专利名称：基于单机多核模式提速电网暂态稳定异步并行计算方法
技术领域：
本发明涉及一种异步并行计算方法，具体涉及基于单机多核模式提速电网暂态稳 定异步并行计算方法。
背景技术：
电力系统仿真是电力系统科研、规划、设计、建设、投运、运行、维护工作中最基本 的分析研究方法。电力系统仿真按不同的分类方法，存在多种不同表现类型，按仿真的实时 性来分析表现为离线和在线仿真，按实现仿真的手段来分表现为动态模拟、全数字模拟、数 模混合模拟仿真。按仿真模型描述的精细度和仿真步长的差异，可以表现为机电和电磁暂 态仿真。本发明涉及的是通过计算机进行的机电仿真分析。机电仿真一般分为稳态计算分析和暂态计算分析。稳态计算主要指针对研究电网 所建立的数字模型电网进行的潮流计算，是为其它计算和分析构建一个电网运行的基态， 表现为电网可能存在的一种运行状态。暂态稳定计算是通过对发电机、励磁系统、调试系 统、电力系统稳定器、静动态负荷、线路变压器等设备进行数字建模，通过对处于某种运行 状态的电网施加一定扰动进行计算，计算电网中所有发电机能否维持同步运行的过程。暂态稳定计算在电力系统规划和运行分析中是必不可少的分析手段，具有举足轻 重地位。它不仅为规划系统的电源布局及合理送出、通道布局及网络优化、无功补偿及电压 控制、保护配置及稳控措施的合理性提供电力系统暂态稳定性的校核，为电力系统安全稳 定可靠运行提供量化依据，而且可用于研究各种提高暂态稳定的措施，计算继电保护和自 动装置参数整定定值提供依据。在国内电力系统中，对于输电主网，采用的暂态稳定计算工具主要为中国电力科 学研究院开发的PSD-BPA和PSASP。这两者计算模式主要是通过设置单一的故障配合暂态 稳定数字模型进行单一的暂态稳定计算或建立简单的故障集实现单一方式的故障级联计 算。对于海量故障和多个运行方式的组合故障运算，采用了计算机群的并行计算方式。而电网的快速发展，新能源建设、新的电压等级出现、多种复杂交直流输电、微电 网运行、各种电力电子器件应用，导致电网暂态稳定计算分析的故障集、方式量呈暴增趋 势，而大量的计算分析往往并不只在固定的工作场所进行，大量的计算分析可能在建设现 场、调试现场、会议现场等，在每个海量故障计算现场都建立并行计算机群，是不现实的也 是不经济的，如何解决电网发展带来的海量故障快速计算问题，是一个现实的也是迫切需 要解决的问题。根据《PSD-BPA暂态稳定程序用户手册》所介绍的，典型的暂态稳定计算步骤如 下1)对仿真的目标电网进行收资，建立基本的设备参数和网络拓扑模型数据，利用 潮流程序建立目标电网基本的运行方式。2)收资目标电网机组、励磁、调试、PSS (电力系统稳定器)、线路变压器零序参数 等，建立基本的稳定模型参数，通过暂态稳定计算程序进行试算，保证暂态稳定模型数据的合理性和正确性。3)根据潮流模型中的参数信息，按一定的格式要求建立一个故障数据，故障数据 可以是母线故障、变压器故障、线路故障、直流故障，甚至是连锁故障。故障过程可以包括多 个过程，包括故障开始、故障消失、开关跳开、开关重回、开关再跳等。4)带故障进行暂态稳定计算，对计算结果进行稳定性判断分析，通过计算输出曲 线及计算输出数据进行电网特性分析。以上步骤适合于电网暂态稳定交互式计算，能实现单一故障形态的手工控制的暂 态稳定详细计算。但不能适应海量故障多方式下快速自动计算分析，没有利用计算多核处 理能力，对工程计算不同的应用方式缺少选择性支持。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的是利用计算机单机多核的强大处理能力，在不 改变暂态稳定计算程序本身及授权判断方式条件下，实现海量故障多方式作业的并行批量 计算，提高电网扰动计算分析速度，降低电网仿真分析劳动强度。