基于任務(wù)拆分的繼電保護云整定計算方法

于 游，魏琳洹，田景輔，田鵬飛，馬 強

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

整定計算軟件是電網(wǎng)繼電保護整定計算工作中不可或缺的工具，其隨著計算機技術(shù)的進步而不斷向前發(fā)展[1-6]。目前國內(nèi)應(yīng)用的整定計算軟件都是基于C/S架構(gòu)[7-8](Client/Server，即客戶端/服務(wù)器架構(gòu))，這種軟件架構(gòu)下整定計算程序安裝在客戶端電腦上，定值計算等主要業(yè)務(wù)在客戶端完成，服務(wù)器不參與定值計算，主要用來管理整定計算數(shù)據(jù)，包括與上下級電網(wǎng)的整定計算系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)，以滿足多終端用戶和電網(wǎng)一體化整定計算的需要。

電網(wǎng)的整定計算尤其是大電網(wǎng)的整定計算需要進行大量的運算。如計算電網(wǎng)中線路的某側(cè)保護，其定值需要與其下級所有線路和元件的保護進行配合，計算時要在每個被配合設(shè)備的不同位置設(shè)置故障點，并且考慮線路正常或相繼、母線其他線路輪斷、電廠和變壓器的不同運行方式，將這些因素進行組合計算，選出最嚴重方式下的結(jié)果作為定值整定依據(jù)，因此一個定值就可能涉及到成百上千個計算案例。當整定的電網(wǎng)面積較大時，客戶端電腦有限的計算資源將難以勝任這海量的運算，例如整定一個220 kV中等規(guī)模的地區(qū)電網(wǎng)后備保護，用當前整定計算軟件計算一遍，快則需要幾十分鐘，慢則需要幾個小時。如果電網(wǎng)規(guī)模更大，或者選擇多級輪斷方式，計算量將呈幾何級增加，計算需要時間將更長，甚至無法計算。

整定計算軟件服務(wù)器的計算能力將遠超客戶端的電腦，應(yīng)用服務(wù)器來計算將會有效提高整定計算速度，而且電網(wǎng)一體化整定計算系統(tǒng)中省調(diào)及各地調(diào)都設(shè)置了2臺服務(wù)器，調(diào)度系統(tǒng)中還存在數(shù)量可觀的其他業(yè)務(wù)服務(wù)器，如果將這些服務(wù)器資源組織利用起來開展云計算，將進一步提高整定計算能力。使用云計算來進行整定計算是一種全新的模式，本文研究了基于任務(wù)分拆的云計算方法，將整定計算任務(wù)進行了合理分解，然后分配到云計算資源上，最后進行匯總得出結(jié)果，在計算效率最大化同時，保證計算結(jié)果準確與數(shù)據(jù)安全。

1 云整定計算系統(tǒng)的搭建

首先選擇多臺服務(wù)器組建整定計算私有云，搭建起基于后端云組件化的云計算系統(tǒng)框架，該框架由客戶端+云組件管理中心+負載均衡器+后端框架組成。

云組件管理中心部署在核心云服務(wù)器中，負責管理所有云組件，云組件有電網(wǎng)參數(shù)管理云組件、計算模型云組件、計算工具云組件、整定高級應(yīng)用云組件、裝置計算云組件、故障計算核心云組件等，分別負責整定計算不同的功能。云組件以軟件包的形式存儲在云組件管理中心，當云組件管理中心接收到云服務(wù)器的云組件安裝請求時，云組件管理中心負責將請求的云組件軟件包推送至對應(yīng)的云服務(wù)器。

云組件管理中心、負載均衡器分別部署在2臺云服務(wù)器中，負載均衡器包括基于AMQP協(xié)議的任務(wù)代理服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲代理服務(wù)器，后臺框架包括1臺主服務(wù)器和多臺算力支撐云服務(wù)器，能夠提供強大的云計算能力。當進行整定計算時，負載均衡器會向后臺框架內(nèi)的所有云服務(wù)器發(fā)送主服務(wù)器的計算模型數(shù)據(jù)，從而同步更新后臺框架內(nèi)的所有云服務(wù)器中計算模型云組件的計算模型數(shù)據(jù)，為整定配合云計算做好準備。

2 計算任務(wù)拆分的方法和原則

2.1 任務(wù)拆分的理論依據(jù)

