并行處理在電力系統分析中的應用分析

肖長春

摘 要：由于電力系統本身的復雜性和龐大性，對電力系統的實時分析變得越來越重要。而并行處理技術具有實時高效的特性。因此，并行處理成為電力系統分析中極其重要的部分。該文通過將并行處理技術和電力系統分析結合起來，可以得到更加專業化、性價比更高的并行計算系統。

關鍵詞：并行處理 電力系統分析 并行計算系統

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0026-01

電力系統有很多復雜的分析計算，包括潮流計算、電力系統暫態穩定分析、電磁暫態實時仿真、電力系統能量管理、電力系統規劃等。隨著電力系統的越來越龐大和復雜，電力系統分析也變得越來越復雜，計算越來越繁雜。為了提高電力系統分析計算的速度，多年來人們從算法上進行了深入的研究。但是串行計算技術仍然不能有效地解決單個處理器的運算速度問題。隨著并行計算技術的發展，新的理論、新的硬件和新的算法設計技術為電力系統分析帶來了新的發展契機。

1 并行處理技術

電子計算機從20世紀40年代問世以來，基本上是按照馮·諾依曼的計算機系統結構設計的，這是一種串行處理計算機。然而隨著計算機應用的逐步擴大，傳統串行計算機系統已經不能適應新環境下的計算性能需求。因此，并行處理技術也應運而生。微電子、超大規模集成電路、高性能處理機、封裝技術的發展為并行處理技術打下了基礎。

1.1 并行處理技術概述

并行一般指在同一時刻或者同一時間間隔內完成兩種或兩種以上的操作，操作性質可以相同也可以不同。并行一般要求在時間上相互重疊。并行處理技術一般有三種形式：時間并行、空間并行、時間并行+空間并行。

（1）時間并行指時間重疊，時間并行的具體實現就是目前計算機上應用廣泛的流水線技術。同一套硬件對不同的計算任務連續不斷地執行，而不需要等待一個任務的全部完成再執行下一條指令。（2）空間并行指資源的重復，主要實現方法是使用多處理機系統，采用空間優勢實現并行處理。（3）時間并行+空間并行綜合使用上述兩種方法，以得到更快的處理速度。

1.2 并行處理技術的要點

并行處理技術是各種軟件、硬件、操作系統相結合的技術。主要研究熱點為：并行系統、并行算法、并行操作系統等。

并行系統主要研究并行處理技術的硬件方面，研究如何將眾多的處理機（網絡中的或本地的）和存儲系統、輸入輸出系統組成一個完整的并行處理系統。包括硬件的連接、拓撲方式、同步通信機制、軟硬件配置等。

并行操作系統主要用于并行系統間的通信和同步，支持并行計算，實現進程間的通信，并且要均衡分配計算任務，以使系統達到計算能力最大化。并行操作系統主要有多處理機并行操作系統、多計算機并行操作系統。

并行算法是并行處理技術中的一個研究熱點。理論上，傳統的串行算法無法在并行系統下直接運行，需要對其進行并行化處理才能運行。基本上需要從新設計并行的算法。并行算法主要研究如何將計算任務分解成能在并行系統上執行的任務，實現并行處理。并行算法優劣的評價通常采用以下指標：并行加速比、可擴展性、效率、成本、復雜性。

2 并行處理在電力系統分析中的應用

電力系統的并行處理主要是為了提高電力系統分析計算能力，增強實時計算性能。因為電力系統是一個快速變化的非線性系統。不同的電力系統計算任務具有不同的并行性和數據相關性，針對電力系統中不同的計算需求，通過認真研究和精確的算法設計，才能獲得最好的并行計算結果。

2.1 并行處理在潮流計算中的應用

潮流計算即在給定電力系統網絡拓撲結構、元件參數、發電量、負荷參量的條件下，計算出有功功率、無功功率和電壓在電網中的分布等數據。潮流計算描述了電力系統的穩態情況，是電力系統計算中的重要部分。

傳統的串行解法綜合運用了稀疏矩陣、三角分解前代和回代、節點編號優化、快速分解法等相關技術和技巧。在潮流計算中串行算法已經發展得比較成熟。目前，針對并行化潮流計算，研究重點主要集中在并行化三角分解前代和回代等方面。通過對矩陣分塊法的的并行求解來實現并行性。通過降低最大因子路徑的長度來減少順序執行的步數，采用能夠應用于向量機的向量化算法。通過超立方體結構找到穩態大矩陣的特征值以及特征向量。通過實踐得到的一些結論表明，快速分解牛頓法的并行化算法可以獲得接近10的加速比。

通過對現有的一些并行算法的研究，可以得出結論。新的并行算法都試圖使相互依賴的前代和回代步數最小。但是在這些并行性算法中有著較大的限制。有些雖然可以將加速比提高到10左右，但是付出了較高的性能代價。由于迭代過程中前后依賴性大的困難一時難以克服，并行化潮流計算的瓶頸難以突破，有時強制的并行化算法反而比串行算法性能更差。

2.2 并行處理在電力系統暫態穩定中的應用

暫態穩定問題可以描述為求解一組非線性微分方程和代數方程。通過并行處理技術能極大地提高計算速度。

暫態穩定問題的并行化有兩種方法。（1）將系統的變量分組，進行空間并行化。（2）通過幾個時間段同時求解，稱為時間并行化。最直接的并行化方法是按照發電機將微分方程進行分組，形成多個方程組，通過代數方程來實現各個微分方程組之間的耦合。時間并行是通過建立每個時間段的牛頓方程，同時求解來實現并行計算。

2.3 并行處理在能量管理中的應用

電力系統的能量管理包括SCADA、AGC/EDC、電力系統靜態安全分析、電力系統動態安全分析等。自從計算機硬件性能的大幅提升和工作站性價比的提高，能量管理系統已經得到了空前的發展。從集中的、孤立的系統發展為分布式、網絡化、開放的系統。整個系統由多臺計算機組成，通過網絡互相連接。系統的功能分布在不同的計算機上，可擴展性得到了很大提高。在分布式系統上，通過并行處理技術實現整個能量管理系統的協同工作，極大地提高了工作效率，為并行化計算提供基本的硬件優勢，適應電力系統的計算特點。因此，得到了很好的發展。

3 結語

電力系統的規劃和建設要考慮整個國家經濟發展和城市建設，考慮資源的合理配置和開發利用。對這些設備之間的配合、方案設計需要進行大量的比較和計算。電力系統的實時計算要求也對系統提出了更高的要求，因此并行處理技術作為一種良好的提高計算速度的技術在電力系統中得到了應用。

參考文獻

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