An Approach of Distributed Joint Optimization for Cluster-based Wireless Sensor Networks

Wireless sensor networks (WSNs) are energyconstrained, so energy saving is one of the most important issues in typical applications. The clustered WSN topology is considered in this paper. To achieve the balance of energy consumption and utility of network resources, we explicitly model and factor the effect of power and rate. A novel joint optimization model is proposed with the protection for cluster head. By the mean of a choice of two appropriate sub-utility functions, the distributed iterative algorithm is obtained. The convergence of the proposed iterative algorithm is proved analytically. We consider general dual decomposition method to realize variable separation and distributed computation, which is practical in large-scale sensor networks. Numerical results show that the proposed joint optimal algorithm converges to the optimal power allocation and rate transmission, and validate the performance in terms of prolonging of network lifetime and improvement of throughput. © 2014 Chinese Association of Automation.

新型配电网多虚拟电厂分布式资源聚合与聚合体优化运行方法

随着新型电力系统建设的不断推进,配电网侧分布式资源聚合与聚合体优化运行成为支撑电网平衡能力提升的关键技术之一。为快速准确表征分布式资源聚合体的功率调节能力,首先通过顶点枚举法求解考虑电源出力不确定性的虚拟电厂可行域;进一步为解决配电网多虚拟电厂经济优化运行问题,设计了计及有功-无功的二元一致性算法,并证明所提算法的收敛性;通过基于可行域边界与二元一致性变量修正方程的修正法则,以满足功率与电压约束;最终得到多虚拟电厂分布式资源聚合与聚合体优化运行的算法流程。通过算例分析与对比,验证了所提资源聚合与聚合体优化运行的框架可行性,以及其相较于传统一致性算法的优势。通过对分布式资源有功-无功调节能力的充分利用,提升了分布式资源参与电网运行的灵活性。

新能源电力系统细粒度并行与多速率电磁暂态仿真

随着可再生能源的快速发展,电力系统设备类型越来越多,系统振荡特征越来越复杂,对电磁暂态仿真的精度和效率提出了更高要求。基于大规模集成电路设计中所使用的延迟插入法(LIM),提出了新能源电力系统的细粒度建模方法,并结合图形处理器(GPU)的资源优势,实现了算法的并行求解。所提方法将传统交流电网与电力电子设备进行解耦,并基于混合数值稳定性判据和局部截断误差的方法确定了各子系统的步长。然后,通过插值实现了新能源电力系统的多速率仿真。最后,基于GPU硬件平台,以含新能源接入的改进39节点系统为例验证了所提方法的精度,并以不同规模的新能源接入、不同仿真步长的组合验证了所提方法在仿真效率方面的优势。

新型电力系统电磁暂态加速仿真技术

为解决新型电力系统电磁暂态仿真时由于系统拓扑结构复杂、电力电子开关器件较多以及仿真机单核计算能力不足导致的仿真效率低下、仿真难度大等问题,文中采用理想变压器模型分割算法将大规模新型电力系统模型分割成若干子系统,实现了大系统的解耦和降阶,有效减少了仿真时整个系统作为一个状态空间系统矩阵的运算量。为进一步减轻单个处理器的计算负担,利用CPU(Central Processing Unit)多核并行技术设计一款在裸机环境下高效并行运算的加速仿真平台UREP300。将分割后的模型载入UREP300进行加速仿真实验,同时与基于MATLAB/Simulink的原模型离线仿真进行对比。实验结果表明,融合理想变压器模型分割与多核并行运行的加速仿真技术能够在保障仿真精度的同时将仿真速度提升至原来的586倍,可显著提高仿真效率,适用于大规模新型电力系统的仿真工作。

隧洞平行摄影测量立体影像尺度差估计及匹配优化

为提升平行摄影隧洞序列影像的同名点匹配率及精度,对成像规律及匹配方法展开研究。提出了一种窗口尺度自动改正的LK光流法,核心是利用物像空间关系构建尺度差模型,并采用可变窗口进行特征点光流跟踪。结果表明:隧洞序列影像像点尺度差呈对称性径向分布,差异值符合幂函数模型增长趋势;将该方法应用在多组尺度差立体像对的匹配实验中,均取得了优于0.3个像素精度的实验结果,较基本光流法至少提升34.3%,最大提升45.5%。研究成果可为顾及尺度差的匹配方法提供参考,也可为隧洞平行摄影立体影像匹配提供基础。

