一种基于开源软件的新型电力系统网格计算平台
一种基于开源软件的新型电力系统网格计算平台
侯冠基1 , 张 尧1 , 周二专2 , 武志刚1 , L UO Xiaochuan3 , 刘配配1
(1. 华南理工大学电力学院 , 广东省广州市 510640 ; 2. InterPSS Systems LLC , USA ; 3. ISO New England Inc , USA)
摘要 : 提出了一种能够实现分布式并行计算的新型开源电力系统网格计算平台。该网格计算平台
是基于互联网的若干开源软件 ,通过软件技术 ,把高效网格分析处理软件 Gridgain 整合到电力系
统仿真软件 InterPSS 中 ,构建了一个高效的电力系统分布式并行计算平台。与现有的分布式并行
计算平台相比 ,该平台具有建立和维护简单、源代码开放和极强的可扩展性等特点 ,因而具有更广
阔的发展空间和应用前景。应用一个算例展示了如何通过简单的步骤对其功能进行扩展。
关键词 : 分布式并行计算 ; 网格计算 ; 电力系统仿真 ; 开源软件 ; 电力系统
中图分类号 : TM744
收稿日期 : 2008206206 ; 修回日期 : 2008209216。
“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAA02A17) 。
0 引言
随着现代电力系统规模的不断扩大 ,传统的串
行计算的处理方法在处理规模和速度上已经无法满
足大电网模拟和实时控制的仿真要求 ,研究高效的
并行计算平台及其在电力系统中的应用已成为近年
来学术界和工业界的热点问题之一。
随着在数学领域对并行计算研究的不断深入和
成熟 ,国内外电力系统专家和学者开始致力于如何
将数学领域的这些成果应用到电力系统领域 ,经过
不断探索和努力 ,出现了一批优秀的、可行的并行计
算平台。文献[1 ]提出了一种基于分布式并行原理
的遗传算法 ,采用主从方式组织局域网内的多台机
器构建并行处理平台 ,并将其应用到无功优化问题
中。文献[2]利用网络工作站(NOW) 和并行虚拟机
(PVM) 成功构造了一个并行计算环境。文献[324 ]
将分布式并行计算技术应用到电网实时、在线决策
和分析 ,以满足对海量数据进行快速处理的需要。
文献[ 5 ]基于高性能集群环境构建了一个粗粒度
Monte Carlo 并行计算模型 ,实现了对大型电力系
统可靠性的评估计算。而基于文献[6 ]提出的并行
计算技术 ,中国电力科学研究院已研发出了网格计
算平台 PSASP @home ,该平台实现了计算性能的
提升和并行计算机数目的线性增长 ,可以为在线计
算的各种动态评估软件提供不可缺少的运行平台 ,
该平台目前已在国调中心等多个单位成功应用。
国外也有一些成功的并行计算平台。例如 :
SIMENS PTI 公司的电力系统分析软件 PSS/ E 通
过整合网格环境管理软件 EnFuzion 构建了一个网
格计算环 境[7 ] ; 另外 一些著 名的网 格平台 包 括
GridPP , Globus , IPG 和 EURO GRID 等 ,它们在
美国、英国、德国等地都已投入实际应用 ,取得了很
好的效果。
虽然目前这些并行处理平台已经成功地实现了
计算任务的并行处理 ,并且取得比较理想的并行比 ,
但是 ,这些软件和平台仍存在以下问题 :
1) 有的是某些高校研究团队根据特定的研究项
目所开发的 ,例如只针对暂态的分析[8] ,对电力系统
其他方面的问题不具有广泛的适用性 ;
2) 有的是商业软件 ,不仅需要支付高昂的费用
来获得软件 ,而且软件是采取封装的形式发布的 ,其
源代码不公开 ,不利于广大高校师生的科研、学习和
对软件的改进 ;
3) 往往需要特定的硬件环境和专业的 IT 方面
的专业知识 ;
4) 是 基于老 一代的 网格技 术例如 PVM 和
EnFuzion 等建立的 ,随着并行计算技术的快速发
展 ,上述软件所采用的构造计算网格的技术还有很
大的提高空间 ,以达到最高的并行计算效率。
基于上述原因 ,本文介绍一种基于最新网格技
术、开源、新型分布式并行计算平台 ———InterPSS
网格计算平台。该平台是在开源的电力系统仿真软
件 InterPSS[9 ] 的基础上 ,整合最新的网格计算技术
构建而成的 ,具有建立和维护简单、免费使用、源代
码公开、并行效率高、扩展性和普遍适用性强等特
点。最后 ,通过一个简单的例子演示了如何简单地
进行其性能的扩展。
—65—
第 33 卷 第 1 期
2009 年 1 月 10 日
Vol. 33 No. 1
Jan. 10 , 2009
1 构建 InterPSS 网格计算平台的资源和
工具
1. 1 InterPSS
InterPSS 是一个基于互联网概貌、源代码公开
的电力系统仿真软件 ,它主要基于现代的网络和计
算机技术 , 包括 Java 、可扩 展置标 语言 ( XML ) 、
Eclipse 平台和其他一些开源软件系统 ,例如 Spring
Framework ,J Graph 和 Apache Commons 等 ,旨在
