并行處理在電力系統(tǒng)分析中的應用

田樂 楊瑤麟/鈦能科技股份有限公司

并行處理在電力系統(tǒng)分析中的應用

田樂 楊瑤麟/鈦能科技股份有限公司

由于電力系統(tǒng)本身的復雜性和龐大性，對電力系統(tǒng)的實時分析變得越來越重要。而并行處理技術(shù)具有實時高效的特性。因此，并行處理成為電力系統(tǒng)分析中極其重要的部分。該文通過將并行處理技術(shù)和電力系統(tǒng)分析結(jié)合起來，可以得到更加專業(yè)化、性價比更高的并行計算系統(tǒng)。

并行處理；電力系統(tǒng)分析；并行計算系統(tǒng)

導言

電力系統(tǒng)有很多復雜的分析計算，包括潮流計算、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析、電磁暫態(tài)實時仿真、電力系統(tǒng)能量管理、電力系統(tǒng)規(guī)劃等。隨著電力系統(tǒng)的越來越龐大和復雜，電力系統(tǒng)分析也變得越來越復雜，計算越來越繁雜。為了提高電力系統(tǒng)分析計算的速度，多年來人們從算法上進行了深入的研究。但是串行計算技術(shù)仍然不能有效地解決單個處理器的運算速度問題。隨著并行計算技術(shù)的發(fā)展，新的理論、新的硬件和新的算法設計技術(shù)為電力系統(tǒng)分析帶來了新的發(fā)展契機。

1.并行處理技術(shù)

電子計算機從20世紀40年代問世以來，基本上是按照馮·諾依曼的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計的，這是一種串行處理計算機。然而隨著計算機應用的逐步擴大，傳統(tǒng)串行計算機系統(tǒng)已經(jīng)不能適應新環(huán)境下的計算性能需求。因此，并行處理技術(shù)也應運而生。微電子、超大規(guī)模集成電路、高性能處理機、封裝技術(shù)的發(fā)展為并行處理技術(shù)打下了基礎。

1.1 并行處理技術(shù)概述

并行一般指在同一時刻或者同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上的操作，操作性質(zhì)可以相同也可以不同。并行一般要求在時間上相互重疊。并行處理技術(shù)一般有三種形式：時間并行、空間并行、時間并行+空間并行。

1.1.1 時間并行指時間重疊，時間并行的具體實現(xiàn)就是目前計算機上應用廣泛的流水線技術(shù)。同一套硬件對不同的計算任務連續(xù)不斷地執(zhí)行，而不需要等待一個任務的全部完成再執(zhí)行下一條指令。

1.1.2 空間并行指資源的重復，主要實現(xiàn)方法是使用多處理機系統(tǒng)，采用空間優(yōu)勢實現(xiàn)并行處理。

1.1.3 時間并行+空間并行綜合使用上述兩種方法，以得到更快的處理速度。

1.2 并行處理技術(shù)的要點

并行處理技術(shù)是各種軟件、硬件、操作系統(tǒng)相結(jié)合的技術(shù)。主要研究熱點為：并行系統(tǒng)、并行算法、并行操作系統(tǒng)等。

并行系統(tǒng)主要研究并行處理技術(shù)的硬件方面，研究如何將眾多的處理機（網(wǎng)絡中的或本地的）和存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)組成一個完整的并行處理系統(tǒng)。包括硬件的連接、拓撲方式、同步通信機制、軟硬件配置等。

并行操作系統(tǒng)主要用于并行系統(tǒng)間的通信和同步，支持并行計算，實現(xiàn)進程間的通信，并且要均衡分配計算任務，以使系統(tǒng)達到計算能力最大化。并行操作系統(tǒng)主要有多處理機并行操作系統(tǒng)、多計算機并行操作系統(tǒng)。

并行算法是并行處理技術(shù)中的一個研究熱點。理論上，傳統(tǒng)的串行算法無法在并行系統(tǒng)下直接運行，需要對其進行并行化處理才能運行?；旧闲枰獜男略O計并行的算法。并行算法主要研究如何將計算任務分解成能在并行系統(tǒng)上執(zhí)行的任務，實現(xiàn)并行處理。并行算法優(yōu)劣的評價通常采用以下指標：并行加速比、可擴展性、效率、成本、復雜性。

