专利名称：电力网格中基于多核计算机实现并行潮流计算的方法
技术领域：
本发明涉及到电力系统以及由电力设备组成的电力网格系统，特别涉及到 在电力系统中实现分级潮流调度方法和利用多核计算机来实现并行潮流计算的 方法。
背景技术：
电力网格是使用网格技术对现有的电力系统进行整合而形成的新系统。在
电力网格的运行需要研究电力系统稳态运行情况。给定电力系统的网络结构、
参数和决定电力系统运行状况的边界条件，确定电力系统稳态运行状态的方法
之一是潮流计算。从数学的角度来看，它可以归纳为求解一组非线性方程组， 并使其解答满足一定的约束条件。
早期使用的潮流计算方法是以导纳矩阵为基础的简单迭代法，这种方法原 理简单，内存需求较少，但算法收敛性极差。近年来，潮流问题算法的研究大
多数是围绕着改进牛顿法和P-Q分解法进行的。由于电力系统不断扩大和对计 算速度要求不断提高，计算机的并行计算技术也引起了研究人员的兴趣。目前 潮流计算的并行算法主要有基于分块法的潮流并行算法，基于多重因子化的潮 流并行算法，基于稀疏矢量技术的潮流并行算法和基于逆矩阵计算的潮流并行 算法等。
发明内容
本发明的目的是针对电力系统潮流计算的并行实现问题，提出了一种新的 分级潮流调度和利用多核计算机实现并行运算的方法，具有运算速度快，成本 低廉的特点。
本发明所述的电力网格中基于多核计算机实现并行潮流计算的方法，在电 力网格中，各电网计算节点即电力调度中心是以虚拟组织的形式组织成分层结 构的，虚拟组织内部可以实现资源的受控共享，每个虚拟组织有一个调度中心 负责总体管理和控制，各调度中心之间组织成更高层次的虚拟组织，从而形成 了层次式的资源共享框架。本发明所提出的并行潮流计算方法的特征在于包括
以下步骤
l)一级调度按照各虚拟组织进行潮流计算任务划分，划分后的任务通过
调度到各虚拟组织上同时进行计算，并由上级的虚拟组织作为协调层进行协调； 2) 二级调度每个虚拟组织将分配的计算任务再划分到虚拟组织内部的多
核计算机上进行计算，求解潮流计算任务的主要步骤是矩阵乘法，多核计算机
通过矩阵分块，将矩阵乘法分到多个核上并行运算，经过若干次迭代收敛后，
运算结果由协调层收集输出。
上述步骤1)根据潮流计算任务划分出N个节点的电力网络，如果网络结
构和网络元件参数已知，则网络方程可用下式表示
式中Y是NXN阶节点导纳矩阵，^为NX1维节点电压列矢量，/是NX1维
节点注入电流列矢量。
上述步骤2)的二级潮流调度的任务划分可以釆用分块协调的并行计算机制。
本发明提出了一种分级调度的并行潮流计算方法，通过两级调度， 一级调 度实现潮流计算任务的划分和协同，二级调度对运算任务进行细粒度划分，在 多核计算机环境中，可以利用多核并行地计算子任务。经过若干次迭代收敛后， 运算结果由协调层收集输出。本方法由于采用并行计算方法，并且最大限度利 用了虚拟组织内的计算资源，所以运算速度更快，成本更低廉。
图l是电力网格的组成结构；
图2是电力网格的层次式虚拟组织结构；
图3是分级潮流调度方法的流程图。
具体实施例方式
电力网格是使用网格技术对现有的电力系统进行整合而形成的新系统。图 1显示了一个电力网格的组成结构，广义上来说它包含原来电力系统的一切硬 件和软件资源，给人们呈现的是一个"虚拟的大电网"。狭义上则指通过电力 网格软件相互连结起来协同工作的多个电网调度中心的计算机系统，它们对外 呈现的是一台"虚拟的超级计算机"。
电力网格需要解决的一个最重要的问题是如何集成和整合现有的分散于各 地的电力系统的数据和计算资源。为了实现受控的资源共享，网格中提出了虚拟组织(Virtual Organization,简称V0)的概念。虚拟组织是多个分布的个 体和组织的集合，其目的是以一种协同的方式共享和使用多种多样的资源。所 有共享主体都可以看作资源，并以虚拟组织的形式进行管理和整合。共享资源 可以以不同的身份同时加入不同的虚拟组织，也可以随时退出， 一个虚拟组织 可以跨越企业边界包含在物理上属于不同的组织的资源。
