面向電力行業(yè)的超算平臺構(gòu)建與應(yīng)用技術(shù)研究

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司信息中心 龍玉江 甘潤東 王 策 方心科技股份有限公司 劉 珺 粟海斌

1 研究背景

隨著電力行業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和電力市場的不斷變化，電力企業(yè)對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行、監(jiān)測和分析等方面的要求也越來越高。電力行業(yè)需要處理大量的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并進(jìn)行大規(guī)模的計算來提高電力系統(tǒng)的效率和可靠性。然而，傳統(tǒng)的計算資源已不能滿足電力行業(yè)大規(guī)模計算的需求，超算系統(tǒng)的出現(xiàn)為電力行業(yè)提供了新的機(jī)會。面向電力行業(yè)的超算平臺構(gòu)建與應(yīng)用技術(shù)研究具有以下幾方面重要意義。

1.1 提升電力行業(yè)計算效率

在電力行業(yè)中，對電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真、預(yù)測和優(yōu)化需要大量的計算資源。超算平臺將大幅提升電力行業(yè)的計算效率，從而加快市場反應(yīng)速度，提高電力系統(tǒng)的效率。

1.2 提高電力系統(tǒng)的可靠性

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性對于電力供應(yīng)的保障至關(guān)重要。超算系統(tǒng)能夠進(jìn)行精細(xì)耗時的模擬和穩(wěn)態(tài)分析，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性，減少因電力系統(tǒng)故障引發(fā)的損失。

1.3 推進(jìn)電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展

智能電網(wǎng)、智能電力調(diào)度是電力行業(yè)智能化發(fā)展的重要組成部分，而這些領(lǐng)域的計算需求量也會隨著技術(shù)和應(yīng)用模式的不斷拓展快速增長。超算平臺可以實現(xiàn)智能電網(wǎng)規(guī)劃和運營方面的優(yōu)化和智能決策，實現(xiàn)電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電力行業(yè)的超算平臺構(gòu)建與應(yīng)用技術(shù)研究在國內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注。其中，國外電力行業(yè)超算系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用情況相對領(lǐng)先，在硬件架構(gòu)方面，美國能源部的超級計算機(jī)“Summit”以及“Frontier”均采用了高性能的CPU/GPU異構(gòu)結(jié)構(gòu)；在軟件架構(gòu)方面，各加強(qiáng)了高性能計算平臺與數(shù)據(jù)中心的深度整合，為應(yīng)用提供更高效的支持。具有代表性的國外電力行業(yè)超算系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用情況包括[1-2]。

一是美國能源部國家實驗室與技術(shù)中心：該中心擁有多款高性能計算系統(tǒng)，包括頂級的“Summit”以及“Frontier”超算系統(tǒng)，主要應(yīng)用于能源和電力行業(yè)，用于模擬和優(yōu)化復(fù)雜的能源系統(tǒng)，幫助電力系統(tǒng)規(guī)劃和運營決策。

二是歐洲核子研究組織（CERN）：CERN的計算中心擁有多套高性能計算系統(tǒng)，主要用于模擬物理實驗和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集，同時也廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域的研究，其中主要包括電力行業(yè)的能源預(yù)測和電力網(wǎng)優(yōu)化等問題。

三是日本電力公司：該公司擁有包括“京”在內(nèi)的多款高性能計算系統(tǒng)，廣泛用于電力行業(yè)和其他領(lǐng)域的各種研究和工作中，為政策制定者提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)分析，不僅可以提高電力系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性能，而且也可以為幫助更好地服務(wù)電力行業(yè)和用戶需求。

在國內(nèi)，高性能計算領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步以及國家加強(qiáng)超算研究與發(fā)展的政策支持，為電力行業(yè)超算平臺的發(fā)展提供了有利條件[3-4]。在硬件架構(gòu)方面，國內(nèi)超算平臺的發(fā)展主要依靠自主研發(fā)，如我國的“天河三號”和“神威”等超算系統(tǒng)，采用了國產(chǎn)CPU架構(gòu)體系；在軟件架構(gòu)方面，國內(nèi)高性能計算領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展和創(chuàng)新，如能源大數(shù)據(jù)分析、電力系統(tǒng)傳輸規(guī)劃和調(diào)度優(yōu)化等，為電力行業(yè)的超算平臺應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)[5]。目前，我國電力行業(yè)已經(jīng)建立起了多個超算平臺，以應(yīng)對不斷增長的數(shù)據(jù)和計算需求。

3 電力行業(yè)高性能計算需求分析

電力行業(yè)對超算平臺的需求十分復(fù)雜和多樣化。超算平臺不僅需要具備高性能計算和仿真能力，還需要具備高度的可靠性和穩(wěn)定性，利用超算平臺為電力系統(tǒng)提供高效的管理和決策支持，同時能夠支持多個行業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用需求。電力行業(yè)對超算平臺的需求主要包括以下幾個方面。

