大規(guī)模電力系統(tǒng)并行處理技術及可靠性評估Web計算系統(tǒng)研究.pdf

1、本文受到教育部211工程項目“大電力系統(tǒng)可靠性并行分析系統(tǒng)研究”課題的資助。論文對電力系統(tǒng)并行處理技術，特別是當前尚未取得實質(zhì)性進展的前沿性課題——大電力系統(tǒng)可靠性并行計算模型，進行了深入的研究。 論文以Linux+MPI和COTS模式構建高性能價格比的Beowulf集群平臺處理電力系統(tǒng)并行求解問題。接著基于Krylov子空間方法理論，提出一種新的適應電力網(wǎng)絡矩陣求解的預條件處理技術，結合PCG迭代有效降低了大規(guī)模電力系統(tǒng)高維稀

2、疏線性方程求解的計算復雜度，并基于Beowulf集群和MPI編程模型將其運用到并行求解大規(guī)模電力潮流、狀態(tài)估計以及電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析問題中。然后，針對大電力系統(tǒng)可靠性評估問題，提出兩種Monte-Carlo并行仿真模型，建立配合收斂控制的異步化模擬過程，設計消息傳遞編程模型下的粗粒度算法，并對算法近似線性的加速性能作出理論分析，通過MPI編程在Beowulf集群上實現(xiàn)了大電力系統(tǒng)可靠性評估的快速并行計算，利用并行處理技術成功緩解了大電

3、力系統(tǒng)可靠性評估的“計算災”。最后，以大電力系統(tǒng)可靠性評估并行程序為核心，建立基于B/S三層模型的Web計算系統(tǒng)基本結構，提出對應的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫設計和計算模塊裝載模型，開發(fā)出大電力系統(tǒng)可靠性評估Web計算系統(tǒng)，以Web Service的形式實現(xiàn)了大電力系統(tǒng)可靠性評估的Internet在線計算。 論文研究的具體內(nèi)容如下： (1) 以OpenSource的Linux+MPI和COTS模式構建了高性能價格比的Beowulf集群平

4、臺處理電力系統(tǒng)并行求解問題?；谧钚碌腎T技術，以實際的構建過程為例，詳細分析了電力系統(tǒng)Beowulf計算集群的基本體系結構，從硬件、網(wǎng)絡和軟件三個方面解析其高性價比的構建技術。同時，運用基準測試程序(LinPACK、NPB和PMB)對這一高性能計算平臺進行測試，顯示該平臺高效的并行計算性能，以及對程序可移植性的良好支持。論文介紹的基于集群技術構建的電力系統(tǒng)高性能計算平臺為進行大規(guī)模電力系統(tǒng)快速、詳細的并行仿真計算奠定了基礎。

5、(2) 研究了預條件處理的Krylov子空間方法求解大規(guī)模電力系統(tǒng)方程的問題。采用PCG迭代法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LU直接法對高維稀疏潮流方程進行求解，并詳細比較各種預條件處理技術對CG法潮流方程求解的效果。結合電網(wǎng)絡矩陣求解的特點，提出一種新的節(jié)點優(yōu)化排序的Incomplete Cholesky預處理方法，通過對電網(wǎng)絡矩陣條件數(shù)的明顯改變，有效降低了CG迭代次數(shù)。實驗分析證明它是CG法快速求解潮流的一種高效的預處理方法。對IEEE30、IEEE

6、118和多個合成的大規(guī)模電力系統(tǒng)進行潮流計算，結果表明這種預處理比其它的預處理需要更少的迭代次數(shù)和浮點運算次數(shù)，對超大規(guī)模電力系統(tǒng)的潮流問題也比傳統(tǒng)LU直接法更具速度和存儲優(yōu)勢。在電力系統(tǒng)互聯(lián)程度的不斷增加使其潮流計算面臨大規(guī)模甚至超大規(guī)模計算壓力時，論文中的方法能夠成為傳統(tǒng)方法的一個替代。 (3) 將大規(guī)模電力系統(tǒng)方程PCG求解問題推廣到Beowulf并行集群?；跇嫿ǖ腂eowulf分布式集群環(huán)境，徹底摒棄矩陣的傳統(tǒng)直接分解

7、算法，提出以易并行化實現(xiàn)的多項式預處理PCG法并行求解大規(guī)模電力系統(tǒng)方程。論文中的方法無需進行任何形式的電網(wǎng)絡劃分，也無需進行任何的矩陣三角分解和前推回代過程，適合各種類型的大規(guī)模電力系統(tǒng)方程的并行求解。論文分別在潮流計算、狀態(tài)估計中對大規(guī)模電力系統(tǒng)方程實現(xiàn)了并行求解，并獲得一定的加速比和并行效率。特別在靜態(tài)安全分析中，論文提出的結合完全分解因子預處理的PCG法甚至強于傳統(tǒng)補償法對預想事故分析的計算。論文在大規(guī)模電力系統(tǒng)方程并行求解方面

8、的研究為大規(guī)模電力系統(tǒng)快速仿真計算提供了一種新途徑。 (4) 研究大電力系統(tǒng)可靠性評估并行仿真問題。分別采用狀態(tài)采樣法和系統(tǒng)狀態(tài)轉移采樣法，進行Monte-Carlo并行仿真。首先提出了與收斂判據(jù)相結合的任務分配拓撲結構，并根據(jù)兩種方法并行模擬的不同需要改進了現(xiàn)有的串行偽隨機數(shù)生成方式以適應并行性，接著建立了能有效屏蔽并行進程間模擬溢出的配合收斂控制的異步化模擬過程，完整設計出消息傳遞編程模型下的粗粒度算法，并對算法近似線性的加

9、速性能作出理論分析，最后基于構建的Beowulf集群環(huán)境開發(fā)出大電力系統(tǒng)可靠性評估MPI并行程序。通過對測試系統(tǒng)的可靠性評估計算，兩種Monte-Carlo法的并行程序均可達到較高的加速比和并行效率，可靠性指標的計算結果亦與串行環(huán)境下得到的結果基本保持一致?？紤]到提出的并行算法良好的加速性能以及集群系統(tǒng)的高可擴展性，論文實際利用并行處理技術成功緩解了大電力系統(tǒng)可靠性評估的“計算災”。該研究工作是對國外若干電力系統(tǒng)可靠性評估并行仿真研究的

10、深入和發(fā)展，在國內(nèi)尚未見報道。 (5) 基于Beowulf集群平臺，以大電力系統(tǒng)可靠性評估并行程序為核心，采用B/S模式開發(fā)出大電力系統(tǒng)可靠性評估Web計算系統(tǒng)，實現(xiàn)Internet上的在線分析應用。以LAMP為主要網(wǎng)絡開發(fā)工具，建立基于B/S三層模型的系統(tǒng)基本結構，提出對應的MySQL網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫設計，并以PHP系統(tǒng)調(diào)用的方式實現(xiàn)了對并行可靠性計算模塊的裝載。該計算系統(tǒng)具有客戶端免維護、可遠程使用和易于擴展等優(yōu)點。論文以Web