为电力系统的设计、运行分析和仿真提供一个新的
开源仿真软件平台。
如图 1 所示 ,InterPSS 整个结构的核心是一种
基于面向对象的电力系统仿真模型架构。它是一种
柔性、可扩展、易于维护的软件系统 ,其最大的特点
是具有源代码公开、组成松散的结构 ,用户可以根据
各自的需求 ,通过插件 (plug2in) 的形式增加相应的
模块 功 能 或 替 换 相 应 的 模 块 来 实 现。目 前 ,
InterPSS 已经实现了交流和直流潮流计算、短路计
算、暂态稳定计算的仿真功能 ,并且用户可以轻易地
在此基础上将其功能拓展到协调保护、谐波分析、电
力市场、可靠性分析等领域。
图 1 InterPSS 系统架构
Fig. 1 InterPSS software architect
此外 , InterPSS 还具有自定义脚本控制功能 ,
用户可以根据自己的需求 ,通过 XML 或者 Java 编
写简单的脚本(script) 来对软件的输入输出、计算任
务参数设置和计算流程进行控制 ,大大增强了系统
的可扩展性。本文提出的网格计算平台正是基于
InterPSS 的这种插件的扩展功能和脚本控制功能
实现的 ,具体内容将在后文详细叙述。
1. 2 GridGain
GridGain[10 ] 是一个采用最新网格平台构建技
术、开源的 Java 网格计算平台 ,它集成了很多现成
的框架 ,例如 JBoss , Spring 和 J Groups 等 ,与其他
网格计算工具一样 ,可以对复杂计算、数据处理、大
规模数据搜索和分析、图像识别等问题进行分布式
平行处理 ,具有更高的并行能力和效率。
GridGain 提供的关键技术是分解和聚合[11] ,其
原理已广泛用于 Google 等大型搜索引擎 ,见图 2。
图 2 网格计算原理
Fig. 2 Architect of InterPSS grid computing
通过这种分裂和聚合可以实现分布式平行计
算 ,并使计算过程更加高效、更加具有可测量性。从
理论上来说 ,绝大多数情况下计算网络中计算节点
越多 ,效率提高得越多。只有当网格规模大到相当
程度 ,以至于新增计算资源带来的计算加速已无法
补偿因通信量增加带来的延迟 ,基于 GridGain 的网
格计算的可处理规模才达到极限 ,后文算例的分析
也验证了这一理论分析 ,平台的并行效率并不会因
为网格中的 CPU 数目的增多而减少。
GridGain 的以下一些特点使得整个计算过程
中数据处理更加高效、灵活和可靠 :
1) 计算任务流的高效控制。GridGain 允许用
户对任务流进行自定义控制 ,以适应网格的非确定
性的本质。实际上 ,网格环境通常是异构的 ,而且不
是静止的 ,计算任务在计算处理时也会发生改变。
通过这种对任务分配流的控制 ,可以确保任务按照
预期的目标完成。
2) 点对点的类装载技术。用户可以在一台计算
机上运行多个虚拟的计算节点而不需要进行任何设
置 ,而且 GridGain 具有一个点对点的类装载技术 ,
当用户修改了程序代码后 ,并不需要对已经运行的
计算节点做任何修改 ,这些节点就可以接收到修改
的信息。
3) 良好的纠错能力。当某一计算节点退出计算
时 , GridGain 能及时发现该问题 ,并且马上搜寻网
格中相对空闲的计算节点 ,把该未完成的任务转移
到该节点。
1. 3 XML
XML 是一种表示结构化信息的标准文本格式 ,
它提供了一种独立于运行程序的方法来共享数据 ,
是用来自动描述信息的一种新的标准语言。XML
与其他计算机语言一样有自己的语义、语法描述方
法。XML 的主要特点包括异构系统间的信息互通、
数据内容与显示处理分离、自定义性和可扩展性。
XML 是 InterPSS 网格计算平台的根基之一。
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·研制与开发 · 侯冠基 ,等 一种基于开源软件的新型电力系统网格计算平台
InterPSS 网格计算平台主要是利用 XML 编写控制
脚本 ,传达控制信息 ,包括计算任务的创建、传送 ,对
计算网络参数的修改和结果的输出等命令。
2 InterPSS 网格计算平台的构建
2. 1 InterPSS 网格计算平台的组成
本文所要构建的 InterPSS 网格计算平台的目
的是 ,通过编程技术整合一些开源软件 ,把通过高速
局域网(100 Mbit/ s 或 1 Gbit/ s) 连接在一起的计算
机资源整合起来 ,实现计算任务的分布式并行处理 ,
形成一个具有强大计算能力的超级计算单元 ,无需
投资额外的硬件资源 ,具有明显的成本优势。
图 3 是一个 InterPSS 网格计算平台的组成结
构图。它 是 由 一 台 安 装 上 了 InterPSS 客 户 端、
GridGain 代理和Java 运行环境(J RE 6. 0) 的计算机
(主 PC) 作为主节点 ,通过局域网把其他若干台安装
有 Java 运行环境和 GridGain 代理的计算机 ( PC1 ,
PC2 , ?,PCn) 连接而成。
图 3 InterPSS 网格计算平台的组成