Evaluation of the power consumption of a high-speed parallel robot

An inverse dynamic model of a high-speed parallel robot is established based on the virtual work principle. With this dynamic model, a new evaluation method is proposed to measure the power consumption of the robot during pick-and-place tasks. The power vector is extended in this method and used to represent the collinear velocity and acceleration of the moving platform. After- ward, several dynamic performance indices, which are homogenous and possess obvious physical meanings, are proposed. These indices can evaluate the power input and output transmissibility of the robot in a workspace. The distributions of the power input and output transmissibility of the high-speed parallel robot are derived with these indices and clearly illustrated in atlases. Furtherly, a low- power-consumption workspace is selected for the robot.

Parallel power system restoration planning using heuristic initialization and discrete evolutionary programming

This paper proposes a sectionalizing planning for parallel power system restoration after a complete system blackout.Parallel restoration is conducted in order to reduce the total restoration process time.Physical and operation knowledge of the system,operating personnel experience,and computer simulation are combined in this planning to improve the system restoration and serve as a guidance for system operators/planners.Sectionalizing planning is obtained using discrete evolutionary programming optimization method assisted by heuristic initialization and graph theory approach.Set of transmission lines that should not be restored during parallel restoration process(cut set)is determined in order to sectionalize the system into subsystems or islands.Each island with almost similar restoration time is set as an objective function so as to speed up the resynchronization of the islands.Restoration operation and constraints(black start generator availability,load-generation balance and maintaining acceptable voltage magnitude within each island)is also takeninto account in the course of this planning.The method is validated using the IEEE 39-bus and 118-bus system.Promising results in terms of restoration time was compared to other methods reported in the literature.

高层结构-混联Ⅱ型惯容阻尼耗能体系减震性分析

针对高层结构中设置混联Ⅱ型惯容阻尼器组成耗能体系的随机响应分析复杂的问题,提出了结构位移及阻尼器阻尼力响应的封闭解,并基于所获得的封闭解探究了实模态振型数对分析精度的影响和在原结构层间位移超限楼层设置阻尼器能有效减震的布置策略。首先,根据混联Ⅱ型惯容阻尼器力学构造图及设置方式,建立阻尼器阻尼力与结构节点水平位移的微分型本构关系进而重构耗能体系的地震动方程。其次,利用实模态解耦法获得高层结构简明等效的动力学参数,运用功率谱二次式分解法推导出结构节点相对于地面的绝对位移、竖向构件层间位移及阻尼器阻尼力等响应的功率谱精确二次式解进而推导出耗能体系基于双过滤白噪声激励下系列响应的0~2阶谱矩简明封闭解。最后,通过算例,验证了所提封闭解的正确性;研究了实模态振型数对系列响应谱矩分析精度的影响和阻尼器设置位置对结构减震效果的影响。研究表明:对于多自由度结构响应分析时,建议采用原结构自由振动分析时质量参与系数累计达100%时所对应的振型数,可获得稳定的精度和提高大型复杂结构设置混联Ⅱ型惯容阻尼器的响应的分析效率;通过在原结构层间位移超限楼层或连续多层层间位移超限的楼层中间隔一层设置参数合适的混联Ⅱ型惯容阻尼器可有效降低结构的地震动响应,所提惯容阻尼器设置策略具有较好的经济性。所提解析解和惯容系统在高层结构的设置策略可为混联Ⅱ型惯容阻尼器在实际工程应用中提供有益的参考价值。

