随身听第25期：【国家电网】电力图计算平台 + 秒级EMS实时网络状态分析
近两个月，高温热浪席卷全国，多地气温突破历史极值，而且高温持续时间长。作为水电第一大省的四川，更是遭遇了60年以来的罕见高温。持续高温下，电力的重要性变得前所未有的突出。用电结构上的刚性外送和调节能力欠缺也加剧了省内的供需紧张。
如何解决限电问题？简单点讲，就是电越多越好。但实际上，问题并没有那么简单，要考虑“供电侧、电网侧、用户侧”的综合应对。
随着未来电力使用场景在电力自动化、数字经济等领域的不断加深扩大，尖峰化的用电负荷将随着我国电气化进程和居民用电比例的提高成为未来的常态。如何在面临尖峰负荷时实现低碳保供，将成为检验新型电力系统的试金石。
今天的随身听，我们将根据来自国家电网全球能源互联网美国研究院刘广一老师分享的内容和大家一起探讨下国家电网如何利用图技术来打造电力图计算平台，并实现了秒级EMS实时网络状态分析。

一、图数据库与电力图计算平台

图数据库 vs 电力系统

首先我们来看看图数据库和电力系统之间的关联关系，为了方便大家了解，我们在正文中放了对比图，供大家参考。 如果把电力系统中的母线、变压器、负荷、开关、各种保护设备、杆塔等作为节点，把线路和这些物理设备之间的连接关系作为边，那么电力系统本身就是一张天然的图。
图数据库 vs 电力系统
图数据库电力系统
基本元素是节点和边基本元素是系统节点和线路
边上有方向潮流有方向
支持静态属性和动态属性具有静态参数和动态参数
边作为节点间关系的描述潮流和邻边节点相关
图可以分层分块多电压等级
可以形成树（辐射图）配电网络开环运行特性
可以形成环（环状图）输电网络闭环运行特性

基于图数据库查询的计算模式

在使用基于关系数据库的传统方式时，电力系统分析应用由三部分构成——数据读入、核心计算、和结果输出。在分析过程中，我们发现，数据读入和结果输出的时间消耗占比非常大。
如果我们基于图数据库查询，来建立电力系统的分析应用，这时算法尽可能地贴近数据，基本消除了数据读入与结果输出时间，这就使得电力系统分析应用的计算性能获得大幅度提升。

充分利用图节点并行机制

节点并行计算是图计算的特点，而且是并行计算的终极形式。但是长期以来，在电力系统中并没有得到有效利用。经过分析发现，利用图节点并行机制，我们可以大幅度提升电力系统网络分析软件的计算性能，计算速度可以提升5倍以上。
比如可以在以下这些场景中充分利用图节点并行机制：
  • 厂站内拓扑分析；
  • 支路潮流计算；
  • 母线注入功率计算；
  • 母线电压幅值、相角修正；
  • 状态估计增益矩阵生成；
  • 状态估计右端项计算；
  • 节点、边中介中心数计算；
    分岛故障辨识；
  • 等等。

充分利用图分层并行计算

对于电力系统分析来讲，单单有图节点并行机制，还不够。我们必须要研发能够解决大型线性方程组直接法的LU分解法。在这方面，我们系统总结了图结构分析、图动态变换、图属性计算等三种图计算类型，研究了线性方程组LU法与这三种图计算模型之间的关系，提出了图分层并行计算的实现机制，研发了相应的图分层计算函数，这样就开拓了图计算的应用领域，拓展了图计算在电网分析技术中的应用场景。

“电网一张图”血管造影可视化技术

我们还将输电网的“主血管”与配用电网的“毛细血管”在一张图上统一展示，直观展示重要用户、分布式电源在电网中的位置，从而形成了“电网一张图”血管造影可视化技术。

语音智能调度图技术

基于自定义词典、中文分词、语义分析和TigerGraph提供的无编程查询自动生成器，研发了智能式语音调度技术。

基于TigerGraph 图数据库，研发了电力图计算平台

基于TigerGraph 图数据库，我们研发的电力图计算平台。首先从架构上看，这个电力图计算平台包括三部分，一个是TigerGraph 图数据库，第二个是基于Kafka开源软件的任务调度机制，第三个是基于Angular框架的可视化界面。
从功能上讲，这里包括四个部分：
  • 第一部分，就是电力系统的图模型，这里包括节点-开关图和母线-支路图；
  • 第二部分，就是这里集成了大量的通用的图计算函数；
  • 第三，在此基础上，我们开发了一系列的电力专用计算模块，比如雅可比图生成、支路潮流计算、节点注入计算、增益图生成、幅值修正、相角修正等；
  • 最后，基于前面这些模块，我们开发了互动可视化的展示模块。
这样就构成了一个电力图计算平台。实际上，这个平台是一个通用的图计算平台，不仅仅可以用于电力系统的这些应用，也可以用于其它的能够使用图数据库来描述的分析计算应用，比如天然气网络、通讯网络、交通网络、水网、气网等。
基于TigerGraph 图数据库，研发了电力图计算平台

