摘 要: 為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源廣域分布的電網(wǎng)系統(tǒng)分布式分解協(xié)調(diào)計(jì)算，提出了面向服務(wù)架構(gòu)的電力分布式計(jì)算總線(EDCB)協(xié)調(diào)機(jī)制。采用主從分層分區(qū)方法，把互聯(lián)的電力網(wǎng)絡(luò)劃分成主區(qū)和從區(qū)，在分區(qū)環(huán)境下分析電力分布式計(jì)算的數(shù)據(jù)需求、計(jì)算環(huán)境和計(jì)算結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電力分布式計(jì)算總線模型，進(jìn)行分布式分解協(xié)調(diào)計(jì)算。通過(guò)Ward等值方法，把電網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量較小的等值數(shù)據(jù)，并利用SOA技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算總線。
關(guān)鍵詞: 電力系統(tǒng)； 分布式計(jì)算； Ward等值； SOA; 電力分布式計(jì)算總線
隨著電網(wǎng)互聯(lián)程度的逐步提高，在解決數(shù)據(jù)資源廣域分布的一體化仿真分析與計(jì)算時(shí)，由于電網(wǎng)的分層分區(qū)使得數(shù)據(jù)難以完備收集和交換，傳統(tǒng)的集中一體化計(jì)算很難實(shí)施，而且各子區(qū)域獨(dú)立的簡(jiǎn)單等值計(jì)算會(huì)帶來(lái)很大誤差。如何進(jìn)行數(shù)據(jù)資源分布的電網(wǎng)一體化仿真計(jì)算就成了一個(gè)非常突出的問(wèn)題。因此，基于分解協(xié)調(diào)的電網(wǎng)分布式計(jì)算[1-3]的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
現(xiàn)有的分布式計(jì)算主要集中在分布式狀態(tài)估計(jì)、分布式潮流以及分布式無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題[4]。但是已有的研究工作是以分解協(xié)調(diào)為基礎(chǔ)，通過(guò)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已知或規(guī)定好要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行仿真來(lái)研究電力分布式計(jì)算本身的算法，如同步迭代、異步迭代以及其他算法的改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，而很少?gòu)膶?shí)際應(yīng)用的角度對(duì)協(xié)調(diào)器做研究工作。本文針對(duì)重慶市電網(wǎng)兩分層(市調(diào)和地調(diào))多分區(qū)計(jì)算分解協(xié)調(diào)的特性，在面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）和計(jì)算數(shù)據(jù)路由相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出并研究電力分布式計(jì)算總線來(lái)解決電網(wǎng)的分布式計(jì)算問(wèn)題。
1 電力分布式計(jì)算數(shù)據(jù)需求與計(jì)算環(huán)境
電網(wǎng)的所有數(shù)據(jù)由實(shí)時(shí)的SCADA[5]系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition)提供,各區(qū)的電力系統(tǒng)的EMS根據(jù)得到電網(wǎng)原始數(shù)據(jù)、電力系統(tǒng)的各種分析計(jì)算與仿真作為原始數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理后進(jìn)行的。在進(jìn)行分布式分解協(xié)調(diào)計(jì)算時(shí)，采用某種模型將電網(wǎng)進(jìn)行等值，將由SCADA系統(tǒng)獲得的實(shí)時(shí)電網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成分布式協(xié)調(diào)計(jì)算要求的數(shù)據(jù)。以子網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線的功率和邊界節(jié)點(diǎn)電壓為基礎(chǔ)，形成外網(wǎng)的協(xié)調(diào)等值模型，然后結(jié)合外網(wǎng)的等值信息和內(nèi)網(wǎng)的完備信息，進(jìn)行獨(dú)立子網(wǎng)的局部仿真計(jì)算，收斂后更新和交換外部等值信息，繼續(xù)進(jìn)行子網(wǎng)的獨(dú)立仿真。