基于马尔可夫链和故障枚举法的可用输电能力计算

可用输电能力(ATC)是电力市场中指导电网输电交易的重要指标,也是电网调度部门调整阻塞的重要参考。电力系统是一个动态时变系统,存在大量的不确定性和随机性,考虑这些不确定性因素对ATC的影响是准确计算ATC的一个难点。马尔可夫链能根据系统的初始状态和可能状态之间的转移概率预测系统未来的发展趋势,该文引入马尔可夫链对电力系统状态进行预测,并采用故障枚举法对各时刻的可能状态进行枚举,通过概率方法求取ATC的期望值,并能得到ATC随时间变化的曲线。IEEE14节点系统的计算结果表明,所提出的模型及算法是正确有效的,能给出更准确的ATC信息。

电网规划设计中的风险评估应用

通过总结分析国内外电网规划设计中的可靠性准则,研究了基于风险评估理论的可靠性评估方法在输电网规划设计中的应用。采用状态枚举法,将概率评估技术与电力系统可靠性评估结合,通过对表征电力系统充裕性和安全性的风险指标的量化处理,研究了系统抵御严重故障的能力,提出了纳入风险指标的电网规划设计框架。安全应用分析表明了风险评估方法的实用价值,是对传统电网规划设计方法的发展和完善。

基于分区的含DG配电网实时无功优化

针对含DG配电网实时无功优化问题,提出了更适合该问题的目标函数,并将实时无功优化与配电网动态分区、短期无功调度相互配合来实现空间上和时间上的解耦。针对配电网动态分区问题,提出了支路切割枚举法,实现了快速动态分区。考虑系统区内无功储备不足等特殊情况,可能会导致系统电压在优化后仍有越限,为保证系统安全,启动第二次优化。通过对含DG的33节点配电系统算例和某实际线路进行验证,表明了该算法在求解实时无功优化问题时的正确性和有效性。

基于改进标签传播算法的电力系统并行恢复分区方法

制定合理有效的分区方案是并行恢复的首要任务。由于电网运行的潮流分布能够反映系统内节点之间联系的紧密程度,为了达到更有效的分区目的,结合复杂网络社区发现理论和潮流信息,提出一种基于改进标签传播算法的电网并行恢复分区方法。首先给黑启动电源分配不同的子区标签,再根据停电前支路潮流信息构建电网节点的标签传播矩阵。反复将节点标签的信息在电网中传播,直至各节点标签信息不再发生变化,则具有相同标签的节点被划分到同一个子区。针对传统标签传播算法可能出现的标签振荡现象,提出了同时考虑邻接节点标签和自身历史标签的节点标签影响策略。通过IEEE 39节点系统的仿真表明,所提方法得到的分区结果在区间功率交换、最大子区规模和模块度方面效果显著。最后利用某省级电网的实际数据进行仿真分析,验证了所提方法用于实际系统的有效性。

并联机构中运动/力传递功率最大值的评价

并联机构的本质作用之一是在机构的输入端和输出端之间传递运动和力。对并联机构的性能分析需要从该本质功能出发,考虑机构运动和力的传递特性。在螺旋理论中,当运动旋量和力旋量进行互易积运算时,其结果表示该力在运动方向上的瞬时传递功率。结合能效系数法,可将瞬时传递功率和可能的最大传递功率之比定义相关的评价指标,用以分析并联机构的运动/力传递特性。该指标能否实用的关键问题之一是如何理解和求解可能的传递功率的最大值。根据并联机构中可能存在的不同形式的运动旋量和力旋量的组合,将功率最大值的求解问题分为五种情况,对每种情况的计算模型进行详细的推导与解释,尤其是当刚体的力和运动均为浮动的旋量(力旋量/运动旋量)时,提出改进后的特征点法,建立有效的求解模型。此外,以三个常见的并联机构为例,对机构中运动/力传递功率的最大值进行求解,以进一步说明所提计算模型的合理性和实用性。

基于隐枚举法的稳定控制优化切机方法

由于电网规模的迅速发展,故障紧急情况下稳定控制系统切机对象数目的增加,传统基于穷举法的优化切机方法已经不能满足大规模电网稳定控制系统快速切机的要求。为了提高优化切机问题的求解效率,文中提出了基于隐枚举法的优化切机方法。该方法根据优化切机问题的特点制定剪枝策略,能够有效减少枚举过程中需要计算的切机组合数,从而提高了计算效率。切机实例的计算和实际装置的仿真结果表明,文中所述方法能够减少约70%的优化计算时间,实现稳定控制系统的快速切机。