通过预先建立好的多个 电网基础运行方式，由潮流计算程序对其进行预计算形成多个基础运行方式。潮流计算迭 代次数有限，计算速度非常快，且必须得到收敛的潮流运行方式后才能进行暂态稳定计算， 因此不用事先实施多个方式的潮流批量或并行计算，这里并不排除潮流自动调整技术突破 后，为得到基态运行方式所进行的大量潮流试算而采用并行计算方法。还必须依据建立的 潮流模型数据，按不同分析需求，依据指定的格式准备好海量故障集。此外，还需要根据电 网分析目的和分析详细程度，构建暂态稳定数字模型，且需要保证暂态稳定数字模型在无 故障扰动数据下计算正确合理。数据准备就绪后，依据本发明在单机上实现多运行方式下的海量故障集暂态稳定 提速异步并行计算。本发明提供的基于单机多核模式提速电网暂态稳定异步并行计算方法，其改进之 处在于所述方法包括如下步骤(1)确定电网仿真计算的基态运行方式，建立基态潮流水平相适应的电网暂态稳 定模型参数，并对需要研究的电网进行基态方式准备；按照分析目的的差异建立不同类别 故障集合，并调整电网暂态稳定模型；(2)确定基态潮流、故障集与暂态稳定模型对应关系，构建暂态稳定计算作业任务 组，以任务单元形式，形成全部分析目标的作业批量任务组，即作业任务批队列数据，作业 批队列按串行序列化模式执行，即按计算的优先等级依次形成暂态稳定计算关联数据对；(3)判断数据的完整性和有效性，开启暂态稳定作业计算；(4)将当前作业故障集数据分解为单一的故障数据队列；(5)按照指定的计算模式实施选定的故障集暂态稳定批量计算；(6)形成整个故障集的暂态稳定计算综合摘要报表；(7)全部暂态稳定计算作业完成后结束全部作业计算。本发明提供的第一优选方案的计算方法，其改进之处在于，所述完整性判断包括基态数据存在性、故障集数据的存在性、暂态模型数据的存 在；
所述有效性判断包括故障集合内单一故障的合理性和有效性判断。本发明提供的第二优选方案的计算方法，其改进之处在于，所述计算模式分为基本级联串行批量计算方式；带指定核数的并行批量计算模式；动态自动负载平衡计算模式。本发明提供的第三优选方案的计算方法，其改进之处在于，所述基本级联串行批 量计算方式的步骤如下(a)从所述步骤(4)分解得到的故障数据队列中取一组单一故障数据，与方式数 据、暂态稳定模型数据配对形成计算数据组；(b)用(a)计算数据组启动暂态稳定计算核；(c)暂态稳定计算结束后跳转到(e)；(d)对每次判断探测周期进行累计，并与设定的最大暂态稳定计算耗时阀值进行 比对，超过预先设定的阀值，就强行终止暂态稳定计算过程，并将强行操作过程记录在故障 计算结果中；其中，从步骤⑶到所有作业结束为一个总的探测时间段，在一个总的探测时 间段中根据作业量的多少分成若干个探测周期。(e)提取结果进行稳定性判断分析，判别为稳定结果，即一次故障计算完成，将相 关结论放置到结果列表中，退出本次故障计算；(f)提取故障数据队列数据项，当前计算作业内容中的故障已计算完成后，汇总本 次作业中所有计算结果，形成统计摘要，并退出本次作业计算。本发明提供的第四优选方案的计算方法，其改进之处在于，所述并行批量计算模 式步骤如下1)多核存在且设定值大于1，跳转到2)；2)根据指定的核数建立与之相等的数据队列；3)计算数据队列中存在空闲队列时，从所述步骤(4)分解得到的故障数据队列中 取一组单一故障数据填充到空闲数据队列中，指定被暂态稳定计算程序应用前一直保留在 队列中；4)所有队列已经填满数据，转入第5)步；5)指定的计算核有空置的计算核，从数据队列中取一组参数，在空闲的核上启动 暂态稳定计算过程，进行所取故障数据的暂态稳定计算；6)在一个探测周期内，当探测到暂态稳定计算结束，就立即启动结果解析过程，实 施电网事故计算结果进行归类分析，结果分析完成，即一个故障计算的完成，退出本次故障 计算，跳转到8)；7)所有并行的暂态稳定计算耗时时长超过指定的僵死限定阀值，强行终止超过阀 值的暂态稳定计算过程，跳转到8)；8)结束计算，立即释放占用的计算核和数据参数队列；9)填充并行数据队列过程中，当前故障作业还有未填充的故障数据，就将其填充 到空置的数据队列中；本发明提供的第五优选方案的计算方法，其改进之处在于，所述自动负载平衡计 算步骤为