應(yīng)用木桶理論，即1只水桶能裝多少水取決于其最短的那塊木板；反木桶理論，在計算系統(tǒng)中，運算速度取決于運行速度最慢的那個子任務(wù)有多大，執(zhí)行時間有多長；例如一個任務(wù)不拆分的情況下執(zhí)行完畢耗時1 min，當它被拆分為2個任務(wù)時，最快也要30 s才能執(zhí)行完畢，假如拆分不當，一個耗時10 s，另一個耗時50 s，整個任務(wù)執(zhí)行完畢也需要耗時50 s才能執(zhí)行完，執(zhí)行效率取決于耗時最長的那個任務(wù)。因此任務(wù)分拆時要盡可能細化任務(wù)，將計算壓力(計算耗時)盡可能的平均分攤出去，使木桶的每塊木板盡可能的短，這樣才能使用到的所有服務(wù)器計算效率最高。

2.2 任務(wù)拆分的方法

云計算體系通過任務(wù)代理服務(wù)器將計算任務(wù)按照配置的規(guī)則，包括預(yù)算分析量、配合規(guī)則、計算案例逐層拆分并下發(fā)。如一個整定工程計算任務(wù)，由主服務(wù)器拆分為若干個保護定值的計算任務(wù)，上交代理后再繼續(xù)按預(yù)算分析量進行拆分，同時將需要生成配合關(guān)系的計算任務(wù)按照配合規(guī)則層層拆分，直至拆分至最小顆粒，然后將拆分得到的計算案例上交代理，再將計算案例下發(fā)至云服務(wù)器計算池進行并行計算，將計算結(jié)果回執(zhí)到代理服務(wù)器按照拆分層級逐層匯總，得到計算結(jié)果并輸出。

在整定計算中，大部分計算力會用在以下幾個功能上，因此計算任務(wù)拆分時會按以下3個功能來拆分：

功能1：生成配合關(guān)系、計算場景、計算案例；

功能2：計算功能1中生成的計算案例；

功能3：存儲功能1中所生成的相關(guān)數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。

在云計算中，各個計算單元具有完全一樣的計算模型，為了保證計算結(jié)果的準確，一般只安排1臺或幾臺服務(wù)器擁有對數(shù)據(jù)庫的操作權(quán)利，據(jù)此把上述功能1和功能2拆分的子任務(wù)定義為非關(guān)鍵任務(wù)，功能3拆分出來的子任務(wù)定義為關(guān)鍵任務(wù)。一些能操作數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，如主服務(wù)器，可處理關(guān)鍵與非關(guān)鍵任務(wù)，數(shù)量更多的是不能操作數(shù)據(jù)庫的副服務(wù)器，只能處理非關(guān)鍵任務(wù)，如圖1所示。

圖1 功能拆分與服務(wù)器分配

因此，拆分任務(wù)時，應(yīng)盡可能減少關(guān)鍵任務(wù)比重，增加非關(guān)鍵任務(wù)比例，因為非關(guān)鍵任務(wù)能被所有計算單元執(zhí)行，而關(guān)鍵任務(wù)只能被有限幾個計算單元執(zhí)行，這樣就可以在保證計算結(jié)果準確的情況下達到整體效率最高。

一般系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計算時絕大多數(shù)采用串行邏輯，即先把數(shù)據(jù)存完才能執(zhí)行計算，而本系統(tǒng)采用了并行邏輯壓縮耗時，當前線程將計算案例(功能1)生成完后立即生成存儲子任務(wù)(功能2)和計算子任務(wù)(功能3)，提交到任務(wù)代理服務(wù)器分配2個任務(wù)進行并行計算，當前線程通過RPC(Remote Procedure Call，遠程過程調(diào)用)技術(shù)，等待2個子任務(wù)執(zhí)行完畢后，將匯總的計算結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中，這樣做可以提高計算速度。

3 基于任務(wù)拆分的云計算

3.1 云計算過程

a.客戶端將整定計算的主任務(wù)發(fā)送到任務(wù)代理服務(wù)器，任務(wù)代理服務(wù)器查找當前配置的云服務(wù)器計算池，并將所述主任務(wù)下發(fā)給云服務(wù)器計算池中的主服務(wù)器進行處理，如圖2所示。

