一種基於PQ法的分布式並行潮流計算系統開發方法與流程
2023-04-24 08:03:46 3
本發明涉及一種潮流計算系統設計開發方法，尤其是一種基於PQ法的分布式並行潮流計算系統開發方法。
背景技術：
隨著電力網潮流計算規模的擴大，潮流計算系統對於計算機硬體的要求不斷提高。目前計算機潮流計算主要受限於單計算機的處理速度和存儲能力。故如何解決這些問題成為計算機潮流計算技術的一大關鍵問題。分布式並行潮流計算便是解決這個問題的方法之一。其藉助高速通信網絡與使多臺計算機相聯繫，將計算任務分攤在各計算機中並行計算，從而達到了整合計算資源，提高計算性能的目的。隨著近年雲計算的發展，對雲計算的應用也將成為電力系統仿真系統的發展趨勢，而分布式並行潮流計算技術則是電力系統雲計算底層架設的關鍵技術之一。因此，需要對分布式並行潮流計算技術的系統軟體進行深入的研發，探索出適用於電力系統裡更加精確的雲計算系統。
技術實現要素：
本發明所要解決的關鍵技術問題是提供一種基於PQ法的分布式並行潮流計算系統開發方法，將分布式並行潮流計算方法設計成軟體系統，通過對潮流計算數學模型的分解，使用多臺計算機並行計算分攤各個計算任務，降低了單機計算量，從而節省了計算時間和內存佔用量。其計算過程是對傳統PQ分解法計算過程的並行化，並不改變整體迭代過程。故該方法與已有的通過異步迭代的方式進行分布式潮流計算的方法相比，有數學模型建立簡便、迭代次數少的優點。
本發明所採取的技術方案為：
一種基於PQ法的分布式並行潮流計算系統開發方法，包括以下步驟：
步驟1：結合了現有的StoC網絡通信方式和ZIGBEE技術中的通信方案，構思了系統的結構對象及網格的組建方式，使系統結構設計能滿足可伸縮性強等雲計算底層服務的要求；
步驟2：系統通過建立網格的方式組織計算，網格由服務單元、計算節點兩類對象組成；服務單元為網格的核心，其主要負責管理計算節點、分配計算任務、協調各節點計算過程、管理各節點數據；
計算節點則負責對分配到的計算任務進行處理，並根據服務單元的指令進行數據反饋和數據存儲；
各服務單元和計算節點通過高速網絡聯繫在一起，形成一個計算網格，而發出計算請求的用戶機只與服務單元交換信息；
步驟3：網格的服務單元通過上級通信網絡與上級網絡中的其他服務單元交互，形成更大的服務群組，以滿足未來雲計算底層架設的需求；網格的執行單元計算節點通過執行由服務單元發來的接收、計算、存儲指令配合實現潮流計算，其為服務單元提供計算、存儲兩種服務；
步驟4：系統採用服務單元固定網絡地址和隨機自組織兩種方式建立網格；
步驟5：系統引入P2P技術，解決了並行計算過程中單個服務單元向多個計算節點發送數據時可能引起網絡阻塞問題；
步驟6：系統開發流程基於自組織方式在區域網建立潮流計算網格的部分。由於此種網格的運行環境較上述固定網絡地址方式更加不穩定，故其計算性能的提高程度有一定的代表性。
步驟7：針對潮流計算時各參數為標要值的特點，系統設計了自定義定點數及相關算法。
步驟8：系統採用面向對象的開發方法，在Windows作業系統下應用VS2010開發環境使用vb.net進行編寫，系統為各潮流輸入建立了類，並配備相應功能函數，可對不同形式的數據進行計算。
本發明一種基於PQ法的分布式並行潮流計算系統開發方法，以尋找更加符合未來雲計算平臺建設要求的分布式計算方式。以分布式並行計算為指導思想對PQ分解法潮流計算進行了分析，進而對系統結構體系進行了設計，並根據結構體系對系統進行了開發。系統根據潮流計算多用標么值的特點設計專用的定點數及其算法以節省內存。該系統性能分析方面，分布式潮流計算較傳統計算機潮流計算的優勢在於通過多機並行運算的方式節省了計算時間。通過在多個IEEE系統上仿真計算對系統進行了性能分析，其結果表明該分布式潮流計算系統在大規模潮流計算中有單機內存佔用少的優點，在計算耗時方面也有良好的潛質。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明專利作進一步說明：
圖1為本發明專利方法的計算節點開發流程圖。
圖2為本發明專利方法的服務單元開發流程圖。
圖3為分布式潮流計算的基本體系結構圖。
圖4為分布式並行潮流計算的迭代過程圖。
具體實施方式
一種基於PQ法的分布式並行潮流計算系統開發方法，
系統設計方面：
分布式潮流計算主要研究如何將巨大的計算任務分配運行在由多臺計算機通過網絡互聯所建立的平臺上。
結合了現有的StoC網絡通信方式和ZIGBEE技術中的通信方案，構思了系統的結構對象及網格的組建方式使系統結構設計能滿足可伸縮性強等雲計算底層服務的幾點要求：
(1)：系統通過建立網格的方式組織計算，網格由服務單元、計算節點兩類對象組成。服務單元為網格的核心，其主要負責管理計算節點、分配計算任務、協調各節點計算過程、管理各節點數據等。計算節點則負責對分配到的計算任務進行處理，並根據服務單元的指令進行數據反饋和數據存儲。各服務單元和計算節點通過高速網絡聯繫在一起，形成一個計算網格，而發出計算請求的用戶機只與服務單元交換信息。