Fig. 3 Connection of InterPSS grid computing platform
2. 2 InterPSS 网格平台的编程实现和工作流程
如前文所述 ,本网格计算平台是在 InterPSS 电
力系统仿真器基础上 ,利用 InterPSS 提供的良好的
扩展性 ,整合了能提供最新的网格平台构建技术的
GridGain 构建的。因为两者都具有良好的系统架
构和应用程序接口 (API) ,利用 Java 作为编程语言
可以方便地通过程序把它们整合起来。由于是一个
开源的软件 ,相关的源代码可在文献[8 ]中找到。
另外 ,利用 XML 作为信息传递的媒介 ,将相关
的网络信息、控制信息等传递到仿真器内核 ,仿真器
核心程序收到这些信息后 ,生成相应的对象实例 ,分
配到各计算节点进行并行处理 ,具体工作流程如下 :
1) 在主节点启动 InterPSS 和 GridGain ,在其他
节点启动 GridGain ;
2) 载入待分析的系统数据 ;
3) 编写 XML 或 Java 脚本定义运行任务 ;
4) 子任务在各计算节点进行并行处理 ;
5) 各节点把关心的结果送回主节点。
2. 3 InterPSS 网格计算平台的适用性
InterPSS 网格计算平台目前尚处于起步阶段 ,
但是在处理某些电力系统复杂计算问题上已经显示
出了其巨大的优越性。总体上说来 ,这些问题具有
以下共同的特点 :
1) 待研究问题的计算量十分大 ,对计算机硬件
资源、性能要求非常高 ,计算量成为解决该问题最大
的负担 ,以至于一般的计算机设备不能及时、有效地
解决该问题。
2) 待研究问题本身包括一系列相对独立的子任
务 ,即待研究问题可以分解成为若干个相对独立、相
互之间没有或很少交叉、可以并行处理的子问题 ,其
最终结果可以通过分析这些子问题的结果而得出。
进行电力系统分析研究时 ,例如静态稳定性安
全评估、故障分析、暂态稳定性评估和优化计算分析
等 ,通常都需要进行大量仿真计算 , InterPSS 网格
计算平台在解决这类问题时具有很好的效果。
此外 ,因为 InterPSS 网格计算平台具有良好的
扩展性 ,可以随时根据研究兴趣的不同而轻易地改
变或者增加其功能 ,这也是其最重要的特点。
3 InterPSS 网格计算平台的测试和扩展性
分析
3. 1 InterPSS 网格计算实验平台的构建
为了测试 InterPSS 网格计算平台的高效性 ,作
者在实验室搭建了一个测试网格。网格的组成如
表 1 所示。网络的传输速度为 100 Mbit/ s。
表 1 测试网格的计算机配置
Table 1 Computers deployment in the study case
计算机 CPU 内存
主 PC(主节点) 2 ×1. 86 GHz 笔记本 1 GB
PC2 2 ×1. 73 GHz 笔记本 2 GB
PC3～PC5 2. 66 GHz 台式机 760 MB
PC6～PC8 2. 40 GHz 台式机 512 MB
3. 2 测试算例以及结果分析
3. 2. 1 算例
为了说明问题 ,这里分别就 N - 1 校验时的潮
流计算和暂态稳定计算进行说明。算例 1 是一个欧
洲大陆的等效电力网络 ,该网络含有 1 944 条支路
和 378 台发电机 ,对该网络进行 N - 1 分析 ,共定义
了 2 500 个故障 ,分别进行单个故障下的潮流计算。
算例 2 是一个 IEEE 5 母线算例 ,对动态元件采用高
阶模型。对网络进行暂态稳定计算 ,定义了 10 个故
障。但为了增加计算量 ,这里重复计算 100 次 ,以模
拟大电网的实际情况 ,这样共需进行 1 000 次暂态
稳定分析计算 ,需要解超过 1 000 次的微分代数方
程 ,显然计算量非常大。
3. 2. 2 纵向比较
为了说明 InterPSS 网格计算平台的优势 ,这里
—85—
2009 , 33 (1)
与用传统的单机串行计算方法得出的结果进行了比
较 ,结果如表 2 所示。
表 2 测试结果
Table 2 Results of the study cases
测试算例 单机串行
计算时间/ min
InterPSS 网格
计算时间/ min 并行效率 E
算例 1 :潮流 250 26 0. 96
算例 2 :暂态 330 35 0. 94
表 2 中 ,并行效率 E 定义为 : E = G/ p。其中 , G
为加速比 , G = Ts / Tp , Ts 为串行算法的计算时间 ,
Tp 为并行算法在 p 个 CPU 上的计算时间。
3. 2. 3 CPU 个数对计算速度的影响
为了得到计算网格中不同的 CPU 数与计算速
度的关系 ,测试了不同 CPU 个数情况下 InterPSS
网格计算平台的计算速度 ,其结果见图 4。
图 4 CPU数量与 InterPSS 网格计算平台效率的关系
Fig. 4 Performance of InterPSS grid computing platform
从图 4 可以看出 ,计算速度的提升与 CPU 的个
数基本上成正比 ,这与上述理论分析一致。
