基于图计算的电力潮流计算方法、系统、设备及介质与流程

本发明属于电力自动化领域，涉及一种基于图计算的电力潮流计算方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、随着人工智能与大数据技术的发展，数据已成为当前时代的主要生产要素，与之对应的数据来源与数据种类也越来越多，人们所面临的分析计算任务越来越复杂，这使得多源异构数据的融合成为一种新的趋势。面对基于大规模多源异构数据融合的分析挖掘场景，传统的关系型数据模型越来越难以满足这种复杂任务需求。图数据库作为一种新型的非关系型数据库，非常适用于处理实体间的关联关系，尤其是现实世界中具备图模式的数据。现有的图模式应用场景，如推荐系统、道路交通及生物医学等在利用图数据库时，主要使用常规的图计算算法，如最短路径算法及社区检测算法等。而很多图应用场景除了需要这些常规图计算算法外还会涉及大量的矩阵计算。

2、目前很少有直接在图上或在图数据库中完成矩阵计算的相关研究。图数据结构本质上也是矩阵的一种表达形式，目前主流的图数据库产品大都侧重于对图数据的存储及查询分析，缺少原生对矩阵计算的支持。例如，在图计算方面，为快速求解潮流计算问题，刘克文等人给出一种基于整体同步并行计算模型的全节点并行迭代算法。在利用佩奇排序实现并行机制的基础上，用图数据模型实现了电力网络全节点的并行的潮流迭代计算。

3、但是，现有的图计算方法求解潮流计算的缺点主要是存算分离，主要是利用图计算引擎中的图计算算子进行计算，在遇到大型稀疏的电力图时，由于少有原生图数据库支持矩阵运算相关的接口或功能函数，这种方法需要频繁从图数据库中将数据导入图计算引擎中，直接导致了矩阵运算效率不高，影响潮流计算效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于图计算的电力潮流计算方法、系统、设备及介质。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面，提供一种基于图计算的电力潮流计算方法，包括：

4、s1：根据电力系统的拓扑结构图，得到电力系统的节点导纳矩阵以及雅克比矩阵的左上角方块矩阵和右下角方块矩阵；

5、s2：构建雅克比矩阵的左上角方块矩阵和右下角方块矩阵的消去树，基于所述消去树进行节点层数划分，并为电力系统的各节点赋值层数属性；

6、s3：基于各节点的层数属性，按照从0到最大层数的顺序遍历各节点，并通过基于图结构的矩阵分解方法，将雅克比矩阵进行矩阵分解，得到上三角矩阵和下三角矩阵；

7、s4：获取当前迭代次数，当当前迭代次数小于预设最大迭代次数时，进行s5～s7；否则，结束迭代；

8、s5：根据节点导纳矩阵，通过基于图结构的功率变化量计算方法，计算各节点的功率变化量；

9、s6：获取各节点的功率变化量中的最大功率变化量，当最大功率变化量大于预设的收敛界限时，结束迭代；

10、s7：按照从0到最大层数的顺序遍历各节点，根据下三角矩阵，通过基于图结构的前代计算方法得到前代计算向量，并根据功率变化量、前代计算向量和上三角矩阵，通过基于图结构的回代计算方法，更新各节点的电压幅值和电压相角。

11、可选的，所述基于图结构的矩阵分解方法包括：

12、步骤11：从电力系统的拓扑结构图的节点集v中，按节点编号从小到大依次遍历，将每次选择的节点作为节点p，并进行步骤12至19；

13、步骤12：从电力系统的拓扑结构图的节点集v中选择所有节点i；其中，由节点p指向节点i且节点i的节点编号大于节点p；

14、步骤13：将边p→i的边权除以节点p的自边边权；

15、步骤14：将节点i的自边边权减去边p→i与边i→p边权的乘积；

16、步骤15：从电力系统的拓扑结构图的边集w中选择所有节点对t，j；其中，节点t经过节点p指向节点j；

17、步骤16：将边t→j的边权减去边t→p与边p→j边权的乘积；

18、步骤17：从电力系统的拓扑结构图的边集w中选择所有节点对(r，y)；其中，节点p既指向点r又指向y；

19、步骤18：将边r→y的边权减去边r→p与边p→y边权的乘积；

20、步骤19：将边y→r的边权减去边y→p与边p→r边权的乘积。

21、可选的，所述通过基于图结构的功率变化量计算方法，计算各节点的功率变化量包括：

22、在电力系统的拓扑结构图中查找所有s-(e)-t的路径，其中，s和t表示节点类型，(e)表示边类型；并以s作为i，t作为j，通过下式计算各节点的功率变化量，功率变化量包括有功功率不平衡量及无功功率不平衡量：

23、

24、其中，δpi为节点i的有功功率不平衡量，δqi为节点i的无功功率不平衡量，pi为节点i的注入有功功率，qi为节点i的注入无功功率，vi为节点i的电压相角，gij为节点导纳矩阵中节点i与节点j的导纳的实部，bij为节点导纳矩阵中节点i与节点j的导纳的虚部，δij为节点i与节点j的相角差。

