[论文解读] Graph Based Power Flow Calculation for Energy Management System

Junjie Shi, Guangyi Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2018

Microgrid Control and Optimization参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于图的电力系统潮流计算方法，用于能量管理系统（EMS），利用图数据库和并行计算技术加速大规模电力系统仿真。通过在图计算框架中利用节点级和分层并行性，该方法的计算速度显著优于传统串行方法，在实际系统中展现出在实时EMS应用中的强大潜力。

ABSTRACT

Power flow calculation in EMS is required to accommodate a large and complex power system. To achieve a faster than real-time calculation, a graph based power flow calculation is proposed in this paper. Graph database and graph computing advantages in power system calculations are presented. A linear solver for power flow application is formulated and decomposed in nodal parallelism and hierarchical parallelism to fully utilize graph parallel computing capability. Comparison of the algorithm with traditional sequential programs shows significant benefits on computation efficiency. Case studies on practical large-scale systems provide supporting evidence that the new algorithm is promising for online computing for EMS.

研究动机与目标

• 解决能量管理系统（EMS）中大规模复杂电力系统潮流计算的计算瓶颈问题。
• 提升实时或超实时EMS应用的计算效率。
• 利用图数据库和图计算范式，更高效地建模和求解潮流问题。
• 设计一种具有节点级和分层并行性的线性求解器，以充分挖掘图并行计算的潜力。

提出的方法

• 将电力系统建模为图结构，母线作为节点，支路作为边，实现高效的数据表示与遍历。
• 将线性潮流求解器公式化并分解为节点级和分层并行性，以充分利用图计算架构。
• 使用图数据库技术存储和查询电力系统网络数据，提升数据访问效率和可扩展性。
• 采用支持分布式和并行执行的图计算框架实现该算法。
• 通过基于系统拓扑结构将计算分配到多个处理单元，设计求解器以处理大规模系统。
• 通过用图并行求解器替代传统串行求解器，实现与现有EMS工作流程的集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于图的计算能否显著提升大规模电力系统中潮流计算的速度？
• RQ2 在图计算模型中，节点级和分层并行性相较于串行方法对求解器性能有何影响？
• RQ3 图数据库和图计算框架在多大程度上能够提升EMS潮流应用的可扩展性和效率？
• RQ4 所提出的方法在实际EMS场景中是否能在实现超实时计算的同时保持计算精度？

主要发现

• 在大规模系统仿真中，基于图的潮流计算方法相较于传统串行求解器实现了显著的速度提升。
• 节点级和分层并行性有效利用了图处理框架的计算能力，显著减少了求解时间。
• 在实际大规模系统上的案例研究证实了该方法在在线EMS应用中的可行性和高效性。
• 图数据库的使用提升了复杂电力系统网络的数据管理和查询性能。
• 该算法在实现超实时计算的同时保持了数值精度，支持EMS中的实时决策。
• 结果表明，该方法在需要高速潮流求解的现实世界EMS环境中具有强大的部署潜力。