圖2 任務(wù)代理服務(wù)器下發(fā)主任務(wù)

b.主服務(wù)器接收到主任務(wù)后，根據(jù)計算量的大小判斷所述主任務(wù)是否需要拆分。如果計算量較小，則不需要拆分，主服務(wù)器直接對任務(wù)進行計算并得到計算結(jié)果；如果計算量較大，主服務(wù)器判斷所述主任務(wù)需要拆分，則根據(jù)配置的規(guī)則(包括細化任務(wù)和劃分關(guān)鍵/非關(guān)鍵任務(wù))進行計算工程的任務(wù)拆分，將主任務(wù)拆為多個計算案例子任務(wù)后，將拆分的多個子任務(wù)上交至所述任務(wù)代理服務(wù)器，如圖3所示。

圖3 主服務(wù)進行任務(wù)拆分

c.任務(wù)代理服務(wù)器接收到拆分的多個子任務(wù)時，使用單一隊列算法(計算單元主動向負載均衡器索要任務(wù))進行任務(wù)分發(fā)，將所有要處理的計算任務(wù)放到一個隊列中，云服務(wù)器計算池中空閑計算單元主動向負載均衡器索要任務(wù)進行并行計算；當子任務(wù)之間具有依賴關(guān)系時，如果依舊按照一般任務(wù)分配邏輯執(zhí)行，則這些任務(wù)都無法正常處理，這種請求被稱之為粘滯任務(wù)，為了處理這種情況，粘滯任務(wù)通常會被分配給同一個計算單元的同一個線程中進行計算。

計算池內(nèi)所有計算單元在將拆分的多個子任務(wù)計算完成后，將計算結(jié)果回執(zhí)到任務(wù)代理服務(wù)器并由其回執(zhí)到主服務(wù)器，主服務(wù)器負責匯總所有子任務(wù)的計算結(jié)果，并將最終匯總后的計算結(jié)果回執(zhí)到任務(wù)代理服務(wù)器，如圖4所示。

圖4 下發(fā)子任務(wù)與計算結(jié)果回執(zhí)

d.任務(wù)代理服務(wù)器將最終匯總后的計算結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)存儲代理服務(wù)器，再由所述數(shù)據(jù)存儲代理服務(wù)器廣播至云服務(wù)器計算池進行云存儲；云計算過程結(jié)束，如圖5所示。

圖5 形成最終結(jié)果和云廣播存儲

3.2 云計算的應(yīng)用

遼寧電網(wǎng)省地一體化整定計算平臺設(shè)立了2臺服務(wù)器，再利用另一業(yè)務(wù)的1臺服務(wù)器進行擴展，形成共3臺服務(wù)器的小規(guī)模“私有云”。將上述任務(wù)拆分原則和云計算方法在該平臺進行實際應(yīng)用，計算結(jié)果表明，對比當前的整定計算軟件，采用云整定計算方法后，整定計算速度有了大幅提高。

以計算鞍山地區(qū)的某基建工程定值為例，選取計算范圍為鞍山地區(qū)整個220 kV電網(wǎng)，共有4座500 kV變電站和25座220 kV變電站，如果使用base2000整定計算軟件，計算1遍相間距離、接地距離和零序電流保護，共需要25 min左右，而采用云計算方法，計算時間僅為25.83 s。

當計算范圍更大，整定方式更復雜時，云整定計算的計算能力和計算速度優(yōu)勢更大，此時一般的整定計算軟件可能需要幾個小時以上的計算時間，甚至系統(tǒng)崩潰計算不了，而云計算則不會存在這種情況，而且云計算能力會隨著云資源的擴展而不斷提高。

4 結(jié)論

云整定計算是新一代整定計算軟件的發(fā)展方向，本文研究了基于整定計算任務(wù)拆分的云計算方法，設(shè)計了任務(wù)拆分原則與云整定計算過程，然后在遼寧省地一體化整定計算平臺上進行工程應(yīng)用，實踐結(jié)果證明了本方法能夠顯著提高整定計算能力和計算速度，對提高整定計算工作效率有很大幫助。

云整定計算的應(yīng)用將促進整定計算向智能化、全模型一體化方向發(fā)展。依托強大的計算能力，大量人工智能技術(shù)將會在整定計算工作中得到應(yīng)用，大電網(wǎng)的一體化全模型整定計算也能夠?qū)崿F(xiàn)，這將進一步提升整定計算工作效率，降低定值計算誤差。