專利名稱：基于單機多核模式提速電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定異步并行計算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種異步并行計算方法，具體涉及基于單機多核模式提速電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn) 定異步并行計算方法。
背景技術：
電力系統(tǒng)仿真是電力系統(tǒng)科研、規(guī)劃、設計、建設、投運、運行、維護工作中最基本 的分析研究方法。電力系統(tǒng)仿真按不同的分類方法，存在多種不同表現(xiàn)類型，按仿真的實時 性來分析表現(xiàn)為離線和在線仿真，按實現(xiàn)仿真的手段來分表現(xiàn)為動態(tài)模擬、全數(shù)字模擬、數(shù) ?；旌夏M仿真。按仿真模型描述的精細度和仿真步長的差異，可以表現(xiàn)為機電和電磁暫 態(tài)仿真。本發(fā)明涉及的是通過計算機進行的機電仿真分析。機電仿真一般分為穩(wěn)態(tài)計算分析和暫態(tài)計算分析。穩(wěn)態(tài)計算主要指針對研究電網(wǎng) 所建立的數(shù)字模型電網(wǎng)進行的潮流計算，是為其它計算和分析構建一個電網(wǎng)運行的基態(tài)， 表現(xiàn)為電網(wǎng)可能存在的一種運行狀態(tài)。暫態(tài)穩(wěn)定計算是通過對發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、調(diào)試系 統(tǒng)、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、靜動態(tài)負荷、線路變壓器等設備進行數(shù)字建模，通過對處于某種運行 狀態(tài)的電網(wǎng)施加一定擾動進行計算，計算電網(wǎng)中所有發(fā)電機能否維持同步運行的過程。暫態(tài)穩(wěn)定計算在電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行分析中是必不可少的分析手段，具有舉足輕 重地位。它不僅為規(guī)劃系統(tǒng)的電源布局及合理送出、通道布局及網(wǎng)絡優(yōu)化、無功補償及電壓 控制、保護配置及穩(wěn)控措施的合理性提供電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的校核，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn) 定可靠運行提供量化依據(jù)，而且可用于研究各種提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施，計算繼電保護和自 動裝置參數(shù)整定定值提供依據(jù)。在國內(nèi)電力系統(tǒng)中，對于輸電主網(wǎng)，采用的暫態(tài)穩(wěn)定計算工具主要為中國電力科 學研究院開發(fā)的PSD-BPA和PSASP。這兩者計算模式主要是通過設置單一的故障配合暫態(tài) 穩(wěn)定數(shù)字模型進行單一的暫態(tài)穩(wěn)定計算或建立簡單的故障集實現(xiàn)單一方式的故障級聯(lián)計 算。對于海量故障和多個運行方式的組合故障運算，采用了計算機群的并行計算方式。而電網(wǎng)的快速發(fā)展，新能源建設、新的電壓等級出現(xiàn)、多種復雜交直流輸電、微電 網(wǎng)運行、各種電力電子器件應用，導致電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定計算分析的故障集、方式量呈暴增趨 勢，而大量的計算分析往往并不只在固定的工作場所進行，大量的計算分析可能在建設現(xiàn) 場、調(diào)試現(xiàn)場、會議現(xiàn)場等，在每個海量故障計算現(xiàn)場都建立并行計算機群，是不現(xiàn)實的也 是不經(jīng)濟的，如何解決電網(wǎng)發(fā)展帶來的海量故障快速計算問題，是一個現(xiàn)實的也是迫切需 要解決的問題。根據(jù)《PSD-BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序用戶手冊》所介紹的，典型的暫態(tài)穩(wěn)定計算步驟如 下1)對仿真的目標電網(wǎng)進行收資，建立基本的設備參數(shù)和網(wǎng)絡拓撲模型數(shù)據(jù)，利用 潮流程序建立目標電網(wǎng)基本的運行方式。