3. 2. 4 测试结果分析
从上文的比较结果可以看出 ,InterPSS 网格平
台具有很好的并行效率 ,究其原因可以从技术层面
上进行分析。现有的一些方法或者是基于老一代的
网格环境构建软件 ,例如 PVM , EnFuzion 等来构
建网格计算平台 ,而 InterPSS 网格平台则是基于最
新的网格技术而构建的 ,具有较好的任务流控制、信
息传送系统、纠错机制以及高效的面向对象的编程
技巧 ,可以动态地分配内存的资源 ,最大化资源的利
用 ,因而具有更高的计算效率。例如 ,它可以使得网
格中所有 CPU 的利用率都是 100 % ,而传统方法的
CPU 利用率只有 50 %。
3. 3 InterPSS 网格计算平台的扩展性分析
InterPSS 网格平台一个最大的优点就是它的
可扩展性 ,用户可以根据其特定的研究兴趣对平台
的功能进行扩展。一般包括 2 个层次的扩展 :通过
源代码进行扩展和通过脚本定义任务进行扩展。通
过源代码进行扩展的方法对用户的软件构造、Java
语言以及系统架构等知识有较高的要求 ,因此该方
法并不适用于一般电力系统领域的研究人员和学
者 ;通过定义控制脚本的方法进行扩展则非常简单
和方便 ,比较适合电力系统领域的研究人员。因此 ,
这里通过一个具体的例子简单地介绍如何通过定义
脚本的方法进行平台功能的扩展。
如上所述 ,本网格平台是利用 XML 编写控制
脚本的 ,例如以下就是一段用来定义 N - 1 计算的
一个故障的语句 ,用于断开线路 000120005 支路 :
< ipss :aclfStudyCase >
< ipss :recId > breakline - 2 < / ipss :recId >
< ipss :recDesc > Openbranch0001 - > 0005
< ipss :recDesc >
< ipss :modification >
< ipss :branchChangeRecList >
< ipss :branchChangeRec >
< ipss :recId > line - 2 < / ipss :recId >
< ipss :fromBusId > 0001 < / ipss :fromBusId >
< ipss :toBusId > 0005 < / ipss :toBusId >
< ipss :offLine > true < / ipss :offLine >
< ipss :branchChangeRec >
< ipss :branchChangeRecList >
< / ipss :modification >
< / ipss :aclfStudyCase >
在 N - 1 潮流分析的基础上 ,如果发现元件有
越限的情况 ,需要采取若干控制措施 ,例如切机、切
负荷和投切补偿容量等 ,以便使原来越限的元件不
再越限。原来简单的 N - 1 分析已经不能满足这种
多重分析的需要 ,因此必须对平台的功能进行扩展。
扩展后的平台需包括以下 3 个功能 :
1) 基本的 N - 1 分析功能。
2) 对 N - 1 计算后系统状态的评估和判断 ,若
发现越限情况 ,则执行相应的控制措施。
3) 施加控制措施后再运行 N - 1 计算 ,分析越
限元件是否满足运行要求 ;若不满足 ,则继续执行相
应的控制措施。
为了实现这些功能 ,可以在原来 N - 1 分析的
XML 脚本基础上进行扩展 ,例如可增加以下语句 :
< ipss :preventiveRuleSet >
< ipss :recId > protectRuleSet1 < / ipss :recId >
< ipss :priority > 1 < / ipss :priority >
< ipss :preventiveRuleList >
< ipss :preventiveRule >
< ipss :condition >
< ipss :conditionType > AND < / ipss :conditionType >
< ipss :branchConditionSet >
< ipss :recId > BranchCond - 1 < / ipss :recId >
< ipss :fromBusId > 0001 < / ipss :fromBusId >
< ipss :toBusId > 0002 < / ipss :toBusId >
< ipss :branchCondition > RatingMva1Violation
< / ipss :branchCondition >
< / ipss :branchConditionSet >
—95—
·研制与开发 · 侯冠基 ,等 一种基于开源软件的新型电力系统网格计算平台
< / ipss :condition >
< ipss :busAction >
< ipss :recId > ProctectAction - 1 < / ipss :recId >
< ipss :busId > 0014 < / ipss :busId >
