基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算技術(shù)研究

楊誠

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

關(guān)鍵字：云平臺;電力系統(tǒng);仿真計(jì)算

0.引言

隨著電力市場改革的不斷深入，調(diào)度運(yùn)行領(lǐng)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(shí)時現(xiàn)貨市場和需求側(cè)響應(yīng)等新的變化改變了傳統(tǒng)計(jì)劃安排下的電網(wǎng)運(yùn)行模式，使得電網(wǎng)運(yùn)行點(diǎn)不斷趨近安全邊界，增加了電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)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(guān)注生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)的成本控制，確保電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡述

目前常用的高性能計(jì)算平臺主要分為兩條路線：一種是傳統(tǒng)的高性能計(jì)算集群，這種方式在電力企業(yè)中已經(jīng)有了大量的應(yīng)用。但是對于大規(guī)模電力系統(tǒng)，其計(jì)算能力受硬件資源限制，且可擴(kuò)展性差，開發(fā)周期長技術(shù)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(jì)算技術(shù)，云計(jì)算平臺可以方便的按需彈性擴(kuò)展計(jì)算資源，平臺化開發(fā)計(jì)算軟件，開發(fā)維護(hù)成本低。較為典型的應(yīng)用如以下：

1）阿里云計(jì)算平臺。阿里云伏羲任務(wù)調(diào)度管理器系統(tǒng)：基于阿里云應(yīng)用，提出以細(xì)粒度計(jì)算任務(wù)調(diào)度為核心的綜合調(diào)度方法，并實(shí)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(diǎn)的調(diào)度與資源管理。

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

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

綜上所述，云計(jì)算在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展迅速，提供從基礎(chǔ)到應(yīng)用的各層次服務(wù)，并有了廣泛的應(yīng)用。但由于云計(jì)算的服務(wù)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(yīng)用還不夠廣泛，有必要針對電力系統(tǒng)特殊的業(yè)務(wù)需求，進(jìn)一步深化研究。

2基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算技術(shù)研究

2.1 基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算技術(shù)路線

本研究主要圍繞基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算技術(shù)展開，提出基于云平臺的高彈性擴(kuò)展并行計(jì)算平臺架構(gòu);在該云平臺計(jì)算架構(gòu)上提出適用于云平臺多處理器高任務(wù)并行度的電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件架構(gòu);按照云平臺和提出的電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件架構(gòu)的需求實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件的高性能并行計(jì)算;最終實(shí)現(xiàn)一個高效的電力系統(tǒng)仿真計(jì)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(jì)算工作。

2.2 基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算技術(shù)研究要點(diǎn)

1、研究基于云平臺的高彈性擴(kuò)展并行計(jì)算平臺架構(gòu)技術(shù);

研究與具體計(jì)算任務(wù)解耦的高彈性擴(kuò)展并行計(jì)算平臺，包括：開發(fā)資源調(diào)度模塊，可以針對計(jì)算任務(wù)彈性分配計(jì)算資源;開發(fā)計(jì)算控制模塊，對計(jì)算節(jié)點(diǎn)和計(jì)算任務(wù)的狀態(tài)和結(jié)果進(jìn)行調(diào)度、監(jiān)控及糾錯;開發(fā)計(jì)算結(jié)果處理模塊，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)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(jì)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(jì)算數(shù)據(jù)的輸入輸出提供通信服務(wù)，保證計(jì)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(wù)并行度的電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件架構(gòu)技術(shù);

研究適用于云平臺的電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件架構(gòu)，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(jì)算分析軟件架構(gòu)進(jìn)行升級，實(shí)現(xiàn)潮流、暫穩(wěn)計(jì)算和輔助決策模塊的快速計(jì)算;研究軟件計(jì)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(jì)算軟件關(guān)鍵模塊云平臺化技術(shù);

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

2.3基于云平臺的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算技術(shù)需要解決的主要技術(shù)難點(diǎn)

1、基于云平臺的高彈性擴(kuò)展并行計(jì)算平臺架構(gòu)技術(shù)

基于云平臺的軟件開發(fā)工作與傳統(tǒng)的單機(jī)軟件開發(fā)工作存在著極大的不同，傳統(tǒng)的單機(jī)版的計(jì)算分析工具所使用的資源，是基于PC機(jī)的有限的物理資源;而基于云平臺的計(jì)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(wù)器群，數(shù)據(jù)I/O可以通過網(wǎng)絡(luò)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(jì)算平臺應(yīng)保證具有高彈性擴(kuò)展和高并行的特性。

2、適用于云平臺多處理器高任務(wù)并行度的電力系統(tǒng)計(jì)算分析軟件

云平臺具有豐富的硬件資源，需要設(shè)計(jì)好計(jì)算分析軟件整體架構(gòu)，保證多核并行計(jì)算時各個處理器核心工作強(qiáng)度接近;同時優(yōu)化好計(jì)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(jì)算效率。

3總結(jié)

電力市場改革一方面使得電網(wǎng)運(yùn)行點(diǎn)不斷趨近安全邊界，增加了電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)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(guān)注生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)的成本控制，確保電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真計(jì)算技術(shù)因?yàn)樽陨碛?jì)算速度慢，為了保證能夠適應(yīng)實(shí)時運(yùn)行中電網(wǎng)運(yùn)行方式變化的要求，往往需要預(yù)留較大的安全裕度，客觀上壓縮了調(diào)度運(yùn)行中電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)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(jì)算技術(shù)可以利用云平臺強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，極大的提升電力系統(tǒng)仿真計(jì)算的效率，滿足新形勢下調(diào)度運(yùn)行的需求。

參考文獻(xiàn)

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

[2]劉鵬.云計(jì)算.北京：電子工業(yè)出版社，2011.