基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計算技術研究

楊誠

摘要：隨著電力市場建設的快速發(fā)展，系統(tǒng)仿真計算的計算量越來越高，傳統(tǒng)的單機模式已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)校核的需要，急需并行仿真計算方式提高仿真效率，保證電網(wǎng)安全運行。文章中提出了一種基于云平臺的并行計算仿真方法，可以提高仿真處理能力，為調(diào)度運行部門的生產(chǎn)工作提供有力支撐。

關鍵字：云平臺;電力系統(tǒng);仿真計算

0.引言

隨著電力市場改革的不斷深入，調(diào)度運行領域正面臨著越來越多的變化和挑戰(zhàn)。電力市場改革引入的大用戶直購電，日前、實時現(xiàn)貨市場和需求側響應等新的變化改變了傳統(tǒng)計劃安排下的電網(wǎng)運行模式，使得電網(wǎng)運行點不斷趨近安全邊界，增加了電網(wǎng)運行的風險;另一方面電力市場化改革特別是輸配電價改革，改變了電網(wǎng)企業(yè)的盈利模式，電網(wǎng)企業(yè)必須更加關注生產(chǎn)運行環(huán)節(jié)的成本控制，確保電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡述

目前常用的高性能計算平臺主要分為兩條路線：一種是傳統(tǒng)的高性能計算集群，這種方式在電力企業(yè)中已經(jīng)有了大量的應用。但是對于大規(guī)模電力系統(tǒng)，其計算能力受硬件資源限制，且可擴展性差，開發(fā)周期長技術難度高，系統(tǒng)遷移升級成本高。另一種是近年來出現(xiàn)的云計算技術，云計算平臺可以方便的按需彈性擴展計算資源，平臺化開發(fā)計算軟件，開發(fā)維護成本低。較為典型的應用如以下：

1）阿里云計算平臺。阿里云伏羲任務調(diào)度管理器系統(tǒng)：基于阿里云應用，提出以細粒度計算任務調(diào)度為核心的綜合調(diào)度方法，并實現(xiàn)了面向多數(shù)據(jù)中心的伏羲分布式調(diào)度平臺;支撐了阿里云數(shù)十萬節(jié)點的調(diào)度與資源管理。

2）Amazon AWS。AWS 提供全面的云計算產(chǎn)品線，產(chǎn)品類別涵蓋計算、存儲和內(nèi)容傳輸、關系型＼NoSQL數(shù)據(jù)庫、聯(lián)網(wǎng)、分析、企業(yè)應用程序、移動服務、物聯(lián)網(wǎng)、開發(fā)工具、管理工具等。

3）中國電科院云計算中心。中國電科院云計算中心利用云計算技術將全院的服務器資源統(tǒng)合起來，共承擔國家電網(wǎng)計量生產(chǎn)調(diào)度平臺、數(shù)值天氣預報、設備狀態(tài)等470套系統(tǒng)的計算業(yè)務，可提供包括網(wǎng)絡、軟件開發(fā)環(huán)境、數(shù)據(jù)等多類型的特色化服務。

綜上所述，云計算在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展迅速，提供從基礎到應用的各層次服務，并有了廣泛的應用。但由于云計算的服務類型尚不完善豐富以及存在信息安全問題等因素，在電力系統(tǒng)應用還不夠廣泛，有必要針對電力系統(tǒng)特殊的業(yè)務需求，進一步深化研究。

2基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計算技術研究

2.1 基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計算技術路線

本研究主要圍繞基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計算技術展開，提出基于云平臺的高彈性擴展并行計算平臺架構;在該云平臺計算架構上提出適用于云平臺多處理器高任務并行度的電力系統(tǒng)計算分析軟件架構;按照云平臺和提出的電力系統(tǒng)計算分析軟件架構的需求實現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真計算軟件的高性能并行計算;最終實現(xiàn)一個高效的電力系統(tǒng)仿真計算系統(tǒng)，能在給定的硬件資源下指定時間內(nèi)完成電力系統(tǒng)仿真計算工作。