< ipss :loadShedding > true < / ipss :loadShedding >
< / ipss :busAction >
< / ipss :preventiveRule >
< / ipss :preventiveRuleList >
以上语句的含义是 :当支路 000120002 出现越
限时 ,执行在节点 0014 切负荷的动作 ,并且赋予这
个动作最高的优先权。此外 ,还可以定义更多的其
他动作 ,例如在其他节点上也进行切负荷 ,但是赋予
它相对较低的优先权 ,表示当执行完最高优先权的
动作后 ,如果系统还出现越限的元件 ,则继续执行这
个优先权次之的动作。
通过这样简单的扩展 ,用户就可以把单纯的
N - 1 分析功能扩展成包括控制分析在内的多功能
N - 1 分析平台 ,不仅可以实现 N - 1 分析 ,而且可
以利用网格计算功能评估若干控制措施的效果。
在实际工程中 ,系统的控制措施可能非常复杂 ,
这里所举的例子仅仅是为了演示说明的目的 ,但是
根据此思路 ,用户可以设计具体的、适合实际的控制
措施进行分析。更进一步 ,根据这种扩展的方法 ,用
户可以把这种网格的分布式并行计算的功能应用到
其他一些适用于这种分布式处理模式的问题上。
4 结语
本文介绍了一种新型的基于若干网络开源软件
的电力系统分布式并行处理平台 ———InterPSS 网
格计算平台。与现有的网格计算平台相比 ,它具有
使用免费、源代码开放、并行效率高、建立和使用以
及维护简单、普遍适用性和扩展性强等特点。与传
统的串行计算方法以及与现在的具有并行计算功能
的商业软件的比较表明 ,该平台在并行效率上具有
同样、甚至更好的表现 ,同时具有使用和维护简单、
扩展性强的优点。
InterPSS 网格计算平台是一个开源的软件 ,目
前其基 本 框 架 已 经 构 建 完 毕。在 现 有 基 础 上 ,
InterPSS 网格计算平台将会进一步完善扩展其功
能 ,并会涉及到更多具体的电力系统实际问题 ,包括
实时暂态稳定性评估方面的问题、电压稳定问题以
及级联故障的分析等。
参 考 文 献
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126. com
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研究方向 :电力系统运行分析与控制、电压稳定性。E2mail :
epyzhang @scut. edu. cn
周二专 (1960 —) ,男 ,博士 ,高级软件工程师 , InterPSS
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(下转第 80 页 continued on page 80)
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徐志强 (1975 —) ,男 ,通信作者 ,博士研究生 ,主要研究
方向 :电力通信中资源分配。E2mail : xu8282836 @163. com
翟明岳 (1971 —) ,男 ,副教授 ,主要研究方向 :电力通信
中的关键技术。E2mail : zhaimingyue @ncepu. edu. cn
赵宇明 (1978 —) ,男 ,博士 ,主要研究方向 :电力通信中
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Energy Time Frequency Distribution Based on Power Line Channel Effect and Its
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XU Zhiqiang1 , Z HA I Mingyue1 , Z HA O Yuming2
(1. North China Electric Power University , Beijing 102206 , China ;
2. Graduate School at Shenzhen , Tsinghua University , Shenzhen 518055 , China)
Abstract : In no description of power line channel models with time varying and frequency selecting characteristics available has
any account been taken of the channel effect of energy time frequency distribution ( ETFD) . The classification of power line
channel effects into the multiplicative and additive ETFD is proposed , which compares their differences by using three time