一种新的基于相位调制跟踪的电源并联控制方法

研究了抗干扰能力强、控制可靠性高的数字化并联控制技术,提出了一种数字均流控制方法-相位调制跟踪法。该方法将每个模块有功功率、无功功率和同步信号通过相位调制的方法变换为相位变化的周期脉冲信号,然后通过锁相同步的方法使所有并联逆变器模块都跟踪相位最超前,即输出功率最大模块的脉冲信号,从而实现功率均分。该方法具有控制信号分辨率高,抗干扰能力强以及稳定性好等优点,提高了系统均流控制精度;同时,自然实现了民主主从控制,具有好的控制冗余性。克服了线路阻抗变化对系统均流精度的影响。实验结果表明,该方法能较好地实现逆变模块的功率均分,模块间输出电流偏差小于1%。

大规模复杂配电网三相不平衡潮流并行计算方法

以牛顿拉夫逊法为基础,建立了复杂配电网中的三相配电线路、负荷、变压器和调压器等的数学模型,提出了复杂配电网三相不平衡潮流的并行计算方法,以提高大规模复杂配电网潮流计算的性能。考虑配电网的馈线数和节点数,设计了同构模式下多核(2、4)处理器的任务分配,对比负载均衡、并行加速比。通过IEEE 123节点标准馈线、某电网1000节点馈线及IEEE 123、37、34和13标准馈线拆装重组而成的数十条馈线等的仿真,对所提并行潮流计算方法的计算速度、收敛性和加速比进行测试和比较分析。仿真结果表明,所提并行计算算法能充分利用计算机的多核资源、显著提高了计算效率。

基于Beowulf集群的大规模电力系统方程并行PCG求解

研究基于Beowulf集群的大规模电力系统方程并行PCG求解问题,采用常见的硬件设备和廉价且广为传播的软件构建出Beowulf分布式集群环境,基于这一环境,彻底摒弃矩阵的传统直接分解算法,采用多项式预处理的PCG法并行求解大型稀疏线性方程组。文中方法无需进行任何形式的电网络划分,也无需进行任何的矩阵三角分解和前推回代过程,适合各种类型的大规模电力系统方程的并行求解。本文分别在潮流计算、状态估计和静态安全分析中对大规模电力系统方程实现了并行求解,并获得一定的加速比和并行效率,为大规模电力系统快速、准确的仿真计算和在线分析提供一种可行的新途径。

太阳光不平行度对太阳能聚集性能影响的数值研究

对大型对日定向的碟式太阳能反射聚集器,通过数值模拟研究了太阳光不平行度与定向跟踪精度对聚光性能的影响。通过建立锥形光束的概率模型,采用蒙特卡洛法直接模拟了太阳光经碟式反射聚集器后在焦平面上产生的能流分布。比较了不同定向跟踪精度下,不同口径比的反射聚集器对太阳光与平行光的聚集性能差别。

一种基于分解协调法的电力系统故障计算方法

基于分解协调法，采用相序参数变换技术和补偿法，提出了一种无需形成故障后子系统群数学模型，能充分利用对称元件在对称分量坐标系中可解耦的特性，并行或串行快速计算三相参数对称或不对称电力系统任意复杂故障的新方法。这种方法不但能适应因故障造成的网络拓扑结构变化，而且取消了对故障类型和元件参数三相是否对称的限制，并进一步扩大了解题规模，提高了故障计算的速度和效率。

并联PWM整流器系统的零序环流抑制方法

直接并联PWM整流器仅以自身的零序电流为反馈控制进行环流抑制,难免造成整流器之间的零序电压竞争问题,导致PWM信号的调制饱和.针对这一问题,对PWM整流器并联系统的环流进行了深入分析,提出了抑制零序环流的综合解决方案.此方案引入了以交流电源中性点为参考的直流母线中点电压变量,各整流器依据其零序电流对该电压的低频分量的影响,确定其对环流的调节方式.仿真结果验证了所提控制方案的有效性.