基于Socket技術的快速解耦法潮流并行計算方法

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1　引言

隨著電力行業的發展，電網規模不斷擴大，分布式潮流計算[1]對大規模電力系統的潮流跟蹤、實時控制具有重要意義。目前分布式潮流計算的研究主要集中于將大電網分區后進行異步迭代計算的方法[2-3]和利用krylov子空間法對雅克比矩陣并行迭代求逆的方法[4]。本文研究了快速解耦法潮流計算，根據其雅克比矩陣不變易于并行化計算的特點，在多機群中對潮流方程進行了劃分，利用Socket通信技術和高斯消元的技巧實現雅克比矩陣并行化求逆，進而提出了一種新的快速解耦法潮流并行計算方法。結合Zigbee組網方式，提出了組建小規模潮流并行計算微機集群的方法。本文方法簡單實用，可臨時組建微機集群以進行大規模潮流并行計算。最后，本文通過算例驗證了該方法在減少計算、存儲開銷方面的優點。

2　快速解耦法潮流計算

快速解耦法潮流計算是一類應用廣泛的潮流計算方法。其根據輸電網潮流計算雅克比矩陣的特點進行了合理的簡化，從而避免了迭代過程中矩陣的更新。快速解耦法分為有功迭代和無功迭代兩步，公式為:

(1)

式中,B′、B″分別為有功和無功迭代的系數矩陣。通過有功和無功的重復迭代，可使得解集收斂于真實解。對于大規模系統潮流計算，其系數矩陣規模較大，故其存儲開銷較大。快速解耦過程中需分別對系數矩陣進行求逆，該過程需耗費大量的計算資源。因此將系數矩陣分布式存儲、求逆有利于減少計算、存儲開銷。

由于系數矩陣的產生過程中，各行直接無相互影響。因此可按行對系數矩陣進行劃分，將所需的原始數據在多機群進行分配，進而實現系數矩陣在多機群中分布式生成。另通過結合稀疏存儲技術，可進一步減少存儲開銷。

利用高斯消元的技巧可實現系數矩陣求逆過程的并行化。

(2)

由于該求逆過程是以行向量為單位進行的，因此其過程易于并行化。系數矩陣B″包含于B′中，因此，使用該方法在求B′-1的過程中可直接獲得B″-1，從而進一步減少了計算量。

3　基于Socket通信技術的并行化計算

Socket是BSDUNIX提供的網絡應用編程接口，它采用客戶/服務器的通信機制，使網絡客戶方和服務器方通過Socket實現網絡之間的連接和數據交換。

由于Socket本身無主從機限制，因此可以利用Socket技術，結合Zigbee組網方式在網絡中靈活的組建并行計算的微機集群。集群分服務單位和計算單元兩類。服務單元用于管理子網絡內的計算單元，并完成潮流計算的分配、協調工作。計算單元主要用于完成分配到的計算任務。當微機入網時，首先在局域網內尋找服務單元，若存在服務單元則登記，否者自行建立服務單元。當潮流計算開始時，微機集群中的任意單元將原始數據上傳給服務單元，有服務單元分配原始數據，發起并協調潮流計算。其具體過程如圖1所示。

圖1　并行潮流計算的迭代過程

該方法組成并行計算微機集群的方式較靈活，允許任務開始前集群發生變化，可將辦公網絡內部分閑置的計算資源臨時加入到并行計算中，設置一定的冗余計算后可以很大程度上提高計算穩定性。

4　算例分析

本文使用visual studio2010開發環境根據本文所述方法進行了程序編寫，并對多個IEEE系統進行了計算，結果如表1所示。其中潮流方程采用平均分配的方式。

表1　軟件內存占用情況

據表1可知，對于4節點電力網絡，單微機計算占用的內存量大于多微機。隨著網絡規模的增大，多微機計算占用內存量少于單微機，且差距逐漸擴大。由此可以看出，使用本文方法，建立多微集群進行并行計算，可有效的節省各機的內存。另外由于受限于通信延遲的存在，小規模網絡的多機計算的速度劣于單機計算，但隨著網絡規模的增加，多機計算的計算時間增加較少。本文方法并行計算的構架，故對于計算耗時大于通信耗時的大規模潮流計算，本文方法有明顯速度優勢。

5　結論

本文提出了一種快速解耦法潮流并行計算方法，并根據Socket技術的特點，結合Zigbee組網方式，提出了組建小規模潮流并行計算微機集群的方法。該方法簡單實用，可實現臨時組建微機集群以進行大規模潮流并行計算。最后通過算例驗證了該方法具有計算、存儲開銷較少的優點。

[1]趙俊華,文福拴,薛禹勝,等.云計算:構建未來電力系統的核心計算平臺[J].電力系統自動化,2010,34(15):1-8.

[2]張海波,蔣良敏,陶文偉,等.實用化分布式動態潮流計算系統的設計與實現[J].電力系統自動化,2012,36(9):67-71.

[3]張海波,張伯明,孫宏斌.分布式潮流計算異步迭代模式的補充和改進[J].電力系統自動化,2007,31(2):12-16.

[4]劉洋,周家啟,謝開貴,等.預條件處理CG法大規模電力系統潮流計算[J].中國電機工程學報,2006,26(7):89-94.

[5]丁明,張晉波,汪興強.提高預處理共軛梯度法計算大型電網潮流時并行性能的方法[J].電網技術,2008,32(13):15-19.