并行处理在电力系统分析中的应用

田乐+杨瑶麟

【摘 要】由于电力系统本身的复杂性和庞大性，对电力系统的实时分析变得越来越重要。而并行处理技术具有实时高效的特性。因此，并行处理成为电力系统分析中极其重要的部分。该文通过将并行处理技术和电力系统分析结合起来，可以得到更加专业化、性价比更高的并行计算系统。

【关键词】并行处理；电力系统分析；并行计算系统

导言

电力系统有很多复杂的分析计算，包括潮流计算、电力系统暂态稳定分析、电磁暂态实时仿真、电力系统能量管理、电力系统规划等。随着电力系统的越来越庞大和复杂，电力系统分析也变得越来越复杂，计算越来越繁杂。为了提高电力系统分析计算的速度，多年来人们从算法上进行了深入的研究。但是串行计算技术仍然不能有效地解决单个处理器的运算速度问题。随着并行计算技术的发展，新的理论、新的硬件和新的算法设计技术为电力系统分析带来了新的发展契机。

1.并行处理技术

电子计算机从20世纪40年代问世以来，基本上是按照冯·诺依曼的计算机系统结构设计的，这是一种串行处理计算机。然而随着计算机应用的逐步扩大，传统串行计算机系统已经不能适应新环境下的计算性能需求。因此，并行处理技术也应运而生。微电子、超大规模集成电路、高性能处理机、封装技术的发展为并行处理技术打下了基础。

1.1并行处理技术概述

并行一般指在同一时刻或者同一时间间隔内完成两种或两种以上的操作，操作性质可以相同也可以不同。并行一般要求在时间上相互重叠。并行处理技术一般有三种形式：时间并行、空间并行、时间并行+空间并行。

1.1.1时间并行指时间重叠，时间并行的具体实现就是目前计算机上应用广泛的流水线技术。同一套硬件对不同的计算任务连续不断地执行，而不需要等待一个任务的全部完成再执行下一条指令。

1.1.2空间并行指资源的重复，主要实现方法是使用多处理机系统，采用空间优势实现并行处理。

1.1.3时间并行+空间并行综合使用上述两种方法，以得到更快的处理速度。

1.2并行处理技术的要点

并行处理技术是各种软件、硬件、操作系统相结合的技术。主要研究热点为：并行系统、并行算法、并行操作系统等。

并行系统主要研究并行处理技术的硬件方面，研究如何将众多的处理机（网络中的或本地的）和存储系统、输入输出系统组成一个完整的并行处理系统。包括硬件的连接、拓扑方式、同步通信机制、软硬件配置等。

并行操作系统主要用于并行系统间的通信和同步，支持并行计算，实现进程间的通信，并且要均衡分配计算任务，以使系统达到计算能力最大化。并行操作系统主要有多处理机并行操作系统、多计算机并行操作系统。

并行算法是并行处理技术中的一个研究热点。理论上，传统的串行算法无法在并行系统下直接运行，需要对其进行并行化处理才能运行。基本上需要从新设计并行的算法。并行算法主要研究如何将计算任务分解成能在并行系統上执行的任务，实现并行处理。并行算法优劣的评价通常采用以下指标：并行加速比、可扩展性、效率、成本、复杂性。

2.并行处理在电力系统分析中的应用

电力系统的并行处理主要是为了提高电力系统分析计算能力，增强实时计算性能。因为电力系统是一个快速变化的非线性系统。不同的电力系统计算任务具有不同的并行性和数据相关性，针对电力系统中不同的计算需求，通过认真研究和精确的算法设计，才能获得最好的并行计算结果。

2.1并行处理在潮流计算中的应用

潮流计算即在给定电力系统网络拓扑结构、元件参数、发电量、负荷参量的条件下，计算出有功功率、无功功率和电压在电网中的分布等数据。潮流计算描述了电力系统的稳态情况，是电力系统计算中的重要部分。

传统的串行解法综合运用了稀疏矩阵、三角分解前代和回代、节点编号优化、快速分解法等相关技术和技巧。在潮流计算中串行算法已经发展得比较成熟。目前，针对并行化潮流计算，研究重点主要集中在并行化三角分解前代和回代等方面。通过对矩阵分块法的的并行求解来实现并行性。通过降低最大因子路径的长度来减少顺序执行的步数，采用能够应用于向量机的向量化算法。通过超立方体结构找到稳态大矩阵的特征值以及特征向量。通过实践得到的一些结论表明，快速分解牛顿法的并行化算法可以获得接近10的加速比。

通过对现有的一些并行算法的研究，可以得出结论。新的并行算法都试图使相互依赖的前代和回代步数最小。但是在这些并行性算法中有着较大的限制。有些虽然可以将加速比提高到10左右，但是付出了较高的性能代价。由于迭代过程中前后依赖性大的困难一时难以克服，并行化潮流计算的瓶颈难以突破，有时强制的并行化算法反而比串行算法性能更差。

2.2并行处理在电力系统暂态稳定中的应用

2.2.1将系统的变量分组，进行空间并行化。

2.2.2通过几个时间段同时求解，称为时间并行化。最直接的并行化方法是按照发电机将微分方程进行分组，形成多个方程组，通过代数方程来实现各个微分方程组之间的耦合。时间并行是通过建立每个时间段的牛顿方程，同时求解来实现并行计算。

2.3并行处理在能量管理中的应用

电力系统的能量管理包括SCADA、AGC/EDC、电力系统静态安全分析、电力系统动态安全分析等。自从计算机硬件性能的大幅提升和工作站性价比的提高，能量管理系统已经得到了空前的发展。从集中的、孤立的系统发展为分布式、网络化、开放的系统。整个系统由多台计算机组成，通过网络互相连接。系统的功能分布在不同的计算机上，可扩展性得到了很大提高。在分布式系统上，通过并行处理技术实现整个能量管理系统的协同工作，极大地提高了工作效率，为并行化计算提供基本的硬件优势，适应电力系统的计算特点。因此，得到了很好的发展。

3.结束语

电力系统的规划和建设要考虑整个国家经济发展和城市建设，考虑资源的合理配置和开发利用。对这些设备之间的配合、方案设计需要进行大量的比较和计算。电力系统的实时计算要求也对系统提出了更高的要求，因此并行处理技术作为一种良好的提高计算速度的技术在电力系统中得到了应用。

参考文献：

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[2]范文涛，薛禹胜.并行处理在电力系统分析中的应用[J].电力系统自动化，1998（2）：64-67，72.endprint