一是超算平臺需要具備高效的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和計算能力，包括支持海量數(shù)據(jù)的存儲和管理，以及大規(guī)模分布式并行計算。二是超算平臺需要支持各種典型電力行業(yè)應(yīng)用，不僅能夠支持電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行和管理等領(lǐng)域，還需要能夠支持電力市場、環(huán)保和能源保障等多個領(lǐng)域的應(yīng)用。三是超算平臺需要支持實時或準(zhǔn)實時計算，需要立即響應(yīng)電力系統(tǒng)的各種請求，包括實時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集、風(fēng)險預(yù)警等。四是超算平臺需要具備高可靠性、高可用性和高穩(wěn)定性，具有良好的糾錯和容錯能力，在硬件或軟件故障時可以快速切換到備份系統(tǒng)。五是超算平臺需要具備安全性，通過用戶身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、網(wǎng)絡(luò)流量篩查、漏洞掃描、入侵檢測等多種系統(tǒng)安全解決方案等確保數(shù)據(jù)的安全。

4 電力行業(yè)超算平臺的構(gòu)建技術(shù)

電力行業(yè)超算平臺構(gòu)建技術(shù)應(yīng)該面向?qū)嶋H的電力業(yè)務(wù)應(yīng)用需求和計算特征，同時考慮超算技術(shù)的可行性和電力行業(yè)的技術(shù)需求的特殊性。超算平臺的設(shè)計要圍繞實際的業(yè)務(wù)需求展開，以滿足不同程度的計算和數(shù)據(jù)處理需求，具體包括以下幾個方面。

一是計算系統(tǒng)：超算平臺通過高性能計算節(jié)點支持電力行業(yè)各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)計算和處理需求。其中，高性能通用處理器是高性能計算節(jié)點的核心部件，需要根據(jù)應(yīng)用的計算特征，選配相應(yīng)的CPU，以滿足通用計算和處理性能要求；算法加速器方面，通過選用GPU或FPGA等專用計算部件，對于計算密集型任務(wù)等能夠大幅提升計算速度和處理效率；內(nèi)存方面，應(yīng)該選用大容量高帶寬的ECC內(nèi)存，以提升計算和處理效率；容錯方面，通過實現(xiàn)熱備/冷備技術(shù)、資源動態(tài)管理等操作，確保平臺在出現(xiàn)故障時能夠自動恢復(fù)，支持負(fù)載平衡和故障轉(zhuǎn)移，以保證超算平臺的穩(wěn)定性和可用性。

二是存儲系統(tǒng)：電力行業(yè)超算平臺的存儲系統(tǒng)是高性能計算中較為重要的一部分，需要采用特殊的設(shè)計方法和配置。其中，存儲設(shè)備方面應(yīng)選用高速存儲器，如SSD、NVMe、SAS等，以提供更快的存儲訪問速度和更高的IOPS；存儲策略方面，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分層存儲，對于經(jīng)常訪問和分析的數(shù)據(jù)，應(yīng)使用高速存儲設(shè)備，對于不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)則可以使用較慢的存儲設(shè)備；文件系統(tǒng)方面，應(yīng)使用高效且可擴(kuò)展的大數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)，如Lustre、GPFS等，以滿足電力行業(yè)海量數(shù)據(jù)的存儲和管理需求，并且支持多客戶端的并行訪問；數(shù)據(jù)管理方面，需采用RAID和冗余容錯等技術(shù)以提高數(shù)據(jù)可靠性；安全方面，需要實現(xiàn)安全與數(shù)據(jù)隔離策略，包括數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)加密等保護(hù)措施，確保存儲子系統(tǒng)互相獨立，且其中任一子系統(tǒng)出現(xiàn)異常不會影響到整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

三是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：電力行業(yè)超算平臺的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備高速、低延遲和高帶寬等特點，以實現(xiàn)計算節(jié)點的高效通信，同時能夠滿足電力行業(yè)海量數(shù)據(jù)交互和傳輸需求。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫?，網(wǎng)絡(luò)需要考慮可靠性和可用性，應(yīng)選用可以實現(xiàn)冗余和故障恢復(fù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如星形、環(huán)形或多重路徑，需要支持可擴(kuò)展性，能夠容納更多節(jié)點；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面，需要使用高速網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，如InfiniBand、Ethernet等，以便實現(xiàn)快速傳輸大型數(shù)據(jù)文件和低延遲數(shù)據(jù)交互；安全防護(hù)方面，需要采取建立防火墻、使用虛擬專用網(wǎng)（VPN）和加密技術(shù)、配置網(wǎng)關(guān)安全協(xié)議等多種防御措施，以保障數(shù)據(jù)和系統(tǒng)安全；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方面，需要借助網(wǎng)絡(luò)流量分析器和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測工具，以幫助快速定位問題所在，并及時采取措施。

5 電力行業(yè)超算平臺應(yīng)用技術(shù)