frequency analytical methods and simulates the available slot number in every sub2carrier or the available sub2carrier number in
every slot using smooth pseudo Wigner2Ville distribution (WVD) . The three energy assignment methods of average or greed or
cellar are also recommended , which simulates their energy time frequency assignments in the given channel effect and attainable
total energy. The results obtained show that the average algorithm has the lowest operational complexity and the cellar
algorithm the lowest energy loss values.
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 60402004) and the State Education Ministry
of China (No. 105050) .
Key words : power line communication ; channel effect ; time frequency analysis ; energy assignment
(上接第 60 页 continued from page 60)
A New Power System Grid Computing Platform Based on Internet Open Sources Software
HOU Guanji1 , Z HA N G Yao1 , Michael Z HOU2 , W U Zhi gang1 , L UO Xiaochuan3 , L IU Pei pei1
(1. South China University of Technology , Guangzhou 510640 , China ; 2. InterPSS Systems LLC , USA ;
3. ISO New England Inc , USA)
Abstract : A distributed and parallel power system grid computing platform is developed by use of certain Internet open sources
and by integrating high efficiency grid processing software GridGain into InterPSS , a power system simulation platform. The
new platform , named InterPSS grid computing platform , works by gathering the idled computer hardware resources in the local
area network (LAN) . Compared to the existing grid2computing platform , the proposed solution is characterized with high
parallel efficiency , easy setup and maintenance , and open source , has a bright future in applications to the power system field.
This conclusion is drawn on a concrete comparison between the proposed and existing solutions.
This work is supported by National Mega2projects of Science Research for the 11th Five2year Plan (No. 2006BAA02A17) .
Key words : distributed and parallel processing ; grid computing ; power system simulation ; open source software ; power
systems
—08—
2009 , 33 (1)
一种基于开源软件的新型电力系统网格计算平台.pdf