I.根据指定的核数建立与之相等的数据队列；II.计算数据队列中存在空闲队列时，从所述步骤分解得到的故障数据队列 中取一组单一故障数据填充到空闲数据队列中，指定被暂态稳定计算程序应用前一直保留 在队列中；III.所有队列已经填满数据，转入第V步；IV.指定的计算核有空置的计算核，从数据队列中取一组参数，在空闲的核上根据 负载判断结果启动暂态稳定计算过程，进行所取故障数据的暂态稳定计算，动态负载判断 公式如下
权利要求
1.基于单机多核模式提速电网暂态稳定异步并行计算方法，其特征在于，所述方法包 括如下步骤(1)确定电网仿真计算的基态运行方式，建立基态潮流水平相适应的电网暂态稳定模 型参数，并对需要研究电网进行基态方式准备；按照分析目的的差异建立不同类别故障集 合，并调整电网暂态稳定模型；(2)确定基态潮流、故障集与暂态稳定模型对应关系，构建暂态稳定计算作业任务组， 以任务单元形式，形成全部分析目标的作业批量任务组，即作业任务批队列数据，作业批队 列按串行序列化模式执行，即按计算的优先等级依次形成暂态稳定计算关联数据对；(3)判断数据的完整性和有效性，开启暂态稳定作业计算；(4)将当前作业故障集数据分解为单一的故障数据队列；(5)按照指定的计算模式实施选定的故障集暂态稳定批量计算；(6)形成整个故障集的暂态稳定计算综合摘要报表；(7)全部暂态稳定计算作业完成后结束全部作业计算。
2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述完整性判断包括基态数据存在性、 故障集数据的存在性、暂态模型数据的存在；所述有效性判断包括故障集合内单一故障的合理性和有效性判断。
3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算模式分为基本级联串行批量计算方式；带指定核数的并行批量计算模式；动态自动负载平衡计算模式。
4.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述基本级联串行批量计算方式的步 骤如下(a)从所述步骤(4)分解得到的故障数据队列中取一组单一故障数据，与方式数据、暂 态稳定模型数据配对形成计算数据组；(b)用(a)计算数据组启动暂态稳定计算核；(c)暂态稳定计算结束后跳转到(e)；(d)对每次判断探测周期进行累计，并与设定的最大暂态稳定计算耗时阀值进行比对， 超过预先设定的阀值，就强行终止暂态稳定计算过程，并将强行操作过程记录在故障计算 结果中；(e)提取结果进行稳定性判断分析，判别为稳定结果，即一次故障计算完成，将相关结 论放置到结果列表中，退出本次故障计算；(f)提取故障数据队列数据项，当前计算作业内容中的故障已计算完成后，汇总本次作 业中所有计算结果，形成统计摘要，并退出本次作业计算。