2.并行處理在電力系統(tǒng)分析中的應用

電力系統(tǒng)的并行處理主要是為了提高電力系統(tǒng)分析計算能力，增強實時計算性能。因為電力系統(tǒng)是一個快速變化的非線性系統(tǒng)。不同的電力系統(tǒng)計算任務具有不同的并行性和數(shù)據(jù)相關(guān)性，針對電力系統(tǒng)中不同的計算需求，通過認真研究和精確的算法設計，才能獲得最好的并行計算結(jié)果。

2.1 并行處理在潮流計算中的應用

潮流計算即在給定電力系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)、發(fā)電量、負荷參量的條件下，計算出有功功率、無功功率和電壓在電網(wǎng)中的分布等數(shù)據(jù)。潮流計算描述了電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況，是電力系統(tǒng)計算中的重要部分。

傳統(tǒng)的串行解法綜合運用了稀疏矩陣、三角分解前代和回代、節(jié)點編號優(yōu)化、快速分解法等相關(guān)技術(shù)和技巧。在潮流計算中串行算法已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。目前，針對并行化潮流計算，研究重點主要集中在并行化三角分解前代和回代等方面。通過對矩陣分塊法的的并行求解來實現(xiàn)并行性。通過降低最大因子路徑的長度來減少順序執(zhí)行的步數(shù)，采用能夠應用于向量機的向量化算法。通過超立方體結(jié)構(gòu)找到穩(wěn)態(tài)大矩陣的特征值以及特征向量。通過實踐得到的一些結(jié)論表明，快速分解牛頓法的并行化算法可以獲得接近10的加速比。

通過對現(xiàn)有的一些并行算法的研究，可以得出結(jié)論。新的并行算法都試圖使相互依賴的前代和回代步數(shù)最小。但是在這些并行性算法中有著較大的限制。有些雖然可以將加速比提高到10左右，但是付出了較高的性能代價。由于迭代過程中前后依賴性大的困難一時難以克服，并行化潮流計算的瓶頸難以突破，有時強制的并行化算法反而比串行算法性能更差。

2.2 并行處理在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定中的應用

2.2.1 將系統(tǒng)的變量分組，進行空間并行化。

2.2.2 通過幾個時間段同時求解，稱為時間并行化。最直接的并行化方法是按照發(fā)電機將微分方程進行分組，形成多個方程組，通過代數(shù)方程來實現(xiàn)各個微分方程組之間的耦合。時間并行是通過建立每個時間段的牛頓方程，同時求解來實現(xiàn)并行計算。

2.3 并行處理在能量管理中的應用

電力系統(tǒng)的能量管理包括SCADA、AGC/EDC、電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析、電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析等。自從計算機硬件性能的大幅提升和工作站性價比的提高，能量管理系統(tǒng)已經(jīng)得到了空前的發(fā)展。從集中的、孤立的系統(tǒng)發(fā)展為分布式、網(wǎng)絡化、開放的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由多臺計算機組成，通過網(wǎng)絡互相連接。系統(tǒng)的功能分布在不同的計算機上，可擴展性得到了很大提高。在分布式系統(tǒng)上，通過并行處理技術(shù)實現(xiàn)整個能量管理系統(tǒng)的協(xié)同工作，極大地提高了工作效率，為并行化計算提供基本的硬件優(yōu)勢，適應電力系統(tǒng)的計算特點。因此，得到了很好的發(fā)展。

3.結(jié)束語

電力系統(tǒng)的規(guī)劃和建設要考慮整個國家經(jīng)濟發(fā)展和城市建設，考慮資源的合理配置和開發(fā)利用。對這些設備之間的配合、方案設計需要進行大量的比較和計算。電力系統(tǒng)的實時計算要求也對系統(tǒng)提出了更高的要求，因此并行處理技術(shù)作為一種良好的提高計算速度的技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了應用。

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