图2显示了一个电力网格的层次式虚拟组织结构。电力系统是"分级管理 、分层控制、分布处理"的体系，可以用分层的形式来划分虚拟组织。根据电 网分布的地域特征、电网的电气特点等将电网划分为多个子网，各子网有一个 资源注册和发现中心，网格用户可以向该中心注册自己拥有的资源，也可以通 过该中心查找和发现其它用户共享的资源。而资源中心同时可以隶属于上一层 的虚拟组织，形成了层次式的电力网格资源集成框架。图2显示了一个由两层 虚拟组织构成的电力网格，多个子电网各自组成多个虚拟组织(如VO-Bl、 V0-B2 和V0-B3)，在虚拟组织内部共享数据和其他资源。资源中心和资源中心可以联 合起来形成更高层次的虚拟资源视图(如V0-A)，实现更广域的资源共享。
潮流计算从数学的角度来看，可以归纳为求解一组非线性方程组。对于N 个节点的电力网络，如果网络结构和网络元件参数已知，则网络方程可用下式 表示。
7[> = / (1) 式中Y是NXN阶节点导纳矩阵，t/为NX1维节点电压列矢量，/是NX1维 节点注入电流列矢量。
为了实现并行计算，需要对网络进行分块，将一个大网络划分为若干子系 统分别进行并行运算。由于导纳矩阵是一个对称的稀疏矩阵，通过合理的节点 排序，可以将Y写成对角加边形式<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
其中，^称为边界变量或协调变量，如果&己知，则子系统i的电压ti,可
由下式求出
=/, i=l, 2，…，K (3)
而协调变量f^由 求出，其中
<formula>formula see original document page 6</formula>(4)
<formula>formula see original document page 6</formula>(5)
<formula>formula see original document page 6</formula>(6)
式中，A^V是将子系统i化简到边界节点后的导纳矩阵，它可以一个子系统-
个子系统地分别计算，这种计算可以同时进行。A/纟是子系统中的电流移置到 边界后的等值电流。A",.和A/纟都是可以每个子系统各自独立同时地进行计算， 各子系统之间没有影响。
为了实现并行潮流计算，需要研究如何对电网进行合理的分块和协调，以 充分发挥并行计算的效率，并使计算过程尽快地收敛。在电力网格中，本发明 把如何对潮流方程进行分块，如何进行任务分配和调度，如何协同计算并收集 结果等问题称为电力网格的潮流调度问题。为了解决潮流调度问题，本发明提 出以下分级潮流调度方案。
在电力网格中，各电网计算节点是以V0的形式组织成分层结构的，V0内 部可以实现资源的受控共享，每个VO有一个调度中心负责总体管理和控制，调 度中心和调度中心之间组织成更高层次的VO，从而形成层次式的资源共享框架， 对用户看来就像是一台超级计算机。在电力网格中，各子网经过整合形成一个 "虚拟大电网"，可以对"虚拟大电网"按照目前各电力调度中心的管辖范围自 然划分，也就是按照VO进行划分，这样，潮流计算任务就可以调度到各VO上 同时进行计算，由上级的VO作为协调层进行协调。对于每个V0来说，只需要 利用本V0的信息，计算一个潮流方程的子问题。这是一种粗粒度的任务划分， 称为一级潮流调度。
