基于Socket技術(shù)的快速解耦法潮流并行計(jì)算方法

(國(guó)網(wǎng)福建檢修公司，福建　福州　350011)

1　引言

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，分布式潮流計(jì)算[1]對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)的潮流跟蹤、實(shí)時(shí)控制具有重要意義。目前分布式潮流計(jì)算的研究主要集中于將大電網(wǎng)分區(qū)后進(jìn)行異步迭代計(jì)算的方法[2-3]和利用krylov子空間法對(duì)雅克比矩陣并行迭代求逆的方法[4]。本文研究了快速解耦法潮流計(jì)算，根據(jù)其雅克比矩陣不變易于并行化計(jì)算的特點(diǎn)，在多機(jī)群中對(duì)潮流方程進(jìn)行了劃分，利用Socket通信技術(shù)和高斯消元的技巧實(shí)現(xiàn)雅克比矩陣并行化求逆，進(jìn)而提出了一種新的快速解耦法潮流并行計(jì)算方法。結(jié)合Zigbee組網(wǎng)方式，提出了組建小規(guī)模潮流并行計(jì)算微機(jī)集群的方法。本文方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可臨時(shí)組建微機(jī)集群以進(jìn)行大規(guī)模潮流并行計(jì)算。最后，本文通過算例驗(yàn)證了該方法在減少計(jì)算、存儲(chǔ)開銷方面的優(yōu)點(diǎn)。

2　快速解耦法潮流計(jì)算

快速解耦法潮流計(jì)算是一類應(yīng)用廣泛的潮流計(jì)算方法。其根據(jù)輸電網(wǎng)潮流計(jì)算雅克比矩陣的特點(diǎn)進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，從而避免了迭代過程中矩陣的更新?？焖俳怦罘ǚ譃橛泄Φ蜔o功迭代兩步，公式為:

(1)

式中,B′、B″分別為有功和無功迭代的系數(shù)矩陣。通過有功和無功的重復(fù)迭代，可使得解集收斂于真實(shí)解。對(duì)于大規(guī)模系統(tǒng)潮流計(jì)算，其系數(shù)矩陣規(guī)模較大，故其存儲(chǔ)開銷較大?？焖俳怦钸^程中需分別對(duì)系數(shù)矩陣進(jìn)行求逆，該過程需耗費(fèi)大量的計(jì)算資源。因此將系數(shù)矩陣分布式存儲(chǔ)、求逆有利于減少計(jì)算、存儲(chǔ)開銷。

由于系數(shù)矩陣的產(chǎn)生過程中，各行直接無相互影響。因此可按行對(duì)系數(shù)矩陣進(jìn)行劃分，將所需的原始數(shù)據(jù)在多機(jī)群進(jìn)行分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系數(shù)矩陣在多機(jī)群中分布式生成。另通過結(jié)合稀疏存儲(chǔ)技術(shù)，可進(jìn)一步減少存儲(chǔ)開銷。

利用高斯消元的技巧可實(shí)現(xiàn)系數(shù)矩陣求逆過程的并行化。

(2)

由于該求逆過程是以行向量為單位進(jìn)行的，因此其過程易于并行化。系數(shù)矩陣B″包含于B′中，因此，使用該方法在求B′-1的過程中可直接獲得B″-1，從而進(jìn)一步減少了計(jì)算量。

3　基于Socket通信技術(shù)的并行化計(jì)算

Socket是BSDUNIX提供的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程接口，它采用客戶/服務(wù)器的通信機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)客戶方和服務(wù)器方通過Socket實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的連接和數(shù)據(jù)交換。

由于Socket本身無主從機(jī)限制，因此可以利用Socket技術(shù)，結(jié)合Zigbee組網(wǎng)方式在網(wǎng)絡(luò)中靈活的組建并行計(jì)算的微機(jī)集群。集群分服務(wù)單位和計(jì)算單元兩類。服務(wù)單元用于管理子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的計(jì)算單元，并完成潮流計(jì)算的分配、協(xié)調(diào)工作。計(jì)算單元主要用于完成分配到的計(jì)算任務(wù)。當(dāng)微機(jī)入網(wǎng)時(shí)，首先在局域網(wǎng)內(nèi)尋找服務(wù)單元，若存在服務(wù)單元?jiǎng)t登記，否者自行建立服務(wù)單元。當(dāng)潮流計(jì)算開始時(shí)，微機(jī)集群中的任意單元將原始數(shù)據(jù)上傳給服務(wù)單元，有服務(wù)單元分配原始數(shù)據(jù)，發(fā)起并協(xié)調(diào)潮流計(jì)算。其具體過程如圖1所示。

圖1　并行潮流計(jì)算的迭代過程

該方法組成并行計(jì)算微機(jī)集群的方式較靈活，允許任務(wù)開始前集群發(fā)生變化，可將辦公網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分閑置的計(jì)算資源臨時(shí)加入到并行計(jì)算中，設(shè)置一定的冗余計(jì)算后可以很大程度上提高計(jì)算穩(wěn)定性。

4　算例分析

本文使用visual studio2010開發(fā)環(huán)境根據(jù)本文所述方法進(jìn)行了程序編寫，并對(duì)多個(gè)IEEE系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表1所示。其中潮流方程采用平均分配的方式。

表1　軟件內(nèi)存占用情況

據(jù)表1可知，對(duì)于4節(jié)點(diǎn)電力網(wǎng)絡(luò)，單微機(jī)計(jì)算占用的內(nèi)存量大于多微機(jī)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，多微機(jī)計(jì)算占用內(nèi)存量少于單微機(jī)，且差距逐漸擴(kuò)大。由此可以看出，使用本文方法，建立多微集群進(jìn)行并行計(jì)算，可有效的節(jié)省各機(jī)的內(nèi)存。另外由于受限于通信延遲的存在，小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)計(jì)算的速度劣于單機(jī)計(jì)算，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，多機(jī)計(jì)算的計(jì)算時(shí)間增加較少。本文方法并行計(jì)算的構(gòu)架，故對(duì)于計(jì)算耗時(shí)大于通信耗時(shí)的大規(guī)模潮流計(jì)算，本文方法有明顯速度優(yōu)勢(shì)。

5　結(jié)論

本文提出了一種快速解耦法潮流并行計(jì)算方法，并根據(jù)Socket技術(shù)的特點(diǎn)，結(jié)合Zigbee組網(wǎng)方式，提出了組建小規(guī)模潮流并行計(jì)算微機(jī)集群的方法。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)組建微機(jī)集群以進(jìn)行大規(guī)模潮流并行計(jì)算。最后通過算例驗(yàn)證了該方法具有計(jì)算、存儲(chǔ)開銷較少的優(yōu)點(diǎn)。

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[2]張海波,蔣良敏,陶文偉,等.實(shí)用化分布式動(dòng)態(tài)潮流計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(9):67-71.

[3]張海波,張伯明,孫宏斌.分布式潮流計(jì)算異步迭代模式的補(bǔ)充和改進(jìn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2007,31(2):12-16.

[4]劉洋,周家啟,謝開貴,等.預(yù)條件處理CG法大規(guī)模電力系統(tǒng)潮流計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(7):89-94.

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