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(yīng)用

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由于電力系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和龐大性，對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)分析變得越來越重要。而并行處理技術(shù)具有實(shí)時(shí)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(jià)比更高的并行計(jì)算系統(tǒng)。

并行處理；電力系統(tǒng)分析；并行計(jì)算系統(tǒng)

導(dǎo)言

電力系統(tǒng)有很多復(fù)雜的分析計(jì)算，包括潮流計(jì)算、電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析、電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)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(fù)雜，電力系統(tǒng)分析也變得越來越復(fù)雜，計(jì)算越來越繁雜。為了提高電力系統(tǒng)分析計(jì)算的速度，多年來人們從算法上進(jìn)行了深入的研究。但是串行計(jì)算技術(shù)仍然不能有效地解決單個(gè)處理器的運(yùn)算速度問題。隨著并行計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，新的理論、新的硬件和新的算法設(shè)計(jì)技術(shù)為電力系統(tǒng)分析帶來了新的發(fā)展契機(jī)。

1.并行處理技術(shù)

電子計(jì)算機(jī)從20世紀(jì)40年代問世以來，基本上是按照馮·諾依曼的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，這是一種串行處理計(jì)算機(jī)。然而隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的逐步擴(kuò)大，傳統(tǒng)串行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)新環(huán)境下的計(jì)算性能需求。因此，并行處理技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。微電子、超大規(guī)模集成電路、高性能處理機(jī)、封裝技術(shù)的發(fā)展為并行處理技術(shù)打下了基礎(chǔ)。

1.1 并行處理技術(shù)概述

并行一般指在同一時(shí)刻或者同一時(shí)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(shí)間上相互重疊。并行處理技術(shù)一般有三種形式：時(shí)間并行、空間并行、時(shí)間并行+空間并行。

1.1.1 時(shí)間并行指時(shí)間重疊，時(shí)間并行的具體實(shí)現(xiàn)就是目前計(jì)算機(jī)上應(yīng)用廣泛的流水線技術(shù)。同一套硬件對不同的計(jì)算任務(wù)連續(xù)不斷地執(zhí)行，而不需要等待一個(gè)任務(wù)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(fù)，主要實(shí)現(xiàn)方法是使用多處理機(jī)系統(tǒng)，采用空間優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)并行處理。

1.1.3 時(shí)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(diǎn)

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(diǎn)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(jī)（網(wǎng)絡(luò)中的或本地的）和存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)組成一個(gè)完整的并行處理系統(tǒng)。包括硬件的連接、拓?fù)浞绞?、同步通信機(jī)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(jì)算，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信，并且要均衡分配計(jì)算任務(wù)，以使系統(tǒng)達(dá)到計(jì)算能力最大化。并行操作系統(tǒng)主要有多處理機(jī)并行操作系統(tǒng)、多計(jì)算機(jī)并行操作系統(tǒng)。

并行算法是并行處理技術(shù)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。理論上，傳統(tǒng)的串行算法無法在并行系統(tǒng)下直接運(yùn)行，需要對其進(jìn)行并行化處理才能運(yùn)行?；旧闲枰獜男略O(shè)計(jì)并行的算法。并行算法主要研究如何將計(jì)算任務(wù)分解成能在并行系統(tǒng)上執(zhí)行的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)并行處理。并行算法優(yōu)劣的評(píng)價(jià)通常采用以下指標(biāo)：并行加速比、可擴(kuò)展性、效率、成本、復(fù)雜性。

2.并行處理在電力系統(tǒng)分析中的應(yīng)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(jì)算能力，增強(qiáng)實(shí)時(shí)計(jì)算性能。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)是一個(gè)快速變化的非線性系統(tǒng)。不同的電力系統(tǒng)計(jì)算任務(wù)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(jì)算需求，通過認(rèn)真研究和精確的算法設(shè)計(jì)，才能獲得最好的并行計(jì)算結(jié)果。

2.1 并行處理在潮流計(jì)算中的應(yīng)用

潮流計(jì)算即在給定電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、元件參數(shù)、發(fā)電量、負(fù)荷參量的條件下，計(jì)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(jì)算描述了電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)情況，是電力系統(tǒng)計(jì)算中的重要部分。

傳統(tǒng)的串行解法綜合運(yùn)用了稀疏矩陣、三角分解前代和回代、節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化、快速分解法等相關(guān)技術(shù)和技巧。在潮流計(jì)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(jì)算，研究重點(diǎn)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(shí)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(yīng)用于向量機(jī)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(shí)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(jià)。由于迭代過程中前后依賴性大的困難一時(shí)難以克服，并行化潮流計(jì)算的瓶頸難以突破，有時(shí)強(qiáng)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(yīng)用

2.2.1 將系統(tǒng)的變量分組，進(jìn)行空間并行化。

2.2.2 通過幾個(gè)時(shí)間段同時(shí)求解，稱為時(shí)間并行化。最直接的并行化方法是按照發(fā)電機(jī)將微分方程進(jìn)行分組，形成多個(gè)方程組，通過代數(shù)方程來實(shí)現(xiàn)各個(gè)微分方程組之間的耦合。時(shí)間并行是通過建立每個(gè)時(shí)間段的牛頓方程，同時(shí)求解來實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

2.3 并行處理在能量管理中的應(yīng)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(dòng)態(tài)安全分析等。自從計(jì)算機(jī)硬件性能的大幅提升和工作站性價(jià)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(luò)化、開放的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，通過網(wǎng)絡(luò)互相連接。系統(tǒng)的功能分布在不同的計(jì)算機(jī)上，可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jì)算提供基本的硬件優(yōu)勢，適應(yīng)電力系統(tǒng)的計(jì)算特點(diǎn)。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(shè)要考慮整個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)，考慮資源的合理配置和開發(fā)利用。對這些設(shè)備之間的配合、方案設(shè)計(jì)需要進(jìn)行大量的比較和計(jì)算。電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)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(jì)算速度的技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

[1]周志云，李建蘭.關(guān)于并行處理在電力系統(tǒng)分析中的探討[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2013（36）.

[2]范文濤，薛禹勝.并行處理在電力系統(tǒng)分析中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1998（2）：64-67，72.