根據(jù)國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況將互聯(lián)的電力網(wǎng)絡(luò)按照行政區(qū)域和電氣本身特性劃分為若干個(gè)子網(wǎng)系統(tǒng)，在子網(wǎng)系統(tǒng)中的調(diào)度中心如何通過(guò)交換少量的信息，使子網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立計(jì)算達(dá)到和全網(wǎng)集中式一體化計(jì)算同樣的效果。文中在電力系統(tǒng)分布式計(jì)算數(shù)據(jù)需求方面，對(duì)交換計(jì)算的數(shù)據(jù)采用了外部系統(tǒng)Ward等值[6]處理方法。該方法是將電力網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，抽象轉(zhuǎn)換成等值數(shù)據(jù)，使在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳輸交換的數(shù)據(jù)相對(duì)較小，以提高數(shù)據(jù)處理與計(jì)算的效率。
根據(jù)主從分區(qū)原理，將互聯(lián)電力系統(tǒng)中的各個(gè)子區(qū)域劃分成主區(qū)域和從區(qū)域，并根據(jù)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不同區(qū)域的歸屬，確定聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)類型。采用Ward等值原理，對(duì)相鄰區(qū)域進(jìn)行Ward等值，確定邊界節(jié)點(diǎn)的等值注入功率和等值阻抗以獲得計(jì)算的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，使得進(jìn)行傳送和計(jì)算的數(shù)據(jù)量很小。
1.1 Ward等值原理
電網(wǎng)的子網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)按圖1(a)所示分為3類：內(nèi)部系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)集合、邊界系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)集合、外部系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)集合，分別對(duì)應(yīng)子集{I}、子集{B}和子集{E}。
1.1.1 兩區(qū)電網(wǎng)等值模型
1.1.2 多區(qū)電網(wǎng)等值模型
將互聯(lián)系統(tǒng)中的電網(wǎng)按行政區(qū)域劃分成主區(qū)域和從區(qū)域多個(gè)分區(qū)，并根據(jù)聯(lián)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的不同區(qū)域歸屬，確定其節(jié)點(diǎn)類型，主從分區(qū)的劃分遵循以下原則：
(1)主分區(qū)：其內(nèi)部存在平衡節(jié)點(diǎn)，因此本文將所有邊界節(jié)點(diǎn)定義為PQ節(jié)點(diǎn)。
(2)從分區(qū)：由于缺乏平衡節(jié)點(diǎn)，并且為了整個(gè)系統(tǒng)的相位參考一致性，因此本文將與主分區(qū)相聯(lián)的任意從分區(qū)邊界節(jié)點(diǎn)定義為平衡節(jié)點(diǎn)，其他邊界節(jié)點(diǎn)（包含與主分區(qū)或者從分區(qū)相聯(lián)的邊界節(jié)點(diǎn)）定義為PV節(jié)點(diǎn)。
(3)當(dāng)某個(gè)從分區(qū)不與主分區(qū)相聯(lián)時(shí)，選擇與其上級(jí)從分區(qū)相聯(lián)的任意邊界節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)，其他邊界節(jié)點(diǎn)為PV節(jié)點(diǎn)。
通過(guò)上述節(jié)點(diǎn)類型的劃分，可以實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)電壓相位參考的統(tǒng)一性。其中，同時(shí)作為主分區(qū)PQ節(jié)點(diǎn)和從分區(qū)平衡節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵邊界節(jié)點(diǎn)，起到相位傳遞作用。
最后,采用Ward等值原理，對(duì)相鄰區(qū)域進(jìn)行Ward等值，確定邊界節(jié)點(diǎn)的等值注入功率和等值阻抗為分布式電網(wǎng)計(jì)算提供計(jì)算數(shù)據(jù)。
如果從區(qū)域S2和S3之間沒(méi)有邊界節(jié)點(diǎn)B3，則S1的外網(wǎng)等值模型如圖2(d)所示，電網(wǎng)不做合并操作。
1.2 分布式計(jì)算環(huán)境與結(jié)構(gòu)
在電力系統(tǒng)中,對(duì)基于計(jì)算總線的協(xié)調(diào)分布式計(jì)算模式應(yīng)滿足自身的計(jì)算環(huán)境要求：首先要滿足網(wǎng)絡(luò)通訊要求，由于電力計(jì)算的精度很高而且一般要求實(shí)時(shí)計(jì)算，所以在網(wǎng)絡(luò)中傳送的計(jì)算數(shù)據(jù)量要較??；每個(gè)抽象出的計(jì)算中心(區(qū)調(diào)度)有獨(dú)立的計(jì)算系統(tǒng)，且有較高的容錯(cuò)性,不會(huì)因?yàn)?次分布式計(jì)算失敗而影響系統(tǒng)運(yùn)行；各區(qū)調(diào)度中心EMS有良好的計(jì)算能力，保證在電網(wǎng)穩(wěn)定情況下，計(jì)算結(jié)果與全局等值；具有很好的可擴(kuò)展性。
