基于Socket技术的快速解耦法潮流并行计算方法

2017-04-20

电气开关 2017年5期

(国网福建检修公司，福建　福州　350011)

1　引言

随着电力行业的发展，电网规模不断扩大，分布式潮流计算[1]对大规模电力系统的潮流跟踪、实时控制具有重要意义。目前分布式潮流计算的研究主要集中于将大电网分区后进行异步迭代计算的方法[2-3]和利用krylov子空间法对雅克比矩阵并行迭代求逆的方法[4]。本文研究了快速解耦法潮流计算，根据其雅克比矩阵不变易于并行化计算的特点，在多机群中对潮流方程进行了划分，利用Socket通信技术和高斯消元的技巧实现雅克比矩阵并行化求逆，进而提出了一种新的快速解耦法潮流并行计算方法。结合Zigbee组网方式，提出了组建小规模潮流并行计算微机集群的方法。本文方法简单实用，可临时组建微机集群以进行大规模潮流并行计算。最后，本文通过算例验证了该方法在减少计算、存储开销方面的优点。

2　快速解耦法潮流计算

快速解耦法潮流计算是一类应用广泛的潮流计算方法。其根据输电网潮流计算雅克比矩阵的特点进行了合理的简化，从而避免了迭代过程中矩阵的更新。快速解耦法分为有功迭代和无功迭代两步，公式为:

(1)

式中,B′、B″分别为有功和无功迭代的系数矩阵。通过有功和无功的重复迭代，可使得解集收敛于真实解。对于大规模系统潮流计算，其系数矩阵规模较大，故其存储开销较大。快速解耦过程中需分别对系数矩阵进行求逆，该过程需耗费大量的计算资源。因此将系数矩阵分布式存储、求逆有利于减少计算、存储开销。

由于系数矩阵的产生过程中，各行直接无相互影响。因此可按行对系数矩阵进行划分，将所需的原始数据在多机群进行分配，进而实现系数矩阵在多机群中分布式生成。另通过结合稀疏存储技术，可进一步减少存储开销。

利用高斯消元的技巧可实现系数矩阵求逆过程的并行化。

(2)

由于该求逆过程是以行向量为单位进行的，因此其过程易于并行化。系数矩阵B″包含于B′中，因此，使用该方法在求B′-1的过程中可直接获得B″-1，从而进一步减少了计算量。

3　基于Socket通信技术的并行化计算

Socket是BSDUNIX提供的网络应用编程接口，它采用客户/服务器的通信机制，使网络客户方和服务器方通过Socket实现网络之间的连接和数据交换。

由于Socket本身无主从机限制，因此可以利用Socket技术，结合Zigbee组网方式在网络中灵活的组建并行计算的微机集群。集群分服务单位和计算单元两类。服务单元用于管理子网络内的计算单元，并完成潮流计算的分配、协调工作。计算单元主要用于完成分配到的计算任务。当微机入网时，首先在局域网内寻找服务单元，若存在服务单元则登记，否者自行建立服务单元。当潮流计算开始时，微机集群中的任意单元将原始数据上传给服务单元，有服务单元分配原始数据，发起并协调潮流计算。其具体过程如图1所示。

图1　并行潮流计算的迭代过程

该方法组成并行计算微机集群的方式较灵活，允许任务开始前集群发生变化，可将办公网络内部分闲置的计算资源临时加入到并行计算中，设置一定的冗余计算后可以很大程度上提高计算稳定性。

4　算例分析

本文使用visual studio2010开发环境根据本文所述方法进行了程序编写，并对多个IEEE系统进行了计算，结果如表1所示。其中潮流方程采用平均分配的方式。

表1　软件内存占用情况

据表1可知，对于4节点电力网络，单微机计算占用的内存量大于多微机。随着网络规模的增大，多微机计算占用内存量少于单微机，且差距逐渐扩大。由此可以看出，使用本文方法，建立多微集群进行并行计算，可有效的节省各机的内存。另外由于受限于通信延迟的存在，小规模网络的多机计算的速度劣于单机计算，但随着网络规模的增加，多机计算的计算时间增加较少。本文方法并行计算的构架，故对于计算耗时大于通信耗时的大规模潮流计算，本文方法有明显速度优势。