25、可选的，所述通过基于图结构的前代计算方法得到前代计算向量包括：

26、步骤21：将各节点的功率变化量赋值给电力系统的拓扑结构图中每个节点的自边，作为各节点自边的z值；

27、步骤22：从电力系统的拓扑结构图的节点集v中，按节点编号从小到大依次遍历，每次选择出一个节点p，执行步骤23至25；

28、步骤23：从电力系统的拓扑结构图的节点集v中选择所有节点i；其中，由节点p指向节点i且节点i的节点编号小于节点p；

29、步骤24：将节点p自边的z值减去边p→i的边权与节点i的自边的z值的乘积；

30、步骤25：将节点p自边的z值除以节点p的自边边权；

31、步骤26：将各节点自边的z值逐行排列，得到前代计算向量。

32、可选的，所述基于图结构的回代计算方法，更新各节点的电压幅值和电压相角包括：

33、步骤31：将前代计算向量中的各元素值分别作为各节点自边的x属性值；

34、步骤32：从电力系统的拓扑结构图的节点集v中，按节点编号从小到大依次遍历，每次选择出一个节点p，执行以下步骤33至34；

35、步骤33：从电力系统的拓扑结构图的节点集v中选择所有节点i；其中，由节点p指向节点i且节点i的节点编号大于节点p；

36、步骤34：将节点p自边的x属性值减去边p→i的边权与节点i自边的x属性值的乘积；

37、步骤35：根据将各节点自边的x属性值，得到各节点的电压幅值变化量和电压相角变化量；以及根据各节点的电压幅值变化量和电压相角变化量，更新各节点的电压幅值和电压相角。

38、可选的，还包括：

39、s9：基于电力潮流计算结果，将具有相同发电机供电的母线划分为一个区域，将不同区域之间功率方向一致的输电回路合并成链，得到电力系统状态图；

40、s10：计算电力系统状态图的邻接矩阵，并根据邻接矩阵得到路径矩阵；

41、s11：将过载支路所在链作为目标链，根据路径矩阵计算目标链的起始伴随矩阵和终止伴随矩阵，并根据目标链的起始伴随矩阵和终止伴随矩阵得到目标链的并行送电断面和并行受电断面；以及将目标链的并行送电断面和并行受电断面取并集，得到过载支路的并行断面。

42、可选的，所述根据路径矩阵计算目标链的起始伴随矩阵和终止伴随矩阵，并根据目标链的起始伴随矩阵和终止伴随矩阵得到目标链的并行送电断面和并行受电断面包括：

43、通过下式计算目标链的起始伴随矩阵t和终止伴随矩阵r：

44、

45、

46、其中，k为目标链的起始区域序号，qk＝qmk，q为中间矩阵，通过将路径矩阵加上一个单位矩阵得到，mk为单位矩阵的第k列向量，表示将qk中的所有元素先取反再转置，表示2个矩阵相应元素做逻辑于运算，a为电力系统状态图的邻接矩阵；g为目标链的终止区域序号，qg＝qmg，mg为单位矩阵的第g列向量，表示将qg中的所有元素先取反再转置；

47、将起始伴随矩阵t中非零元素对应的链组合作为目标链的并行送电断面；

48、将终止伴随矩阵r中非零元素对应的链组合作为目标链的并行受电断面。

49、本发明第二方面，提供一种基于图计算的电力潮流计算系统，包括：

50、数据查询模块，用于根据电力系统的拓扑结构图，得到电力系统的节点导纳矩阵以及雅克比矩阵的左上角方块矩阵和右下角方块矩阵；

51、构建模块，用于构建雅克比矩阵的左上角方块矩阵和右下角方块矩阵的消去树，基于所述消去树进行节点层数划分，并为电力系统的各节点赋值层数属性；

52、矩阵分解模块，用于基于各节点的层数属性，按照从0到最大层数的顺序遍历各节点，并通过基于图结构的矩阵分解方法，将雅克比矩阵进行矩阵分解，得到上三角矩阵和下三角矩阵；

53、迭代模块，用于获取当前迭代次数，当当前迭代次数小于预设最大迭代次数时，触发功率计算模块、判别模块及潮流计算模块；否则，结束迭代；

54、功率计算模块，用于根据节点导纳矩阵，通过基于图结构的功率变化量计算方法，计算各节点的功率变化量；

55、判别模块，用于获取各节点的功率变化量中的最大功率变化量，当最大功率变化量大于预设的收敛界限时，结束迭代；

56、电压计算模块，用于按照从0到最大层数的顺序遍历各节点，根据下三角矩阵，通过基于图结构的前代计算方法得到前代计算向量，并根据功率变化量、前代计算向量和上三角矩阵，通过基于图结构的回代计算方法，更新各节点的电压幅值和电压相角。

57、本发明第三方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于图计算的电力潮流计算方法的步骤。

58、本发明第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于图计算的电力潮流计算方法的步骤。

59、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

60、本发明基于图计算的电力潮流计算方法，通过基于图结构的矩阵分解方法、基于图结构的功率变化量计算方法、基于图结构的前代计算方法以及基于图结构的回代计算方法，以图描述的方式来表达矩阵计算过程，可以将更多的电力计算任务放在图数据库中完成，以此减少反复的数据导入导出操作，且能充分利用图数据库的分布式并行计算能力，以提升电力多源异构数据计算的效率，通过将矩阵计算变换为在图数据库中的操作，实现了软件层面存算一体的电力图计算方法，在遇到大型稀疏的电力图时，不需要频繁从图数据库中将数据导入图计算引擎中，提高了矩阵运算效率，提升电力图计算效率。并且，在每次计算过程中只用关注与计算相关的节点及其邻居节点，相比常规的矩阵计算方法，去除了矩阵中零元素的影响，避免了无用的循环遍历，能够同时实现所有节点的同步并行，在电力系统中的计算分析往往会进行很多的矩阵运算，利用图计算固有的节点并行计算能力，可以避免稀疏矩阵带来的冗余计算，节省计算成本，提高计算效率。