專利名稱：電力網格中基于多核計算機實現并行潮流計算的方法
技術領域：
本發明涉及到電力系統以及由電力設備組成的電力網格系統，特別涉及到 在電力系統中實現分級潮流調度方法和利用多核計算機來實現并行潮流計算的 方法。
背景技術：
電力網格是使用網格技術對現有的電力系統進行整合而形成的新系統。在
電力網格的運行需要研究電力系統穩態運行情況。給定電力系統的網絡結構、
參數和決定電力系統運行狀況的邊界條件，確定電力系統穩態運行狀態的方法
之一是潮流計算。從數學的角度來看，它可以歸納為求解一組非線性方程組， 并使其解答滿足一定的約束條件。
早期使用的潮流計算方法是以導納矩陣為基礎的簡單迭代法，這種方法原 理簡單，內存需求較少，但算法收斂性極差。近年來，潮流問題算法的研究大
多數是圍繞著改進牛頓法和P-Q分解法進行的。由于電力系統不斷擴大和對計 算速度要求不斷提高，計算機的并行計算技術也引起了研究人員的興趣。目前 潮流計算的并行算法主要有基于分塊法的潮流并行算法，基于多重因子化的潮 流并行算法，基于稀疏矢量技術的潮流并行算法和基于逆矩陣計算的潮流并行 算法等。

發明內容
本發明的目的是針對電力系統潮流計算的并行實現問題，提出了一種新的 分級潮流調度和利用多核計算機實現并行運算的方法，具有運算速度快，成本 低廉的特點。
本發明所述的電力網格中基于多核計算機實現并行潮流計算的方法，在電 力網格中，各電網計算節點即電力調度中心是以虛擬組織的形式組織成分層結 構的，虛擬組織內部可以實現資源的受控共享，每個虛擬組織有一個調度中心 負責總體管理和控制，各調度中心之間組織成更高層次的虛擬組織，從而形成 了層次式的資源共享框架。本發明所提出的并行潮流計算方法的特征在于包括
以下步驟
l)一級調度按照各虛擬組織進行潮流計算任務劃分，劃分后的任務通過
調度到各虛擬組織上同時進行計算，并由上級的虛擬組織作為協調層進行協調； 2) 二級調度每個虛擬組織將分配的計算任務再劃分到虛擬組織內部的多
核計算機上進行計算，求解潮流計算任務的主要步驟是矩陣乘法，多核計算機
通過矩陣分塊，將矩陣乘法分到多個核上并行運算，經過若干次迭代收斂后，
運算結果由協調層收集輸出。
上述步驟1)根據潮流計算任務劃分出N個節點的電力網絡，如果網絡結
構和網絡元件參數已知，則網絡方程可用下式表示
式中Y是NXN階節點導納矩陣，^為NX1維節點電壓列矢量，/是NX1維
節點注入電流列矢量。
上述步驟2)的二級潮流調度的任務劃分可以釆用分塊協調的并行計算機制。
本發明提出了一種分級調度的并行潮流計算方法，通過兩級調度， 一級調 度實現潮流計算任務的劃分和協同，二級調度對運算任務進行細粒度劃分，在 多核計算機環境中，可以利用多核并行地計算子任務。經過若干次迭代收斂后， 運算結果由協調層收集輸出。本方法由于采用并行計算方法，并且最大限度利 用了虛擬組織內的計算資源，所以運算速度更快，成本更低廉。


圖l是電力網格的組成結構；
圖2是電力網格的層次式虛擬組織結構；
圖3是分級潮流調度方法的流程圖。
具體實施例方式
電力網格是使用網格技術對現有的電力系統進行整合而形成的新系統。圖 1顯示了一個電力網格的組成結構，廣義上來說它包含原來電力系統的一切硬 件和軟件資源，給人們呈現的是一個"虛擬的大電網"。狹義上則指通過電力 網格軟件相互連結起來協同工作的多個電網調度中心的計算機系統，它們對外 呈現的是一臺"虛擬的超級計算機"。
電力網格需要解決的一個最重要的問題是如何集成和整合現有的分散于各 地的電力系統的數據和計算資源。為了實現受控的資源共享，網格中提出了虛擬組織(Virtual Organization,簡稱V0)的概念。虛擬組織是多個分布的個 體和組織的集合，其目的是以一種協同的方式共享和使用多種多樣的資源。所 有共享主體都可以看作資源，并以虛擬組織的形式進行管理和整合。共享資源 可以以不同的身份同時加入不同的虛擬組織，也可以隨時退出， 一個虛擬組織 可以跨越企業邊界包含在物理上屬于不同的組織的資源。