2.2 基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計算技術研究要點

1、研究基于云平臺的高彈性擴展并行計算平臺架構技術;

研究與具體計算任務解耦的高彈性擴展并行計算平臺，包括：開發(fā)資源調(diào)度模塊，可以針對計算任務彈性分配計算資源;開發(fā)計算控制模塊，對計算節(jié)點和計算任務的狀態(tài)和結果進行調(diào)度、監(jiān)控及糾錯;開發(fā)計算結果處理模塊，對計算結果進行進一步整合及處理;開發(fā)平臺調(diào)用接口，通過腳本語言調(diào)用等方式為用戶提供具體計算分析程序的調(diào)用方式及接口;開發(fā)數(shù)據(jù)通信模塊，為計算數(shù)據(jù)的輸入輸出提供通信服務，保證計算數(shù)據(jù)在已有的系統(tǒng)和云平臺之間完整和高效傳輸。

2、研究適用于云平臺多處理器高任務并行度的電力系統(tǒng)計算分析軟件架構技術;

研究適用于云平臺的電力系統(tǒng)計算分析軟件架構，針對云平臺巨量的處理器核心數(shù)、豐富的I/O資源，對原有的計算分析軟件架構進行升級，實現(xiàn)潮流、暫穩(wěn)計算和輔助決策模塊的快速計算;研究軟件計算模塊之間的數(shù)據(jù)交互方式，減少數(shù)據(jù)交互造成的時間開銷。

3、研究電力系統(tǒng)仿真計算軟件關鍵模塊云平臺化技術;

研究電力系統(tǒng)仿真計算軟件跨平臺編譯運行的技術，通過修改計算程序代碼和編譯器參數(shù)，實現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真計算軟件的潮流、穩(wěn)定計算及輔助決策等計算模塊云平臺化，最終實現(xiàn)跨平臺通用的電力系統(tǒng)仿真計算軟件。

2.3基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計算技術需要解決的主要技術難點

1、基于云平臺的高彈性擴展并行計算平臺架構技術

基于云平臺的軟件開發(fā)工作與傳統(tǒng)的單機軟件開發(fā)工作存在著極大的不同，傳統(tǒng)的單機版的計算分析工具所使用的資源，是基于PC機的有限的物理資源;而基于云平臺的計算分析工具，使用的資源不再有固定的限制，處理器可以使用基于數(shù)據(jù)中心的服務器群，數(shù)據(jù)I/O可以通過網(wǎng)絡通信訪問磁盤陣列。為了更好的利用云平臺資源豐富的特性，基于云平臺的計算平臺應保證具有高彈性擴展和高并行的特性。

2、適用于云平臺多處理器高任務并行度的電力系統(tǒng)計算分析軟件

云平臺具有豐富的硬件資源，需要設計好計算分析軟件整體架構，保證多核并行計算時各個處理器核心工作強度接近;同時優(yōu)化好計算過程中的數(shù)據(jù)交互，減少對硬件的開銷，避免局部性能瓶頸影響到軟件整體計算效率。

3總結

電力市場改革一方面使得電網(wǎng)運行點不斷趨近安全邊界，增加了電網(wǎng)運行的風險;另一方面改變了電網(wǎng)企業(yè)的盈利模式，電網(wǎng)企業(yè)必須更加關注生產(chǎn)運行環(huán)節(jié)的成本控制，確保電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真計算技術因為自身計算速度慢，為了保證能夠適應實時運行中電網(wǎng)運行方式變化的要求，往往需要預留較大的安全裕度，客觀上壓縮了調(diào)度運行中電網(wǎng)經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化分析的優(yōu)化空間，不利于電網(wǎng)效益提升。基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計算技術可以利用云平臺強大的并行計算能力，極大的提升電力系統(tǒng)仿真計算的效率，滿足新形勢下調(diào)度運行的需求。

參考文獻

[1]Hazelcast. Hazelcast， in-memory data grid[CP/OL]. https：// hazelcast.com/

[2]劉鵬.云計算.北京：電子工業(yè)出版社，2011.