)2暂态安全性评估模型2.1故障概率模型为全面真实地反映电力系统暂态稳定水平，暂态安全性评估中应考虑影响系统暂态稳定的不确定性因素，包括故障元件、故障位置、故障类型、自动控制装置和继电保护动作序列及故障清除时间等。一般情况下，电力系统元件如输电线路、变压器及母线等采用两状态模型，即运行状态和故障状态，故障时间服从指数分布；按照元件不同，故障可分为线路故障、变压器故障及发电机故障等，再按照故障类型作进一步细分，服从离散概率分布；线路的故障位置一般不服从均匀分布，而是服从离散概率分布；自动控制装置和继电保护动作情况服从离散概率分布；故障清除时间服从正态分布，以上这些分布的参数可由历史数据统计确定[1]。2.2扰动序列模型在暂态稳定模拟计算中必须设置扰动序列。系统扰动事件序列中的故障元件为系统所有的关键元件，假设所有关键元件的故障以相同概率出现，通过形成预想事故集，只对事故集中故障元件进行枚举，不进行抽样。系统扰动事件序列抽样过程为：①确定发生的故障类型；②确定故障发生的时间和地点；③确定主保护动作与否及响应时间；④若主保护动作，确定重合闸重合成功与否及响应时间，若重合闸重合成功，则故障到此切除，否则由后备保护切除故障，此时不再考虑重合闸；⑤若主保护拒动，则由后备保护动作切除故障，此时需要确定后备保护的响应时间。3暂态安全性评估关键技术3.1拉丁超立方抽样拉丁超立方抽样（LatinHypercubeSampling）是一种新的小样本采样方案，它结合了分层抽样与随机抽样的优点，能克服传统直接随机抽样的高维不均匀性和长周期相关性等问题，是目前最为有效的小样本抽样方法之一。拉丁超立方抽样包含采样和排序两个过程。采样过程必须要保证采样点涵盖所有的随机分布区域；排序过程则是通过改变相互独立的随机变量采样值的排列顺序，使得它们间的相关性趋于最小。以下对拉丁超立方抽样进行简要介绍。每一个随机变量xi（i=1,2,…,n）可用已知的累积分布函数Fxi(x)描述,将第i个随机变量xi的累积分布函数Fxi(x)的范围分成N个非搭接的区间Sij（i=1，2，…,n；j=1，2，…,N），其中N代表采样样本的规模，每个区间由概率Pij表征，如式(4)所示：)(ijiijSxPP∈=(4)且∑==NjijP11（i=1，2，…,n）(5)在等概率区间的情况下，Pij=1/N。在采样过程中，以参考值代表区间Sij。参考值的选取有两种方式，一是在区间中随机选取，二是直接选取区间的质心。对于第一种方式，首先在(0,1)区间内随机选取N个随机数Uj(j=1,2,…,N)，利用式(6)将Uj变换为第j个区间的随机数Qj：NjUQjj/)]1([−+=（j=1，2，…，N）(6)显然NjQNjj//)1(−(7)式中，(j-1)/N和j/N分别为第j个区间的上下界。所以，在每个区间上仅生成一个随机数Qj即可利用下式求得相应的随机变量值：)(1jxiijQFx−=（i=1,2,…,n）(8)式中，)(1jxiQF−为第i个随机变量的逆累积分布函数。中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013A-169对于第二种方式，第j个区间的参考值可利用式(9)选取：)5.0(1NFxjixixi−=−R（i=1,2,…,n）(9)Rji为随机变量xi的第j个模拟区间秩数。为减少各独立随机变量采样值间的相关性对计算精度的影响，可在抽样过程中随机选取区间Sij。令每个随机变量xi的N个观测值与一个随机排列的整数序列（1，2，…，N）相关联，每个整数序列要求相互独立。若将n个随机变量的N次模拟所组成的整数矩阵记为R，其中R有N行n列，不同的排序方法可获取不同的整数矩阵R。由此可见，矩阵R是随机样本抽样策略的一种体现。3.2多线程并行技术暂态安全性评估需要对多个独立的扰动序列进行评估，非常适合采用并行技术以提高评估效率。由于多线程执行单元少，可减少程序并发执行时所应付出的时空开销，使操作系统具有更好的并发性。因此，本文采用多线程的方式实现并行计算。3.2.1并行计算原理与多线程同步机制一个进程中的所有线程都在该进程的虚拟地址空间中，使用该进程的全局变量和系统源。操作系统在单核情况下，以轮转方式给每个线程分配不同的CPU时间片，由于在某一时刻CPU只执行一个时间片内的线程，多个时间片中的相应线程在CPU内轮流执行。而在多核以及多CPU情况下，多个线程将在同一个时间片内同步运行，从而实现真正的并行计算。由于程序中所有线程都需要拥有对各种系统资源的访问权，若一个线程独占对资源的访问权，会造成其他线程无法工作或者导致内存冲突，这就需要线程的同步机制对线程的执行顺序强行限制，协调线程和管理共享资源数据。事件同步是Win32下最灵活的同步方式，具有控制方便、实现简单等优势，因此本文采用事件同步实现线程间的通信与同步。3.2.2多线程模型根据线程的运行空间位置，可分为应用程序级的用户线程和操作系统内核空间的内核线程。许多操作系统都提供对用户线程和内核线程的支持，从而有不同的多线程模型。常用的多线程模型包括多对一模型、一对一模型和多对多模型。由于多对多模型能够弥补多对一模型只能调度一个线程和一对一模型所能创建的线程数受限的缺陷[2]，程序员可创建任意多的必要用户线程，且相应内核线程能在多处理器系统上并行执行，因此本文采用多对多模型实现并行计算。4大电网暂态安全性评估实现4.2软件架构暂态安全性评估软件主要分为三大模块，分别为数据输入与读取模块、暂态稳定计算模块以及暂态安全性指标计算模块，软件设计架构如图1所示。图1软件设计架构图在数据输入与读取模块中，输入文档包括三部分：网络拓扑信息文档、暂态计算基础文档以及可靠性基础数据文档。为满足工程需求，实现输入文档编辑方便、修改灵活等功能，对于前两份文档，本软件分别采用电力系统分析软件的潮流