前  言

电力系统是现代社会重要的能源基础设施。互联电网覆盖地域广，控制复杂，对可靠性要求高。鉴于这些特点，中外互联电网无一例外从它诞生的那一天起就一直采用分布式的控制方式，即整个互联电网根据地域划分成不同的区域，由分散的区域调度中心负责各分区的调度及监控任务，各个区域调度中心通过必要的协调，在一定程度上保证整个互联电网的安全与经济运行。与集中控制相比，这种分布式处理的方式有着更高的可靠性，更大的灵活性，更好的经济性以及更优的效率。

考虑到电力系统的复杂性以及电力系统运行对可靠性的严格要求，调度运行人员一直借助各种仿真计算工具对系统加以分析，并在此基础上对系统加以控制。可以毫不夸张地说，仿真计算为调度人员提供了了解系统运行现状、预见系统未来发展的能力。例如: 潮流计算可以帮助调度人员了解电力网络中的功率分布以及系统中各节点的电压高低等系统稳态运行情况；动态潮流计算可以帮助调度人员了解系统中发电或负荷功率发生变化时系统中功率流动的变化情况；时域暂态仿真则可以向调度人员展示系统在受到干扰情况下的动态变化过程；基于N-1校验的电力系统动态安全分析则可以帮助调度员预测系统在某些故障情况下系统的稳定情况。电力系统的仿真分析工具发展到今天，完全可以分析包括电力系统一个运行断面到微秒级、秒级、分钟级甚至小时级的过程。如果没有仿真工具的帮助，无论是电力系统的长期规划、日常调度还是紧急控制都是无法想象的。

为了实现对电力系统的仿真分析，必须具备几个关键要素。一是系统模型，包括描述系统中各种元件行为的数学模型以及描述这些模型之间关系的关联模型；二是数据，电力系统覆盖地域广，所以数据也是分散在各个调度中心的，这些数据描述的对象特性、表达方式、存储格式等都可能完全不同；三是数值计算方法，仿真分析的目标总是根据部分已知信息推算未知信息。不同的数值计算方法可能在计算准确性、计算效率等方面有所差异。要实现对系统的仿真，首先要关注上述三个要素是否具备。

除上述三个要素之外，考虑到仿真分析对调度人员的辅助决策功能，还必须关注仿真计算工具的性能。这其中正确性和快速性是两个重要指标。仿真计算的结果必须与系统的实际运行情况相吻合，即仿真结果必须具有正确性，这是对仿真计算的最基本的性能要求。仿真的快速性是指在希望的时间内获得仿真结果。调度人员总是希望仿真计算工具在尽可能短的时间内给出计算结果，以便为控制预留足够的反应时间。可以想象，如果动态安全分析工具无法在一个调度周期内完成对预想事故集中所有故障的扫描，这个工具是没有在线应用价值的。在讨论仿真计算所需时间时，人们常常关注的是计算机求解方程的耗时，而忽略了建立模型和准备仿真所需数据的时间和难度。实际上，从决定开始仿真到获得最终的仿真结果，这中间既包含了模型与数据的准备时间也包含计算时间。对于针对全网的仿真而言，前一个阶段的耗时可能比单纯的计算时间更长，因为电力系统的数据是分散的，异构的。

对于针对全网的仿真，为了保证在足够短的时间内完成计算，人们往往采用假设边界条件或外网简化等值的方法来缩短模型与数据的准备时间。显然，利用上述方法得到的计算结果其正确性受边界条件假设的准确性以及外网等值精度的影响较大。特别是在电网联系紧密，区域间功率交换大的情况下，通过简化等值得到的计算结果很难满足实际控制的需要。实际上，要得到较为准确的边界条件预估模型或外网等值模型受到很多条件的限制。首先，电力系统计算种类很多，如潮流计算、时域暂态仿真、小干扰特征值分析等，不同的计算需要的边界量不同，因此，对外网等值模型复杂度、等值精度、模型更新速率都会有不同要求。同时，由于电力系统本身的高维非线性特性，寻找满足以上计算要求的等值模型并非易事。其次，无论国内还是国外，现阶段不同的调度中心由于管理体制的原因并不能完全共享所有的电网数据。再次，各个区域调度中心在对自身资源的管理上相对独立，对资源的构成与组织形式具有决定权，因此，一般来讲，各个区域调度中心的资源是异构的，这为共享数据造成了技术上的障碍。其实，即使没有这种资源异构的障碍，各个调度中心完全拥有电网其他部分的参数也与电网分布式处理的初衷是背道而驰的。最后，由于电力市场化改革在世界各地的推广，出于经济利益与同行竞争的原因，各调度中心之间共享电网信息在管理层面上将面临更大的困难。