(2)：網格的服務單元通過上級通信網絡與上級網絡中的其他服務單元交互，形成更大的服務群組，以滿足未來雲計算底層架設的需求。
(3)：網格的執行單元計算節點通過執行由服務單元發來的接收、計算、存儲指令配合實現潮流計算。其為服務單元提供計算、存儲兩種服務。
(4)：系統採用服務單元固定網絡地址和隨機自組織兩種方式建立網格。
3：系統引入P2P技術解決了並行計算過程中單個服務單元向多個計算節點發送數據時可能引起網絡阻塞問題。
系統開發方面：
1：系統開發流程基於自組織方式在區域網建立潮流計算網格的部分。由於此種網格的運行環境較上述固定網絡地址方式更加不穩定，故其計算性能的提高程度有一定的代表性。
2：針對潮流計算時各參數為標要值的特點，系統設計了自定義定點數及相關算法。
3：系統採用面向對象的開發方法，在Windows作業系統下應用VS2010開發環境使用vb.net進行編寫。系統為各潮流輸入建立了類，並配備相應功能函數，可對不同形式的數據進行計算。
系統性能分析：
分布式潮流計算較傳統計算機潮流計算的優勢在於，通過多機並行運算的方式節省了計算時間。
一種基於PQ法的分布式並行潮流計算系統開發方法，包括計算節點開發流程和服務單元開發流程，計算節點開發流程如圖1所示，由以下步驟組成：
步驟(1)：啟動分布式計算並初始化。
步驟(2)：在區域網廣播以尋找伺服器位置，連接伺服器埠，完成對接。連接成功則轉到步驟(3)，連接失敗則轉到步驟(4)。
步驟(3)：完成計算節點的初始化，開始監聽7921埠的任務指令，等待任務的下達，並轉到步驟(5)。
步驟(4)：轉換到伺服器，任務結束。
步驟(5)：開始接受該節點數據，並上傳任務，根據埠傳輸的指令計算節點導納陣，開始準備因子表的初始數據。
步驟(6)：轉換到兩組任務並行運行模式。
並行模式1：
1、等待行計算任務指令；
2、判定當前行是否屬於該節點。如果屬於該節點，則轉到步驟(3)；如果不屬於該節點，則轉到步驟(4)。
3、進行行計算數據的反饋，完成反饋後轉到步驟(4)。
4、等待行計算數據，接收數據後，根據行計算數據計算該節點的因子表，計算完畢後，轉到步驟(1)。
並行模式2：
1、等待迭代指令下達，接收△θ指令後轉到步驟(2)，接收△V指令後轉到步驟(3)。
2、求解△P/V，分析本節點的最大有功功率變化△Pmax。△P/V——有功功率變化量與節點電壓的比值；△Pmax——上一計算指令後最大有功功率變化量。
由服務單元開始進行△P/V數據的協調，完成數據的導入與匹配；△P/V——有功功率變化量與節點電壓的比值。
通過因子表計算△θ，並整理△θ和△Pmax數據；△θ——角位移；△Pmax——接收角位移△θ指令後最大有功功率變化量。
運算整理完畢後，反饋整理後的數據，轉到步驟(3)。
3、求解△Q/V分析本節點的最大無功功率變化△Qmax；△Q/V——無功功率變化量與節點電壓的比值；△Qmax——上一計算指令後最大無功功率變化量。
服務單元進行△Q/V數據的協調，完成數據的導入與匹配；△Q/V——無功功率變化量與節點電壓的比值。
通過因子表計算△V，並整理△V和△Qmax數據；△V——節點電壓變化量；△Qmax——上一計算指令後最大無功功率變化量。
運算整理完畢後，反饋整理後的數據，轉到步驟(1)。
服務單元開發流程如圖2所示，包括以下步驟：
開始初始化，等待任務輸入，任務輸入後判斷已知數據，確定任務類型後開始接受潮流數據。接收完成後按各節點情況分配任務，協調各節點分別計算節點導納矩陣和節點因子表。計算完成後廣播△θ計算指令，等待各節點判斷指令後的數據返回，若有功功率變化量足夠小接近0時，發出指令使LIMP平臺置位，然後判斷返回指令是否滿足LIMQ要求，滿足則輸出計算結果；若沒有，則修正節點電壓V，然後廣播△V指令，當反饋數據無功功率變化量足夠小接近0時，置位LIMQ，判斷返回指令是否滿足LIMP要求，滿足則輸出計算結果。
圖3中，當計算請求上傳至高速通信網絡，分別又不同節點分配不同任務，計算節點是網格的執行單元，其通過執行由服務單元發來的接收、計算、存儲指令配合實現潮流計算。計算節點1、2負責計算和數據存儲；服務單元是整個網格的核心，之所以稱其為服務單元，是因為其可以通過上級通信網絡與上級網絡中的其他服務單元交互，形成更大的服務群組，以滿足未來雲計算底層架設的需求。服務單元負責數據、任務、節點的管理。
圖4為軟體進行潮流計算的迭代過程。有功功率變化量和無功功率變化量被服務單元分發到各個計算節點進行迭代，求得電壓變化量和角位移後，再次分發到各個節點進行迭代，然後返回到服務單位進行匯總，完成一次迭代。