電力行業(yè)超算平臺應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域非常廣泛，涉及電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、新能源開發(fā)、電力市場分析等方面，為電力行業(yè)提供了強(qiáng)大的信息分析和決策支持。通過超算平臺的運用，可以提高電力行業(yè)的效率、降低成本、優(yōu)化管理，有效地推動電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。典型應(yīng)用場景包括以下幾點。

一是電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃：超算平臺可以利用高精度的數(shù)據(jù)模擬和分析，幫助電力行業(yè)管理人員設(shè)計出更加準(zhǔn)確、高效和可持續(xù)的電網(wǎng)建設(shè)方案。二是電力負(fù)荷預(yù)測：超算平臺可以預(yù)測電力負(fù)荷的峰值和谷值，協(xié)助電力行業(yè)制定負(fù)載均衡策略，提高電網(wǎng)效率。三是電網(wǎng)安全評估：通過使用超算平臺，可以對電網(wǎng)進(jìn)行安全評估和遙感監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，并針對性地解決問題。四是新型能源開發(fā)：超算平臺可以模擬和預(yù)測新能源的生產(chǎn)、負(fù)荷和儲存情況，為新能源的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和市場準(zhǔn)備工作。五是輸電能力計算：超算平臺可以通過數(shù)值模擬、優(yōu)化算法等技術(shù)，計算超高壓輸電線路的輸電能力，為電力行業(yè)提供技術(shù)支撐。六是氣象數(shù)據(jù)處理：超算平臺可用于氣象數(shù)據(jù)模擬、分析、預(yù)測和預(yù)報，幫助電力行業(yè)監(jiān)控氣象變化，并作出相應(yīng)決策，減少氣象災(zāi)害對電力系統(tǒng)的影響。七是電力市場分析：超算平臺可以模擬和數(shù)據(jù)分析市場行情，幫助電力行業(yè)決策者制定更為精準(zhǔn)的市場策略和決策。

電力行業(yè)超算平臺是利用高性能計算技術(shù)，為電力行業(yè)的各種應(yīng)用場景提供強(qiáng)大的計算能力和數(shù)據(jù)處理能力，從而為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供決策支持和技術(shù)保障。為了最大限度發(fā)揮超算平臺的效益，電力行業(yè)超算平臺應(yīng)用技術(shù)包括以下幾個方面。

第一，應(yīng)用場景和算法優(yōu)化：要結(jié)合不同的應(yīng)用場景，運用高效的算法和優(yōu)化方法來解決各種電力行業(yè)應(yīng)用問題，利用模擬和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過基于各種電力行業(yè)應(yīng)用場景的算法優(yōu)化或算法重設(shè)計，可以更好地提高應(yīng)用系統(tǒng)與超算系統(tǒng)的適配性，從而有效提高系統(tǒng)性能。

第二，系統(tǒng)運維和管理：需要采取科學(xué)的運維和管理手段，及時檢測和修復(fù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，要保證超算平臺的安全性和管理精度，避免故障發(fā)生，需要為系統(tǒng)提供維護(hù)、更新和定期的性能監(jiān)測方案，定期維護(hù)硬件和軟件資源。

6 總結(jié)與展望

當(dāng)前，電力行業(yè)的超算平臺構(gòu)建與應(yīng)用技術(shù)正在不斷地發(fā)展創(chuàng)新，國內(nèi)外基于硬件、軟件以及應(yīng)用等方面的研究成果不斷豐富。隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，電力行業(yè)超算平臺的應(yīng)用將會越來越廣泛深入，并對電力行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型發(fā)揮越來越重要的推動作用。電力行業(yè)的超算系統(tǒng)在未來的應(yīng)用和發(fā)展方向上有以下幾個趨勢。

一是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的全面普及：隨著電力行業(yè)數(shù)據(jù)量的不斷增長，數(shù)據(jù)應(yīng)用已經(jīng)成為電力行業(yè)超算系統(tǒng)應(yīng)用的重要方向之一。在未來，電力行業(yè)超算系統(tǒng)將會更加普及數(shù)據(jù)采集、分析、挖掘和建模等方面的技術(shù)，使其更好地應(yīng)用于電力行業(yè)中的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、調(diào)度管理、市場分析和用戶服務(wù)等領(lǐng)域。二是智能化應(yīng)用的快速發(fā)展：隨著人工智能領(lǐng)域技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力行業(yè)超算系統(tǒng)將具備更加智能化的應(yīng)用，例如在電力設(shè)備故障診斷、預(yù)測和預(yù)警等方面的應(yīng)用，從而為電力行業(yè)提供更加智能、安全和高效的服務(wù)。三是能源互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用：隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的逐漸成形，電力行業(yè)超算系統(tǒng)的應(yīng)用也將會廣泛涉及能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、能源孿生、物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備測試驗證等方面。電力行業(yè)超算系統(tǒng)將對能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)、管理和安全等方面提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

綜上所述，未來電力行業(yè)超算系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)水平將會不斷拓展，同時也將進(jìn)一步推動電力行業(yè)的科技創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展。