根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)等值，將電力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)電力調(diào)度中心的EMS數(shù)據(jù)庫(kù)中。不同調(diào)度中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不同，本文只重點(diǎn)介紹計(jì)算數(shù)據(jù)的應(yīng)用。仍以3個(gè)區(qū)為例，圖3(b)是以計(jì)算總線進(jìn)行協(xié)調(diào)計(jì)算的計(jì)算模型，其中的S1、S2、S3是抽象后電力調(diào)度中心的EMS計(jì)算系統(tǒng)的行為節(jié)點(diǎn)，圖3(c)所示是以S1為內(nèi)部系統(tǒng)，相鄰的2個(gè)連接分區(qū)為其相應(yīng)的外部電網(wǎng)Ward等值模型，圖3(d)所示為將電網(wǎng)抽象成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)后在計(jì)算總線中的結(jié)構(gòu)示意圖，其中l(wèi)12、l13、l23是連接各調(diào)度中心EMS服務(wù)器的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線。
2 面向SOA的分布式計(jì)算總線
2.1 面向服務(wù)架構(gòu)的相關(guān)技術(shù)
2.1.1 SOA的組件
在面向服務(wù)的架構(gòu)中，系統(tǒng)是高度分布、異構(gòu)的。它一般包括運(yùn)行時(shí)環(huán)境、服務(wù)總線和服務(wù)注冊(cè)庫(kù)等，最核心的是Web服務(wù)，是用標(biāo)準(zhǔn)的、規(guī)范的XML概念描述，這一描述包含了服務(wù)交換的全部細(xì)節(jié)，包含消息的格式(詳細(xì)描述操作)、操作協(xié)議和位置。該接口隱藏了實(shí)現(xiàn)服務(wù)的細(xì)節(jié)，允許獨(dú)立于所采用的硬件或軟件平臺(tái)及編寫(xiě)服務(wù)所用的編程語(yǔ)言使用服務(wù)。這使得Web服務(wù)應(yīng)用程序成為松散耦合、面向服務(wù)、分布式和跨平臺(tái)[7]。它為實(shí)現(xiàn)SOA平臺(tái)提供了可靠的技術(shù),使SOA成為了IT的主流。Web服務(wù)初期定義的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展成為SOA早期模型，即圍繞3個(gè)基本組件的架構(gòu)模型：服務(wù)請(qǐng)求者、服務(wù)提供者及服務(wù)注冊(cè)中心。
2.1.2 服務(wù)相關(guān)技術(shù)
(1)XML是可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言，為Web服務(wù)基礎(chǔ)。XML是解決電力數(shù)據(jù)交換處理的一種有效方法，它提供制定具有語(yǔ)義的信息標(biāo)簽并且支持不能結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，基于XML標(biāo)準(zhǔn)的文檔可以不受任何環(huán)境限制而方便地操作、存儲(chǔ)、傳送和交換各種類型數(shù)據(jù)。XML文檔除了適用于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交換外，還適用于傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)間的信息交換,以及地理空間數(shù)據(jù)的描述[8-9]。
(2)SOAP是一種簡(jiǎn)單的、輕量級(jí)的、基于XML的機(jī)制，用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序之間進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)交換。
(3)WSDL為Web服務(wù)描述語(yǔ)言，用于描述Web服務(wù)的調(diào)用。
(4)UDDI為統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成協(xié)議,是Web服務(wù)架構(gòu)下服務(wù)描述、發(fā)現(xiàn)和集成機(jī)制。
2.2 分布式計(jì)算總線(EDCB)的體系結(jié)構(gòu)