2)收資目標電網(wǎng)機組、勵磁、調(diào)試、PSS (電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)、線路變壓器零序參數(shù) 等，建立基本的穩(wěn)定模型參數(shù)，通過暫態(tài)穩(wěn)定計算程序進行試算，保證暫態(tài)穩(wěn)定模型數(shù)據(jù)的合理性和正確性。3)根據(jù)潮流模型中的參數(shù)信息，按一定的格式要求建立一個故障數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù) 可以是母線故障、變壓器故障、線路故障、直流故障，甚至是連鎖故障。故障過程可以包括多 個過程，包括故障開始、故障消失、開關跳開、開關重回、開關再跳等。4)帶故障進行暫態(tài)穩(wěn)定計算，對計算結果進行穩(wěn)定性判斷分析，通過計算輸出曲 線及計算輸出數(shù)據(jù)進行電網(wǎng)特性分析。以上步驟適合于電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定交互式計算，能實現(xiàn)單一故障形態(tài)的手工控制的暫 態(tài)穩(wěn)定詳細計算。但不能適應海量故障多方式下快速自動計算分析，沒有利用計算多核處 理能力，對工程計算不同的應用方式缺少選擇性支持。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明目的是利用計算機單機多核的強大處理能力，在不 改變暫態(tài)穩(wěn)定計算程序本身及授權判斷方式條件下，實現(xiàn)海量故障多方式作業(yè)的并行批量 計算，提高電網(wǎng)擾動計算分析速度，降低電網(wǎng)仿真分析勞動強度。通過預先建立好的多個 電網(wǎng)基礎運行方式，由潮流計算程序?qū)ζ溥M行預計算形成多個基礎運行方式。潮流計算迭 代次數(shù)有限，計算速度非?？?，且必須得到收斂的潮流運行方式后才能進行暫態(tài)穩(wěn)定計算， 因此不用事先實施多個方式的潮流批量或并行計算，這里并不排除潮流自動調(diào)整技術突破 后，為得到基態(tài)運行方式所進行的大量潮流試算而采用并行計算方法。還必須依據(jù)建立的 潮流模型數(shù)據(jù)，按不同分析需求，依據(jù)指定的格式準備好海量故障集。此外，還需要根據(jù)電 網(wǎng)分析目的和分析詳細程度，構建暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)字模型，且需要保證暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)字模型在無 故障擾動數(shù)據(jù)下計算正確合理。數(shù)據(jù)準備就緒后，依據(jù)本發(fā)明在單機上實現(xiàn)多運行方式下的海量故障集暫態(tài)穩(wěn)定 提速異步并行計算。本發(fā)明提供的基于單機多核模式提速電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定異步并行計算方法，其改進之 處在于所述方法包括如下步驟(1)確定電網(wǎng)仿真計算的基態(tài)運行方式，建立基態(tài)潮流水平相適應的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn) 定模型參數(shù)，并對需要研究的電網(wǎng)進行基態(tài)方式準備；按照分析目的的差異建立不同類別 故障集合，并調(diào)整電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定模型；(2)確定基態(tài)潮流、故障集與暫態(tài)穩(wěn)定模型對應關系，構建暫態(tài)穩(wěn)定計算作業(yè)任務 組，以任務單元形式，形成全部分析目標的作業(yè)批量任務組，即作業(yè)任務批隊列數(shù)據(jù)，作業(yè) 批隊列按串行序列化模式執(zhí)行，即按計算的優(yōu)先等級依次形成暫態(tài)穩(wěn)定計算關聯(lián)數(shù)據(jù)對；(3)判斷數(shù)據(jù)的完整性和有效性，開啟暫態(tài)穩(wěn)定作業(yè)計算；(4)將當前作業(yè)故障集數(shù)據(jù)分解為單一的故障數(shù)據(jù)隊列；(5)按照指定的計算模式實施選定的故障集暫態(tài)穩(wěn)定批量計算；(6)形成整個故障集的暫態(tài)穩(wěn)定計算綜合摘要報表；(7)全部暫態(tài)穩(wěn)定計算作業(yè)完成后結束全部作業(yè)計算。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的計算方法，其改進之處在于，所述完整性判斷包括基態(tài)數(shù)據(jù)存在性、故障集數(shù)據(jù)的存在性、暫態(tài)模型數(shù)據(jù)的存 在；
