大規(guī)模電力系統(tǒng)并行處理技術(shù)及可靠性評(píng)估Web計(jì)算系統(tǒng)研究.pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、本文受到教育部211工程項(xiàng)目“大電力系統(tǒng)可靠性并行分析系統(tǒng)研究”課題的資助。論文對(duì)電力系統(tǒng)并行處理技術(shù),特別是當(dāng)前尚未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的前沿性課題——大電力系統(tǒng)可靠性并行計(jì)算模型,進(jìn)行了深入的研究。 論文以Linux+MPI和COTS模式構(gòu)建高性能價(jià)格比的Beowulf集群平臺(tái)處理電力系統(tǒng)并行求解問題。接著基于Krylov子空間方法理論,提出一種新的適應(yīng)電力網(wǎng)絡(luò)矩陣求解的預(yù)條件處理技術(shù),結(jié)合PCG迭代有效降低了大規(guī)模電力系統(tǒng)高維稀

2、疏線性方程求解的計(jì)算復(fù)雜度,并基于Beowulf集群和MPI編程模型將其運(yùn)用到并行求解大規(guī)模電力潮流、狀態(tài)估計(jì)以及電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析問題中。然后,針對(duì)大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估問題,提出兩種Monte-Carlo并行仿真模型,建立配合收斂控制的異步化模擬過程,設(shè)計(jì)消息傳遞編程模型下的粗粒度算法,并對(duì)算法近似線性的加速性能作出理論分析,通過MPI編程在Beowulf集群上實(shí)現(xiàn)了大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的快速并行計(jì)算,利用并行處理技術(shù)成功緩解了大電

3、力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的“計(jì)算災(zāi)”。最后,以大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估并行程序?yàn)楹诵?,建立基于B/S三層模型的Web計(jì)算系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),提出對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和計(jì)算模塊裝載模型,開發(fā)出大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估Web計(jì)算系統(tǒng),以Web Service的形式實(shí)現(xiàn)了大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的Internet在線計(jì)算。 論文研究的具體內(nèi)容如下: (1) 以O(shè)penSource的Linux+MPI和COTS模式構(gòu)建了高性能價(jià)格比的Beowulf集群平

4、臺(tái)處理電力系統(tǒng)并行求解問題。基于最新的IT技術(shù),以實(shí)際的構(gòu)建過程為例,詳細(xì)分析了電力系統(tǒng)Beowulf計(jì)算集群的基本體系結(jié)構(gòu),從硬件、網(wǎng)絡(luò)和軟件三個(gè)方面解析其高性價(jià)比的構(gòu)建技術(shù)。同時(shí),運(yùn)用基準(zhǔn)測(cè)試程序(LinPACK、NPB和PMB)對(duì)這一高性能計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,顯示該平臺(tái)高效的并行計(jì)算性能,以及對(duì)程序可移植性的良好支持。論文介紹的基于集群技術(shù)構(gòu)建的電力系統(tǒng)高性能計(jì)算平臺(tái)為進(jìn)行大規(guī)模電力系統(tǒng)快速、詳細(xì)的并行仿真計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

5、(2) 研究了預(yù)條件處理的Krylov子空間方法求解大規(guī)模電力系統(tǒng)方程的問題。采用PCG迭代法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LU直接法對(duì)高維稀疏潮流方程進(jìn)行求解,并詳細(xì)比較各種預(yù)條件處理技術(shù)對(duì)CG法潮流方程求解的效果。結(jié)合電網(wǎng)絡(luò)矩陣求解的特點(diǎn),提出一種新的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化排序的Incomplete Cholesky預(yù)處理方法,通過對(duì)電網(wǎng)絡(luò)矩陣條件數(shù)的明顯改變,有效降低了CG迭代次數(shù)。實(shí)驗(yàn)分析證明它是CG法快速求解潮流的一種高效的預(yù)處理方法。對(duì)IEEE30、IEEE

6、118和多個(gè)合成的大規(guī)模電力系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算,結(jié)果表明這種預(yù)處理比其它的預(yù)處理需要更少的迭代次數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù),對(duì)超大規(guī)模電力系統(tǒng)的潮流問題也比傳統(tǒng)LU直接法更具速度和存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)。在電力系統(tǒng)互聯(lián)程度的不斷增加使其潮流計(jì)算面臨大規(guī)模甚至超大規(guī)模計(jì)算壓力時(shí),論文中的方法能夠成為傳統(tǒng)方法的一個(gè)替代。 (3) 將大規(guī)模電力系統(tǒng)方程PCG求解問題推廣到Beowulf并行集群?;跇?gòu)建的Beowulf分布式集群環(huán)境,徹底摒棄矩陣的傳統(tǒng)直接分解

7、算法,提出以易并行化實(shí)現(xiàn)的多項(xiàng)式預(yù)處理PCG法并行求解大規(guī)模電力系統(tǒng)方程。論文中的方法無(wú)需進(jìn)行任何形式的電網(wǎng)絡(luò)劃分,也無(wú)需進(jìn)行任何的矩陣三角分解和前推回代過程,適合各種類型的大規(guī)模電力系統(tǒng)方程的并行求解。論文分別在潮流計(jì)算、狀態(tài)估計(jì)中對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)方程實(shí)現(xiàn)了并行求解,并獲得一定的加速比和并行效率。特別在靜態(tài)安全分析中,論文提出的結(jié)合完全分解因子預(yù)處理的PCG法甚至強(qiáng)于傳統(tǒng)補(bǔ)償法對(duì)預(yù)想事故分析的計(jì)算。論文在大規(guī)模電力系統(tǒng)方程并行求解方面

8、的研究為大規(guī)模電力系統(tǒng)快速仿真計(jì)算提供了一種新途徑。 (4) 研究大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估并行仿真問題。分別采用狀態(tài)采樣法和系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移采樣法,進(jìn)行Monte-Carlo并行仿真。首先提出了與收斂判據(jù)相結(jié)合的任務(wù)分配拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并根據(jù)兩種方法并行模擬的不同需要改進(jìn)了現(xiàn)有的串行偽隨機(jī)數(shù)生成方式以適應(yīng)并行性,接著建立了能有效屏蔽并行進(jìn)程間模擬溢出的配合收斂控制的異步化模擬過程,完整設(shè)計(jì)出消息傳遞編程模型下的粗粒度算法,并對(duì)算法近似線性的加

9、速性能作出理論分析,最后基于構(gòu)建的Beowulf集群環(huán)境開發(fā)出大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估MPI并行程序。通過對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性評(píng)估計(jì)算,兩種Monte-Carlo法的并行程序均可達(dá)到較高的加速比和并行效率,可靠性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果亦與串行環(huán)境下得到的結(jié)果基本保持一致??紤]到提出的并行算法良好的加速性能以及集群系統(tǒng)的高可擴(kuò)展性,論文實(shí)際利用并行處理技術(shù)成功緩解了大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的“計(jì)算災(zāi)”。該研究工作是對(duì)國(guó)外若干電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估并行仿真研究的

10、深入和發(fā)展,在國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)道。 (5) 基于Beowulf集群平臺(tái),以大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估并行程序?yàn)楹诵?,采用B/S模式開發(fā)出大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估Web計(jì)算系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)Internet上的在線分析應(yīng)用。以LAMP為主要網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具,建立基于B/S三層模型的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),提出對(duì)應(yīng)的MySQL網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì),并以PHP系統(tǒng)調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)并行可靠性計(jì)算模塊的裝載。該計(jì)算系統(tǒng)具有客戶端免維護(hù)、可遠(yuǎn)程使用和易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。論文以Web

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