大型互联电网分布式计算理论与方法前  言从上面论述的情况可以看出，为了使针对全网的快速仿真顺利实现，首先必须解决好系统模型和数据的整合问题。一种可行的思路是模型和数据由各调度中心分散维护，当某个调度中心需要进行全网一体化仿真时它将通过一定机制向其他调度中心申请协助。如果请求被获准，各调度中心都将利用自己维护的最新数据以及假设的边界条件对本网展开计算，计算过程中不断交换边界信息并调整假设边界条件，直至各调度中心假设的边界条件满足边界约束，此时全网计算一致收敛。这种解决思路的关键是高效分布式协同计算模型与算法的设计以及基于广域通信网络的分布式计算平台构建。此种解决思路很好地维护了调度中心管理的独立性；数据和模型的维护工作完全分散，易于管理；当各个分区发生重大开断时可以及时在模型中反映。当然，该种思路也存在一些弱点，例如: 计算的快速性受限于通信网络的时延和带宽，计算可靠性易受通信网络可靠性的影响等。

另外一个直观的解决思路是: 由电网公司的某个部门负责收集全网的模型和数据并加以整合，形成具有一定详细程度的全网统一基础仿真案例并分发给各级调度部门；各级调度中心根据自身需求针对所辖范围的详细电网数据进行增补，在此基础上就自身关心的问题进行详细仿真。这种解决思路的关键是数据整合技术的研究以及多级分布式数据平台的构建。目前我国电网中各级调度中心从组织结构上看都属于国家电网公司或南方电网公司，这种上下垂直一体的机构设置使得该种解决思路的推行从组织管理上得到了保证。同时，由于各级调度中心都获得了全网的数据，仿真过程中对外网没有进行简化等值，仿真的正确性得到了提高。而且，各调度中心的仿真分析工作仅需利用本地计算资源，完全独立于其他调度中心，计算可靠性和计算资源利用率也可以有所提升。但是，该解决思路也存在一些弱点，例如: 由于全网的数据整合任务由一个部门承担，该部门的工作量大，存在可靠性瓶颈；由于数据传输与处理的时延，全网数据从生成到分发需要一定时间，因此，全网数据一般按一定周期生成。考虑到当某一区域有重大开断发生时，必须重新形成全网数据，如果在一个周期内发生开断，全网统一数据将难以及时形成。

进一步分析以上两种思路可以看出，采用前一种思路进行全网一体化仿真是在计算层面对仿真要素进行整合，采用后一种思路则是从数据层面对仿真要素进行整合，两种仿真模式都属于分布式计算的范畴。我们称第一种思路为基于多层计算协同的分布式计算，第二种思路为基于多级数据整合的分布式计算。两种思路在一定条件下都具有各自的优势和可行性。作为国家重点基础研究发展计划--“提高大型互联电网运行可靠性的基础研究”的第三课题“互联电网分布式计算理论与方法研究”将围绕以上两种思路展开。

基于多层计算协同的分布式计算主要研究内容为: 研究找到适合于互联电网的分布式计算体系与架构，设计出互联电网潮流计算和稳定分析的分布式计算模型和算法，掌握网络计算环境下的中间件技术，为大型互联电网运行可靠性研究奠定仿真分析基础。这方面的研究主要由清华大学电机工程与应用电子技术系承担，参加研究的人员还包括陈颖、张旭、王建、李競、苗少伟等。

基于多级数据整合的分布式计算主要研究内容为: 研究通过整合分布在多级调度中心的数据，建立统一的数据平台，利用各级调度中心的分布式并行计算平台，实现各级电网的安全稳定分析计算，从而实现统一大规模互联电网背景下的分布式并行计算。这方面的研究主要由中国电力科学研究院承担，参加人员还有郭剑、严亚勤、陈勇、李芳等。

本书是对以上两个研究方向上取得的成果的汇总，从内容上可分为三部分。第一部分为概述，简单介绍分布式并行计算的基本概念和电力系统中的两种应用形式: 基于广域通信网络的多调度中心间协同分布式计算和基于并行计算原理的调度中心内部多任务并行分布式计算，以及它们各自的体系结构和算法特点。第二部分包括第2章～第9章，主要讲述基于广域通信网络的多调度中心间协同分布式计算的计算模型、求解算法、各种实际分析工具(动态潮流、最优潮流、时域暂态仿真、小干扰稳定分析等)的分布化方法，基于故障扫描的动态安全分析分布式实验平台构建与性能测试，最后，提出了分布式计算系统的鲁棒性定义和分析方法。第三部分包括第10章～第12章，主要讲述基于多级数据整合的分布式计算的主要研究内容，包括多级数据整合技术的研究和平台开发及测试情况、大规模分布式并行计算平台的系统架构及测试情况、基于端口逆矩阵并行算法的电力系统分析相关分布式并行算法的开发及性能测试情况。目  录