所述有效性判斷包括故障集合內(nèi)單一故障的合理性和有效性判斷。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的計算方法，其改進之處在于，所述計算模式分為基本級聯(lián)串行批量計算方式；帶指定核數(shù)的并行批量計算模式；動態(tài)自動負載平衡計算模式。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的計算方法，其改進之處在于，所述基本級聯(lián)串行批 量計算方式的步驟如下(a)從所述步驟(4)分解得到的故障數(shù)據(jù)隊列中取一組單一故障數(shù)據(jù)，與方式數(shù) 據(jù)、暫態(tài)穩(wěn)定模型數(shù)據(jù)配對形成計算數(shù)據(jù)組；(b)用(a)計算數(shù)據(jù)組啟動暫態(tài)穩(wěn)定計算核；(c)暫態(tài)穩(wěn)定計算結束后跳轉(zhuǎn)到(e)；(d)對每次判斷探測周期進行累計，并與設定的最大暫態(tài)穩(wěn)定計算耗時閥值進行 比對，超過預先設定的閥值，就強行終止暫態(tài)穩(wěn)定計算過程，并將強行操作過程記錄在故障 計算結果中；其中，從步驟⑶到所有作業(yè)結束為一個總的探測時間段，在一個總的探測時 間段中根據(jù)作業(yè)量的多少分成若干個探測周期。(e)提取結果進行穩(wěn)定性判斷分析，判別為穩(wěn)定結果，即一次故障計算完成，將相 關結論放置到結果列表中，退出本次故障計算；(f)提取故障數(shù)據(jù)隊列數(shù)據(jù)項，當前計算作業(yè)內(nèi)容中的故障已計算完成后，匯總本 次作業(yè)中所有計算結果，形成統(tǒng)計摘要，并退出本次作業(yè)計算。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選方案的計算方法，其改進之處在于，所述并行批量計算模 式步驟如下1)多核存在且設定值大于1，跳轉(zhuǎn)到2)；2)根據(jù)指定的核數(shù)建立與之相等的數(shù)據(jù)隊列；3)計算數(shù)據(jù)隊列中存在空閑隊列時，從所述步驟(4)分解得到的故障數(shù)據(jù)隊列中 取一組單一故障數(shù)據(jù)填充到空閑數(shù)據(jù)隊列中，指定被暫態(tài)穩(wěn)定計算程序應用前一直保留在 隊列中；4)所有隊列已經(jīng)填滿數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入第5)步；5)指定的計算核有空置的計算核，從數(shù)據(jù)隊列中取一組參數(shù)，在空閑的核上啟動 暫態(tài)穩(wěn)定計算過程，進行所取故障數(shù)據(jù)的暫態(tài)穩(wěn)定計算；6)在一個探測周期內(nèi)，當探測到暫態(tài)穩(wěn)定計算結束，就立即啟動結果解析過程，實 施電網(wǎng)事故計算結果進行歸類分析，結果分析完成，即一個故障計算的完成，退出本次故障 計算，跳轉(zhuǎn)到8)；7)所有并行的暫態(tài)穩(wěn)定計算耗時時長超過指定的僵死限定閥值，強行終止超過閥 值的暫態(tài)穩(wěn)定計算過程，跳轉(zhuǎn)到8)；8)結束計算，立即釋放占用的計算核和數(shù)據(jù)參數(shù)隊列；9)填充并行數(shù)據(jù)隊列過程中，當前故障作業(yè)還有未填充的故障數(shù)據(jù)，就將其填充 到空置的數(shù)據(jù)隊列中；本發(fā)明提供的第五優(yōu)選方案的計算方法，其改進之處在于，所述自動負載平衡計 算步驟為
I.根據(jù)指定的核數(shù)建立與之相等的數(shù)據(jù)隊列；II.計算數(shù)據(jù)隊列中存在空閑隊列時，從所述步驟分解得到的故障數(shù)據(jù)隊列 中取一組單一故障數(shù)據(jù)填充到空閑數(shù)據(jù)隊列中，指定被暫態(tài)穩(wěn)定計算程序應用前一直保留 在隊列中；III.所有隊列已經(jīng)填滿數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入第V步；IV.指定的計算核有空置的計算核，從數(shù)據(jù)隊列中取一組參數(shù)，在空閑的核上根據(jù) 負載判斷結果啟動暫態(tài)穩(wěn)定計算過程，進行所取故障數(shù)據(jù)的暫態(tài)穩(wěn)定計算，動態(tài)負載判斷 公式如下