計(jì)算總線在電網(wǎng)分布式計(jì)算中處于核心地位，負(fù)責(zé)利用電網(wǎng)等值數(shù)據(jù)進(jìn)行全網(wǎng)計(jì)算的協(xié)調(diào)，對(duì)各個(gè)行為節(jié)點(diǎn)EMS系統(tǒng)計(jì)算數(shù)據(jù)的收集、數(shù)據(jù)綜合分析、轉(zhuǎn)換以及任務(wù)的分配；服務(wù)的注冊(cè)、發(fā)布和選擇；分布式節(jié)點(diǎn)的查找發(fā)現(xiàn)，拓?fù)鋱D和計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)表的生成。文中把各區(qū)EMS的計(jì)算系統(tǒng)抽象為分布式計(jì)算的行為節(jié)點(diǎn)[10]，在進(jìn)行全網(wǎng)計(jì)算前，要獲取各個(gè)行為節(jié)點(diǎn)信息，行為節(jié)點(diǎn)獲取了與自己相鄰節(jié)點(diǎn)的信息才能電網(wǎng)等值,進(jìn)行分布式計(jì)算。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用面向SOA的架構(gòu)，行為節(jié)點(diǎn)信息的獲取和操作利用Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)。
該分布式計(jì)算總線的工作原理是：首先各個(gè)行為節(jié)點(diǎn)把自己的服務(wù)注冊(cè)到計(jì)算總線中的服務(wù)注冊(cè)中心，以分布式系統(tǒng)的一個(gè)行為節(jié)點(diǎn)(一般以最高調(diào)度中心節(jié)點(diǎn)開(kāi)始)查找并調(diào)用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?jì)算服務(wù)，將自身的計(jì)算XML文件數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算總線，并在收到數(shù)據(jù)后對(duì)XML文件進(jìn)行分析。解析文件發(fā)現(xiàn)有與自己相鄰的行為節(jié)點(diǎn)名稱，則查找計(jì)算總線的服務(wù)注冊(cè)中心，選擇該點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)注冊(cè)的服務(wù)并調(diào)用，返回這些節(jié)點(diǎn)的本地XML文件，進(jìn)行分析，同時(shí)記錄這些節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，生成節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系。等隊(duì)列為空時(shí)，監(jiān)聽(tīng)程序?qū)Ρ鹊玫降墓?jié)點(diǎn)和已分析節(jié)點(diǎn)是否一致，若得到節(jié)點(diǎn)文件少于分析出的行為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，則將未分析的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)；若一致,則根據(jù)得到的節(jié)點(diǎn)關(guān)系和相應(yīng)的信息生成計(jì)算總線的轉(zhuǎn)發(fā)表。以后根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表路由進(jìn)行分布式計(jì)算。分布式計(jì)算總線的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.3 行為節(jié)點(diǎn)分析與實(shí)現(xiàn)
在整個(gè)分布式系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算前，必須知道分布行為節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，文中以行政最高的調(diào)度中心開(kāi)始，獲取拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出轉(zhuǎn)發(fā)表并在計(jì)算總線中實(shí)現(xiàn)路由機(jī)制。從節(jié)點(diǎn)文件分析該節(jié)點(diǎn)相連的行為節(jié)點(diǎn),逐步生成圖結(jié)構(gòu)。這是與已知圖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖搜索過(guò)程相反的操作。文中為了得到拓?fù)潢P(guān)系采用廣度優(yōu)先搜索算(BFS)法做了進(jìn)一步擴(kuò)充修改，在入隊(duì)前過(guò)濾已經(jīng)入隊(duì)的節(jié)點(diǎn)來(lái)達(dá)到本文的需求。
在算法中使用下列標(biāo)注數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：al、bl、cl均為ArrayList類型，q為隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。al存放某一節(jié)點(diǎn)名與該節(jié)點(diǎn)相鄰的行為節(jié)點(diǎn)名，此節(jié)點(diǎn)分析后al清空；bl用于過(guò)濾重復(fù)節(jié)點(diǎn)；cl是中間緩存數(shù)組，保存沒(méi)有重復(fù)的新節(jié)點(diǎn)，由過(guò)濾函數(shù)返回,再寫(xiě)進(jìn)bl中；q為隊(duì)列，由行為節(jié)點(diǎn)名調(diào)用該節(jié)點(diǎn)服務(wù)分析節(jié)點(diǎn)文件，完成分析后出隊(duì)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)全部出隊(duì)后，哈希表的長(zhǎng)度就是計(jì)算節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，節(jié)點(diǎn)名為鍵，值為相鄰節(jié)點(diǎn)的信息，根據(jù)哈希表得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)發(fā)表。文件分析過(guò)程算法偽代碼描述：