由于VO—般是按照地域范围来进行划分的，这样会带来两个问题(l)在 每个V0内，子问题的规模可能仍然很大，采用集中式计算的话对服务器的性能 要求很高；(2) V0和V0之间的范围大小是不相同的，因此经过粗粒度划分的 任务的计算量也是有大有小，如果用单机进行计算，会导致计算任务有的算得 很快，有的算得很慢，由于需要协调，算得慢的机器会成为系统的瓶颈。为了 解决这两个问题，本发明考虑在VO内部进行更细粒度的并行任务划分，并称这 种细粒度任务划分为二级潮流调度。每个V0内部可能会存在多个共享的计算 资源，可以充分利用其计算能力，而且在电力网络中，局域网往往是千兆的高 速网络，数据通信的开销很小。二级潮流调度的任务划分可以使用与一级潮流 调度类似的分块协调的并行计算机制，也可以使用其他矩阵方程的并行算法。 图3显示了一个分级潮流调度的方法。
经过二级调度后，计算任务被分到若干台计算机上去运行，每台机器解一 个或多个矩阵方程。为了加快运算速度，我们使用多核计算机来执行这些计算 任务。求解矩阵方程的主要步骤是矩阵乘法，多核计算机可以通过矩阵分块， 将矩阵乘法分到多个核上并行运算，提供比单核运算更快的速度。以IBM的 Cell处理器为例，它含有8个核，我们可以设计一种矩阵分块乘法，可以在8 个核上并行运算。例如，计算A:BXC， A，B，C都是nXn的矩阵，我们可以将每 个矩阵划分为4个(n/2) X (n/2)的子矩阵
<formula>formula see original document page 7</formula>
这样， 一个矩阵相乘的问题被分成了 8个子矩阵相乘的问题，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,将它们分到8个核上运行，最后汇总结果。
综上所述，本发明的核心是潮流计算的分级调度方法，和潮流计算在多核 计算机中实现并行运算的方法。
权利要求
1、一种电力网格中基于多核计算机实现并行潮流计算的方法，在电力网格中，各电网计算节点即电力调度中心是以虚拟组织的形式组织成分层结构的，虚拟组织内部可以实现资源的受控共享，每个虚拟组织有一个调度中心负责总体管理和控制，各调度中心之间组织成更高层次的虚拟组织，从而形成了层次式的资源共享框架，为了实现并行潮流计算，需要在各计算节点之间实现调度和协同，其特征包括以下步骤1)一级调度按照各虚拟组织进行潮流计算任务划分，划分后的任务通过调度到各虚拟组织上同时进行计算，并由上级的虚拟组织作为协调层进行协调；2)二级调度每个虚拟组织将分配的计算任务再划分到虚拟组织内部的多核计算机上进行计算，求解潮流计算任务的主要步骤是矩阵乘法，多核计算机通过矩阵分块，将矩阵乘法分到多个核上并行运算，经过若干次迭代收敛后，运算结果由协调层收集输出。
2、 根据权利要求1所述的电力网格中基于多核计算机实现并行潮流计算的 方法，其特征是在步骤1)根据潮流计算任务划分出N个节点的电力网络， 如果网络结构和网络元件参数已知，则网络方程可用下式表示式中Y是NXN阶节点导纳矩阵，f)为NXl维节点电压列矢量，/是NX1维节点注入电流列矢量。
3、 根据权利要求1或2所述的电力网格中基于多核计算机实现并行潮流计 算的方法，其特征是在步骤2)的二级潮流调度的任务划分釆用分块协调的 并行计算机制。
全文摘要
本发明公开了一种电力网格中基于多核计算机实现并行潮流计算的方法，其通过两级调度，一级调度实现潮流计算任务的划分和协同，二级调度对运算任务进行细粒度划分，在多核计算机环境中，可以利用多核并行地计算子任务，经过若干次迭代收敛后，运算结果由协调层收集输出。本方法由于采用并行计算方法，并且最大限度利用了虚拟组织内的计算资源，所以运算速度更快，成本更低廉。
文档编号G06F9/46GK101169743SQ20071019064
公开日2008年4月30日 申请日期2007年11月27日 优先权日2007年11月27日
发明者司春锋, 琦 吕, 李文中, 昊 王, 陆桑璐, 陈道蓄 申请人:南京大学