圖2顯示了一個電力網格的層次式虛擬組織結構。電力系統是"分級管理 、分層控制、分布處理"的體系，可以用分層的形式來劃分虛擬組織。根據電 網分布的地域特征、電網的電氣特點等將電網劃分為多個子網，各子網有一個 資源注冊和發現中心，網格用戶可以向該中心注冊自己擁有的資源，也可以通 過該中心查找和發現其它用戶共享的資源。而資源中心同時可以隸屬于上一層 的虛擬組織，形成了層次式的電力網格資源集成框架。圖2顯示了一個由兩層 虛擬組織構成的電力網格，多個子電網各自組成多個虛擬組織(如VO-Bl、 V0-B2 和V0-B3)，在虛擬組織內部共享數據和其他資源。資源中心和資源中心可以聯 合起來形成更高層次的虛擬資源視圖(如V0-A)，實現更廣域的資源共享。
潮流計算從數學的角度來看，可以歸納為求解一組非線性方程組。對于N 個節點的電力網絡，如果網絡結構和網絡元件參數已知，則網絡方程可用下式 表示。
7[> = / (1) 式中Y是NXN階節點導納矩陣，t/為NX1維節點電壓列矢量，/是NX1維 節點注入電流列矢量。
為了實現并行計算，需要對網絡進行分塊，將一個大網絡劃分為若干子系 統分別進行并行運算。由于導納矩陣是一個對稱的稀疏矩陣，通過合理的節點 排序，可以將Y寫成對角加邊形式<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
其中，^稱為邊界變量或協調變量，如果&己知，則子系統i的電壓ti,可
由下式求出
=/, i=l, 2，…，K (3)
而協調變量f^由 求出，其中
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<formula>formula see original document page 6</formula>(5)
<formula>formula see original document page 6</formula>(6)
式中，A^V是將子系統i化簡到邊界節點后的導納矩陣，它可以一個子系統-
個子系統地分別計算，這種計算可以同時進行。A/纟是子系統中的電流移置到 邊界后的等值電流。A",.和A/纟都是可以每個子系統各自獨立同時地進行計算， 各子系統之間沒有影響。
為了實現并行潮流計算，需要研究如何對電網進行合理的分塊和協調，以 充分發揮并行計算的效率，并使計算過程盡快地收斂。在電力網格中，本發明 把如何對潮流方程進行分塊，如何進行任務分配和調度，如何協同計算并收集 結果等問題稱為電力網格的潮流調度問題。為了解決潮流調度問題，本發明提 出以下分級潮流調度方案。
在電力網格中，各電網計算節點是以V0的形式組織成分層結構的，V0內 部可以實現資源的受控共享，每個VO有一個調度中心負責總體管理和控制，調 度中心和調度中心之間組織成更高層次的VO，從而形成層次式的資源共享框架， 對用戶看來就像是一臺超級計算機。在電力網格中，各子網經過整合形成一個 "虛擬大電網"，可以對"虛擬大電網"按照目前各電力調度中心的管轄范圍自 然劃分，也就是按照VO進行劃分，這樣，潮流計算任務就可以調度到各VO上 同時進行計算，由上級的VO作為協調層進行協調。對于每個V0來說，只需要 利用本V0的信息，計算一個潮流方程的子問題。這是一種粗粒度的任務劃分， 稱為一級潮流調度。