權利要求
1.基于單機多核模式提速電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定異步并行計算方法，其特征在于，所述方法包 括如下步驟(1)確定電網(wǎng)仿真計算的基態(tài)運行方式，建立基態(tài)潮流水平相適應的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定模 型參數(shù)，并對需要研究電網(wǎng)進行基態(tài)方式準備；按照分析目的的差異建立不同類別故障集 合，并調(diào)整電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定模型；(2)確定基態(tài)潮流、故障集與暫態(tài)穩(wěn)定模型對應關系，構建暫態(tài)穩(wěn)定計算作業(yè)任務組， 以任務單元形式，形成全部分析目標的作業(yè)批量任務組，即作業(yè)任務批隊列數(shù)據(jù)，作業(yè)批隊 列按串行序列化模式執(zhí)行，即按計算的優(yōu)先等級依次形成暫態(tài)穩(wěn)定計算關聯(lián)數(shù)據(jù)對；(3)判斷數(shù)據(jù)的完整性和有效性，開啟暫態(tài)穩(wěn)定作業(yè)計算；(4)將當前作業(yè)故障集數(shù)據(jù)分解為單一的故障數(shù)據(jù)隊列；(5)按照指定的計算模式實施選定的故障集暫態(tài)穩(wěn)定批量計算；(6)形成整個故障集的暫態(tài)穩(wěn)定計算綜合摘要報表；(7)全部暫態(tài)穩(wěn)定計算作業(yè)完成后結束全部作業(yè)計算。
2.如權利要求1所述的計算方法，其特征在于，所述完整性判斷包括基態(tài)數(shù)據(jù)存在性、 故障集數(shù)據(jù)的存在性、暫態(tài)模型數(shù)據(jù)的存在；所述有效性判斷包括故障集合內(nèi)單一故障的合理性和有效性判斷。
3.如權利要求1所述的計算方法，其特征在于，所述計算模式分為基本級聯(lián)串行批量計算方式；帶指定核數(shù)的并行批量計算模式；動態(tài)自動負載平衡計算模式。
4.如權利要求3所述的計算方法，其特征在于，所述基本級聯(lián)串行批量計算方式的步 驟如下(a)從所述步驟(4)分解得到的故障數(shù)據(jù)隊列中取一組單一故障數(shù)據(jù)，與方式數(shù)據(jù)、暫 態(tài)穩(wěn)定模型數(shù)據(jù)配對形成計算數(shù)據(jù)組；(b)用(a)計算數(shù)據(jù)組啟動暫態(tài)穩(wěn)定計算核；(c)暫態(tài)穩(wěn)定計算結束后跳轉(zhuǎn)到(e)；(d)對每次判斷探測周期進行累計，并與設定的最大暫態(tài)穩(wěn)定計算耗時閥值進行比對， 超過預先設定的閥值，就強行終止暫態(tài)穩(wěn)定計算過程，并將強行操作過程記錄在故障計算 結果中；(e)提取結果進行穩(wěn)定性判斷分析，判別為穩(wěn)定結果，即一次故障計算完成，將相關結 論放置到結果列表中，退出本次故障計算；(f)提取故障數(shù)據(jù)隊列數(shù)據(jù)項，當前計算作業(yè)內(nèi)容中的故障已計算完成后，匯總本次作 業(yè)中所有計算結果，形成統(tǒng)計摘要，并退出本次作業(yè)計算。
5.如權利要求3所述的計算方法，其特征在于，所述并行批量計算模式步驟如下1)多核存在且設定值大于1，跳轉(zhuǎn)到2)；2)根據(jù)指定的核數(shù)建立與之相等的數(shù)據(jù)隊列；3)計算數(shù)據(jù)隊列中存在空閑隊列時，從所述步驟(4)分解得到的故障數(shù)據(jù)隊列中取一 組單一故障數(shù)據(jù)填充到空閑數(shù)據(jù)隊列中，指定被暫態(tài)穩(wěn)定計算程序應用前一直保留在隊列 中；4)所有隊列已經(jīng)填滿數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入第幻步；5)指定的計算核有空置的計算核，從數(shù)據(jù)隊列中取一組參數(shù)，在空閑的核上啟動暫態(tài) 穩(wěn)定計算過程，進行所取故障數(shù)據(jù)的暫態(tài)穩(wěn)定計算；6)在探測周期內(nèi)，當探測到暫態(tài)穩(wěn)定計算結束，就立即啟動結果解析過程，實施電網(wǎng)事 故計算結果進行歸類分析，結果分析完成，即一個故障計算的完成，退出本次故障計算，跳 轉(zhuǎn)到8)；7)所有并行的暫態(tài)穩(wěn)定計算耗時時長超過指定的僵死限定閥值，強行終止超過閥值的 暫態(tài)穩(wěn)定計算過程，跳轉(zhuǎn)到8)；8)結束計算，立即釋放占用的計算核和數(shù)據(jù)參數(shù)隊列；9)填充并行數(shù)據(jù)隊列過程中，當前故障作業(yè)還有未填充的故障數(shù)據(jù)，就將其填充到空 置的數(shù)據(jù)隊列中；