BEGIN
實(shí)例化開(kāi)始拓?fù)溆?jì)算服務(wù);;
調(diào)用服務(wù)方法返回計(jì)算XML文件的字節(jié)數(shù)組;反序列化
將字節(jié)數(shù)據(jù)寫(xiě)為要分析的文件同時(shí)存到制定目錄下;
解析XML文件，獲取首計(jì)算節(jié)點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn),并將相鄰節(jié)
點(diǎn)信息存入al中;
For(i = 0;i<al.size();i++){
添加到bl中;
If(取得節(jié)點(diǎn)不等于首計(jì)算節(jié)點(diǎn)){
入隊(duì);
保存節(jié)點(diǎn)信息到AsideInfo;
}
}
將首節(jié)點(diǎn)以及相鄰節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)到Hashtable中
put(首計(jì)算節(jié)點(diǎn), AsideInfo);
清空al;
清空AsideInfo;
While(q隊(duì)列不為空){
檢索隊(duì)首節(jié)點(diǎn);
根據(jù)節(jié)點(diǎn)名稱查詢服務(wù)注冊(cè)中心;
調(diào)用該點(diǎn)服務(wù);
生成分析XML文件并保存;
調(diào)用XML文件分析函數(shù)xmlAnalyze()返回al;
For(i = 0;i < al.size();i++){
If(取得節(jié)點(diǎn)不等于檢索節(jié)點(diǎn)){
保存節(jié)點(diǎn)信息到AsideInfo;
al中節(jié)點(diǎn)不在bl中,入隊(duì);
al中元素與bl和出隊(duì)節(jié)點(diǎn)比較，沒(méi)有bl則
做標(biāo)記,入隊(duì)，同時(shí)保存到cl;
把cl中的節(jié)點(diǎn)存放到bl中;
cl清空;
}//end if
}/end for
節(jié)點(diǎn)以及相鄰節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)到Hashtable中put(檢
索節(jié)點(diǎn), AsideInfo);
從隊(duì)列中移除節(jié)點(diǎn);
清空al;
清空AsideInfo;
}// end while
返回哈希表;
END
2.4 實(shí)例分析
文中以重慶市市調(diào)、楊家坪和南岸三區(qū)的數(shù)據(jù)為試驗(yàn)基礎(chǔ)，抽象出的行為節(jié)點(diǎn)分別為S1、S2、S3。電力系統(tǒng)中按區(qū)域劃分子網(wǎng)系統(tǒng)后，電網(wǎng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)一般很少，沒(méi)有性能上的瓶頸。假設(shè)S1開(kāi)始取數(shù)據(jù)到分析完成的3次平均時(shí)間為T(mén)S1(文件很小，10 K以下)，S2和S3 3次平均時(shí)間分別是TS2、TS3，轉(zhuǎn)發(fā)表生成的總時(shí)間是Tforward，S1和S2之間傳送1次數(shù)據(jù)(本身數(shù)據(jù)和等值數(shù)據(jù)很小(K級(jí))，文中測(cè)試數(shù)據(jù)為0.8 M)的時(shí)間是Ttransmit,測(cè)試結(jié)果如表1所示。
根據(jù)表1可知，行為節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浜蜕赊D(zhuǎn)發(fā)表的時(shí)間開(kāi)銷在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間性能要求范圍內(nèi)，而且時(shí)間開(kāi)銷也是合理的。在電力分布式系統(tǒng)要求3 min進(jìn)行1次在線分布式計(jì)算，最大迭代為20次，大于20次放棄，小于20次收斂則進(jìn)行下一次計(jì)算,從時(shí)間上分析可滿足3 min進(jìn)行1次的要求。
本文以重慶市電網(wǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)需求，市局總調(diào)度中心和區(qū)調(diào)2層多區(qū)的結(jié)構(gòu)，然后采用Ward等值把電網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù)，討論了電力系統(tǒng)分布式計(jì)算的計(jì)算環(huán)境和計(jì)算結(jié)構(gòu)；根據(jù)電網(wǎng)計(jì)算的特性實(shí)現(xiàn)了面向SOA的分布式電力計(jì)算總線協(xié)調(diào)電網(wǎng)計(jì)算，該計(jì)算是有效的應(yīng)用方式。本文采用了2層處理方式，在后續(xù)的工作中將會(huì)對(duì)多層分區(qū)、多層協(xié)調(diào)路由做進(jìn)一步的研究。
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