5.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述并行批量计算模式步骤如下1)多核存在且设定值大于1，跳转到2)；2)根据指定的核数建立与之相等的数据队列；3)计算数据队列中存在空闲队列时，从所述步骤(4)分解得到的故障数据队列中取一 组单一故障数据填充到空闲数据队列中，指定被暂态稳定计算程序应用前一直保留在队列 中；4)所有队列已经填满数据，转入第幻步；5)指定的计算核有空置的计算核，从数据队列中取一组参数，在空闲的核上启动暂态 稳定计算过程，进行所取故障数据的暂态稳定计算；6)在探测周期内，当探测到暂态稳定计算结束，就立即启动结果解析过程，实施电网事 故计算结果进行归类分析，结果分析完成，即一个故障计算的完成，退出本次故障计算，跳 转到8)；7)所有并行的暂态稳定计算耗时时长超过指定的僵死限定阀值，强行终止超过阀值的 暂态稳定计算过程，跳转到8)；8)结束计算，立即释放占用的计算核和数据参数队列；9)填充并行数据队列过程中，当前故障作业还有未填充的故障数据，就将其填充到空 置的数据队列中；
6.如权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述自动负载平衡计算步骤为I.根据指定的核数建立与之相等的数据队列；II.计算数据队列中存在空闲队列时，从所述步骤(4)分解得到的故障数据队列中取 一组单一故障数据填充到空闲数据队列中，指定被暂态稳定计算程序应用前一直保留在队 列中；III.所有队列已经填满数据，转入第V步；IV.指定的计算核有空置的计算核，从数据队列中取一组参数，在空闲的核上根据负载 判断结果启动暂态稳定计算过程，进行所取故障数据的暂态稳定计算，动态负载判断公式 如下
7.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤O)的子步骤包括①选择计算收敛的基态方式数据；②选择用于暂态稳定计算的故障集合数据；③选择匹配于基态潮流方式的暂态稳定数据；④将①-③获得的数据信息整合为一个独立的计算作业Ti；⑤重复①-④过程，建立两个以上独立计算作业，按权重因子P对任务优先级进行排 序，形成计算优先序列，根据计算优先等级，布置计算任务的先后顺序；对于已经执行完成 的作业，将权重因子P置零，在新的作业开始执行时，将重新按权重因子P对任务排序，因已 经计算的作业权重因子P为0，被放置到降序末端；建立双队列管理权重因子，其中一个队列管理设置的权重因子，另一个用于管理计算 时的权重因子的变化。
8.如权利要求7所述的计算方法，其特征在于，所述步骤⑤中按照动态变化优先权重 系统，实现序列化级联批量运算作业的动态执行，其执行权重由双队列[Pl，P2，....， ？列向量控制，静态反应手工设定控制，动态反应执行和计算过程中对未计算作业的动态执行 顺序变更，对执行完成暂态稳定计算的动态系数Pi置零，对未执行的作业，在确定下一次作 业时，按列向量降序实现计算作业的冒泡选择。
9.如权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述步骤(c)中给出的暂态稳定计算结 束判断单次探测周期的时间设定为1秒。
全文摘要
本发明基于单机多核硬件架构提出了一种快速提升暂态稳定异步并行计算方法，包括(1)实现故障集合的批量、并行批量、自动负载平衡批量暂态稳定故障快速计算，对每一个故障计算结果实现稳定性判别分析，对全部故障集内故障计算结果实现统计分析报表；(2)实现暂态稳定作业的批量计算及分析；(3)提出暂态稳定批量计算防僵死方法，实现并行批量计算速度的过程控速方法，提出并实现暂态稳定交互计算与自动计算相混合实现技术方法。本发明不通过改动暂态稳定计算算法和实现形式，实现并行批量计算是基于任务解耦方式，实现海量故障计算并行计算的同时，保证暂态稳定计算本身的独立性，提高暂态稳定计算效率。
文档编号G06F9/38GK102073766SQ20111000461
公开日2011年5月25日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者侯俊贤, 冯静, 宋墩文, 李庆华, 李柏青, 杜三恩, 熊选文, 王英涛, 董毅峰, 赵晓彤, 陈勇, 马世英 申请人:中国电力科学研究院