6.如權利要求3所述的計算方法，其特征在于，所述自動負載平衡計算步驟為I.根據(jù)指定的核數(shù)建立與之相等的數(shù)據(jù)隊列；II.計算數(shù)據(jù)隊列中存在空閑隊列時，從所述步驟(4)分解得到的故障數(shù)據(jù)隊列中取 一組單一故障數(shù)據(jù)填充到空閑數(shù)據(jù)隊列中，指定被暫態(tài)穩(wěn)定計算程序應用前一直保留在隊 列中；III.所有隊列已經(jīng)填滿數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入第V步；IV.指定的計算核有空置的計算核，從數(shù)據(jù)隊列中取一組參數(shù)，在空閑的核上根據(jù)負載 判斷結果啟動暫態(tài)穩(wěn)定計算過程，進行所取故障數(shù)據(jù)的暫態(tài)穩(wěn)定計算，動態(tài)負載判斷公式 如下
7.如權利要求1所述的計算方法，其特征在于，所述步驟O)的子步驟包括①選擇計算收斂的基態(tài)方式數(shù)據(jù)；②選擇用于暫態(tài)穩(wěn)定計算的故障集合數(shù)據(jù)；③選擇匹配于基態(tài)潮流方式的暫態(tài)穩(wěn)定數(shù)據(jù)；④將①-③獲得的數(shù)據(jù)信息整合為一個獨立的計算作業(yè)Ti；⑤重復①-④過程，建立兩個以上獨立計算作業(yè)，按權重因子P對任務優(yōu)先級進行排 序，形成計算優(yōu)先序列，根據(jù)計算優(yōu)先等級，布置計算任務的先后順序；對于已經(jīng)執(zhí)行完成 的作業(yè)，將權重因子P置零，在新的作業(yè)開始執(zhí)行時，將重新按權重因子P對任務排序，因已 經(jīng)計算的作業(yè)權重因子P為0，被放置到降序末端；建立雙隊列管理權重因子，其中一個隊列管理設置的權重因子，另一個用于管理計算 時的權重因子的變化。
8.如權利要求7所述的計算方法，其特征在于，所述步驟⑤中按照動態(tài)變化優(yōu)先權重 系統(tǒng)，實現(xiàn)序列化級聯(lián)批量運算作業(yè)的動態(tài)執(zhí)行，其執(zhí)行權重由雙隊列[Pl，P2，....， ？列向量控制，靜態(tài)反應手工設定控制，動態(tài)反應執(zhí)行和計算過程中對未計算作業(yè)的動態(tài)執(zhí)行 順序變更，對執(zhí)行完成暫態(tài)穩(wěn)定計算的動態(tài)系數(shù)Pi置零，對未執(zhí)行的作業(yè)，在確定下一次作 業(yè)時，按列向量降序?qū)崿F(xiàn)計算作業(yè)的冒泡選擇。
9.如權利要求4所述的計算方法，其特征在于，所述步驟(c)中給出的暫態(tài)穩(wěn)定計算結 束判斷單次探測周期的時間設定為1秒。
全文摘要
本發(fā)明基于單機多核硬件架構提出了一種快速提升暫態(tài)穩(wěn)定異步并行計算方法，包括(1)實現(xiàn)故障集合的批量、并行批量、自動負載平衡批量暫態(tài)穩(wěn)定故障快速計算，對每一個故障計算結果實現(xiàn)穩(wěn)定性判別分析，對全部故障集內(nèi)故障計算結果實現(xiàn)統(tǒng)計分析報表；(2)實現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定作業(yè)的批量計算及分析；(3)提出暫態(tài)穩(wěn)定批量計算防僵死方法，實現(xiàn)并行批量計算速度的過程控速方法，提出并實現(xiàn)暫態(tài)穩(wěn)定交互計算與自動計算相混合實現(xiàn)技術方法。本發(fā)明不通過改動暫態(tài)穩(wěn)定計算算法和實現(xiàn)形式，實現(xiàn)并行批量計算是基于任務解耦方式，實現(xiàn)海量故障計算并行計算的同時，保證暫態(tài)穩(wěn)定計算本身的獨立性，提高暫態(tài)穩(wěn)定計算效率。
文檔編號G06F9/38GK102073766SQ20111000461
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權日2011年1月11日
發(fā)明者侯俊賢, 馮靜, 宋墩文, 李慶華, 李柏青, 杜三恩, 熊選文, 王英濤, 董毅峰, 趙曉彤, 陳勇, 馬世英 申請人:中國電力科學研究院