由于VO—般是按照地域范圍來進行劃分的，這樣會帶來兩個問題(l)在 每個V0內，子問題的規模可能仍然很大，采用集中式計算的話對服務器的性能 要求很高；(2) V0和V0之間的范圍大小是不相同的，因此經過粗粒度劃分的 任務的計算量也是有大有小，如果用單機進行計算，會導致計算任務有的算得 很快，有的算得很慢，由于需要協調，算得慢的機器會成為系統的瓶頸。為了 解決這兩個問題，本發明考慮在VO內部進行更細粒度的并行任務劃分，并稱這 種細粒度任務劃分為二級潮流調度。每個V0內部可能會存在多個共享的計算 資源，可以充分利用其計算能力，而且在電力網絡中，局域網往往是千兆的高 速網絡，數據通信的開銷很小。二級潮流調度的任務劃分可以使用與一級潮流 調度類似的分塊協調的并行計算機制，也可以使用其他矩陣方程的并行算法。 圖3顯示了一個分級潮流調度的方法。
經過二級調度后，計算任務被分到若干臺計算機上去運行，每臺機器解一 個或多個矩陣方程。為了加快運算速度，我們使用多核計算機來執行這些計算 任務。求解矩陣方程的主要步驟是矩陣乘法，多核計算機可以通過矩陣分塊， 將矩陣乘法分到多個核上并行運算，提供比單核運算更快的速度。以IBM的 Cell處理器為例，它含有8個核，我們可以設計一種矩陣分塊乘法，可以在8 個核上并行運算。例如，計算A:BXC， A，B，C都是nXn的矩陣，我們可以將每 個矩陣劃分為4個(n/2) X (n/2)的子矩陣
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這樣， 一個矩陣相乘的問題被分成了 8個子矩陣相乘的問題，5llXC ， 512 x C21 ， _SU x C12 ， _S12 x C22 ， 521 x Cn ， 522 x C21 ， 521 x C12 ， 522 x C22 ， 可以 使用Cell提供SDK API,將它們分到8個核上運行，最后匯總結果。
綜上所述，本發明的核心是潮流計算的分級調度方法，和潮流計算在多核 計算機中實現并行運算的方法。
權利要求
1、一種電力網格中基于多核計算機實現并行潮流計算的方法，在電力網格中，各電網計算節點即電力調度中心是以虛擬組織的形式組織成分層結構的，虛擬組織內部可以實現資源的受控共享，每個虛擬組織有一個調度中心負責總體管理和控制，各調度中心之間組織成更高層次的虛擬組織，從而形成了層次式的資源共享框架，為了實現并行潮流計算，需要在各計算節點之間實現調度和協同，其特征包括以下步驟1)一級調度按照各虛擬組織進行潮流計算任務劃分，劃分后的任務通過調度到各虛擬組織上同時進行計算，并由上級的虛擬組織作為協調層進行協調；2)二級調度每個虛擬組織將分配的計算任務再劃分到虛擬組織內部的多核計算機上進行計算，求解潮流計算任務的主要步驟是矩陣乘法，多核計算機通過矩陣分塊，將矩陣乘法分到多個核上并行運算，經過若干次迭代收斂后，運算結果由協調層收集輸出。
2、 根據權利要求1所述的電力網格中基于多核計算機實現并行潮流計算的 方法，其特征是在步驟1)根據潮流計算任務劃分出N個節點的電力網絡， 如果網絡結構和網絡元件參數已知，則網絡方程可用下式表示式中Y是NXN階節點導納矩陣，f)為NXl維節點電壓列矢量，/是NX1維節點注入電流列矢量。
3、 根據權利要求1或2所述的電力網格中基于多核計算機實現并行潮流計 算的方法，其特征是在步驟2)的二級潮流調度的任務劃分釆用分塊協調的 并行計算機制。
全文摘要
本發明公開了一種電力網格中基于多核計算機實現并行潮流計算的方法，其通過兩級調度，一級調度實現潮流計算任務的劃分和協同，二級調度對運算任務進行細粒度劃分，在多核計算機環境中，可以利用多核并行地計算子任務，經過若干次迭代收斂后，運算結果由協調層收集輸出。本方法由于采用并行計算方法，并且最大限度利用了虛擬組織內的計算資源，所以運算速度更快，成本更低廉。
文檔編號G06F9/46GK101169743SQ20071019064
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月27日 優先權日2007年11月27日
發明者司春鋒, 琦 呂, 李文中, 昊 王, 陸桑璐, 陳道蓄 申請人:南京大學