二、秒级EMS实时网络状态分析

下面我们重点介绍下基于TigerGraph 图数据库研发的秒级EMS实时网络分析系统。

首先，我们探讨下为什么要研发秒级EMS实时网络状态分析系统？

随着大规模可再生能源以分布式、集中式的发电方式接入电网，我们电网的电源网络负荷结构、形态功能、运行特性都发生了巨大变化，使得电力系统安全运行风险增大、调节能力不足、电力供应保障难、认知控制故障防御难，因此必须重构电网认知、控制与故障防御体系。
构建智慧型调度控制技术支撑系统，作为故障防御体系的重要组成部分，实现大电网在线决策与电网紧急闭环控制的联动，对电网故障的实时跟踪分析从分钟级提升为秒级，提高调度风险辨识、控制决策和应急响应水平。
那么在秒级EMS系统分析过程中， 对分析计算的功能提出了全、快、准的三个特征。
  • 全局性，包括模型全、数据全、功能全，这样就意味着我们的计算规模更大；
  • 快速性，体现在这样三个方面：获取快、计算快、响应快，这样的话，就要求我们的计算速度更快；
  • 准确性，有三个侧面：信息准、决策准、控制准，这样就对计算精度提出了更高的要求。
以上这三个方面，都意味着对计算性能的大幅度提升。电力系统分析的计算量通常以电网节点数的平方成正比，那么现代大电网分析的计算量就将成百上千倍地增长。所以我们必须千方百计地寻找各种方式，来提升电力系统实时网络分析的计算性能。

于是我们就提出了秒级EMS实时网络状态分析的目标。

什么样的目标呢？就是对于一个万级节点系统，我们要求这三个技术，包括状态估计、基态潮流和100个预想故障分析，能够在5秒内计算完成。这个5秒的含义呢，就是要小于SCADA采样周期的5-10秒。
为了实现这样一个目标，我们要求状态估计要在800毫秒内完成，基态潮流要在150毫秒内完成，预想故障分析，要在3秒内完成。到目前为止，我们基于图计算的研究成果已经实现了这些目标。某省级电网8502母线系统，总计算时间小于1.8秒，10790母线系统，总计算时间小于2.8秒，主配网11525母线系统，总计算时间小于3.5秒。

利用图计算解决现有系统的计算瓶颈

那么这个解决问题的思路是什么呢？首先我们看看，在现在的EMS系统中，计算的瓶颈在哪？经过实际统计分析，我们发现，在状态估计中数据读入和结果输出所占时间高达64.3%，在线潮流数据读入和结果输出所占时间更是高达85.6%。可以看到数据读入和结果输出占用的时间都是非常长的，真正用于核心计算的时间相对就少了。对于核心计算部分，我们还可以继续分解，一部分是与矩阵分解和前推回代有关的部分，另外一部分就是与这些无关的部分。
那为了解决这些问题，我们就采用这样三种技术路线：
  • 利用图数据库与图计算模式，来消除数据读入和结果输出的时间；
  • 对于与矩阵分解无关的计算，我们使用图节点并行计算的模式；
  • 对于与矩阵分解有关的部分，我们使用图分层并行计算的模式。
借助这几项图技术，就可以使性能大幅度提升。

秒级EMS实时网络状态分析的四大创新

  • 第一个就是利用图数据库取代关系数据库来提高数据管理效率；
  • 第二个就是利用基于图数据库查询的应用实现方式，对EMS实时网络状态分析软件进行重构，这样就基本消除了数据读入与结果输出的时间；
  • 第三个就是我们要充分利用图节点并行和图分层并行机制，这样就实现了并行计算性能极大化；
  • 第四个就是基于时空演化图机制，研发大电网实时运行状态分析软件。

秒级EMS实时网络状态分析的计算性能

那么利用这样的技术，对某省电网实际数据，我们实现了从500KV到10KV母线（包括T接线）的主配网联合拓扑分析、状态估计、在线潮流计算与预想故障分析，总计算时间小于4秒，实现了在SCADA采样周期内完成电网安全分析的目标。
对于某省电网220KV以上主网系统，与当前生产系统中的计算时间相比，状态估计、在线潮流和预想故障分析计算总时间提升20多倍，数据读入时间几乎减少到0，核心计算时间提升10倍左右，结果输出时间提升近50倍。
以上就是本期的随身听，下周三，我们将继续带您一起探讨图技术在国家电网的更多应用，包括“电网一张图“时空数据管理系统、电力设备管理知识图谱、电力现货市场模拟仿真系统等。
对于本期内容，如果您希望了解更多详细信息，欢迎拨打我们的400电话400-997-9909，即可快速联系到我们的业务同事，您也可以点击下方的”联系我们“，打开TigerGraph 官网，在线提交需求，或者下载免费企业版。

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