基于OpenMP的电力系统并行故障计算实现.pdf
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1、第 5 3卷第 5期 2 0 1 6年3月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r ume n t a t i o n V0 1 5 3 NO 5 M a r 1 0。 2 01 6 基于 O p e n MP的电力系统并行故障计算实现 术 韦嘉 , 柏瑜 , 熊兰 , 王珊 , 杨子康 ( 1 国网重庆 市 电力公 司市 区供 电分公 司 , 重庆 4 0 0 0 1 0 ; 2 重庆大学 输配电装配及 系统安全与新技术 国家重点实验室, 重庆 4 0 0 0 3 0 ) 摘要 : 故障计算是 电力系统最基本
2、的计算 。随着电网规模与电力节点数 E l 益增大 , 计算需要花费的时间越来越 长。传统的串行计算方法已不太可能在计算速度上获得实质性进展 , 多核并行计算正引领着软件的研发方向。 介绍了O p e n M P编程技术和故障计算原理, 并基于 O p e n M P编写故障计算程序, 提出并行故障计算方法。通过 用 串行和并行两种方式对系统进行故障计算测试 , 仿真结果发现并行计算 的时间明显低于串行计算 , 的确是一 种低成本 、 高效率的解决方案 。 关键词 : O p e n MP ; 故障计算 ; 并行计算 ; 串行计算 中图分类号 : T M9 3 文献标识码 : A 文章编号 :
3、 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 0 2 80 6 Op e n M P- ba s e d p a r a l l e l c o m p ut a t i o n o n f a u l t s o f po we r s y s t e m We i J i a ,Ba i Yu ,Xi o n g L a n ,Wa n g S h a n ,Ya n g Z i k a n g ( C i t y P o w e r S u p p l y B u r e a u o f C h o n g q i n g E l e c t r i c P o w
4、 e r C o m p a n y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 0 ,C h i n a 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y of P o w e r T r a n s m i s s i o n E q u i p me n t s&S y s t e m S e c u r i t y a n d N e w T e c h n o l o g y C h o n g q i n g U n i v e r s i t y , C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ,C h i n a ) A
5、bs t r a c t :Fa u l t c a l c u l a t i o n i s t h e b a s i c c o mpu t a t i o n i n po we r s y s t e mW i t h t he i n c r e a s i n g n o d e n u mb e r a n d c o v e r i n g a r e a o f p o we r g r i d s,i t t a k e s mu c h mo r e t i me t o c a l c u l a t e t h a n e v e r Ca l c u l a t
6、 i o n a n d a na l y s i s a r e f a c i n g s e r i o us c h al l e ng e s,a n d t r a d i t i o na l s e ria l c o mp u t i n g me t h o ds h a v e b e e n u n l i ke l y o b t a i n e d s ub s t a n t i a l pr o g r e s s o n c o mp u t i ng s pe e d, mul t i c o r e p a r a l l e l c o mp u t i
7、 n g i s l e a d i n g s o f t wa r e d e v e l o pme nt Th e t e c h n o l o g y o f Op e n MP- b a s e d p a r a l l e l c o mp u t a t i o n i s i nt r o d u c e dTh e ba s i c p rin c i p l e a n d mo d e l o f f a ul t c a l c u l a t i o n a r e a n a l y z e dBy u s i n g s e r i a l a nd p a
8、 r a l l e l wa y s r e s p e c t i v e l y t o c a l c u l a t e t h e t i me f o r f a u l t t e s t i n gS i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e t i me wa s s i g n i fic a n t l y l o we r t h a n t he s e ria l p a r a l l e l c o mpu t i ng,a n d t h e v a l i d i t y o f t h e
9、me t ho d i s t e s t e d t h r o u g h t h e e x p e rime n t Ke y wor ds: Op e n MP,f a u l t c o mp ut a t i o n,pa r a l l e l c o mp ut a t i o n,s e r i e s c o mp u t a t i o n 0 引 言 故障计算是分析 电力系统动态 变化的基础 , 当 进行 电网整定计算 和定值 校验时 , 需要模 拟在各种 电网运行方式下 的故 障计 算 , 复杂 的计算 过程和较 大的计算量使传统的串行计算方法受到考验, 计算 速度
10、低, 因此, 提高故障计算速度是一项亟待解决的 问题。 多核 C P U的发展给并行计算技术创造 了条件 , 基 金 项 目 : 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 ( 9 7 3 计 划 ) ( 2 0 0 9 C B 7 2 4 5 0 8 1) ;重 庆 市 电 器 检 测 工 程 技 术 研 究 中 心 ( C S T C 2 0 1 1 p t - g c 7 0 0 0 9 ) 一 28 一 并行计算是解决电力 系统耗时过多的重要途径。 目 前主流的并行计算 有分布式计算 、 多线程 技术和利 用 G P U计 算的并行技术 J 。分 布式 计算 主要利用 MP I 技
11、术将任务分配给多台计算机 , 计算速度快 , 但 是对算法的依赖性强 , 如果程序设计不当, 并 行效率 低 , 编程麻烦。文献 2 提出一种以 P c机群 为运行 平 台的粗粒度空 间并行算法 , 然而计算对算法依 赖 性强 , 容易造 成通讯量过大。多线程技术就是 通过 多核 C P U来实现并行 的技术 , 例如 O p e n MP , 相对于 其他方式 , 其 成本低 , 编程 比较简单 。文献 3 提 出 一 种基于多核 处理器并行变步长算法 , 将耗 时部分 配置到多核 C P U进行处理 , 但是算法效率 的提 升并 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o
12、m 第 5 3卷第 5期 2 0 1 6年3月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt& I n s t nu ne nt a t i on VO I 5 3 No 5 M a r 1 0, 2 0 1 6 不高。文献 4 提出了基于 G P U的并行潮流计算方 法 , 为基于 G P U计算的电力系统并行 潮流计算 的研 究提供了思路。虽然研究者在电力系统的并行计算 方法取得 了一定的研究 成果 _ 5 , 但是 目前 国内学 者还没有对 O p e n MP并行故障计算方式进行深入 的 研究与应用。 基于 O p e n M P拥
13、有编程简单、 功能扩展性高、 程 序可移植性好和支持增量并行化开发等优点, 已经 逐渐成为共享存储方式的并行编程标准 。充 分利用单机多核硬 件架构的快速发展 , 本文研究 基 于 O p e n MP的电力系统并行故障计算算法 , 并且与传 统计算算法的计算时间和加速比进行比较分析。 1 O p e n MP多核并行技术 并行编程的目 标是使不同的目标在不同的核上 运行, 得到最大的C P U使用率, 以提高计算速度。以 往的算法都是面向单线程的, 没有办法直接在多核 处理器上得到加速。多核开发要求开发人员要在代 码中添加线程 以利用 系统提供 的多个 内核 , 实行并 行的效果。如果采用操
14、作系统提供应用程序接 口, 会面临 C P U核数扩展问题。而 O p e n MP的问世成功 解决 了这些问题 , 可将串行程序转换成并行程序 , 充 分发挥多核处理器的性能优势, 大幅度提升运算 效率。 自A MD和 I n t e l 于 2 0 0 5年 推 出双核 处理器 以 来 , 主流芯片制造厂家的多核处理器 已占据主导 地位 , 可以预见 , 多核处理器架构在未来计算机领域 将有着强劲的发展趋势。在多核处理器上的并行编 程变得越来越重要 , 编写在不 同核数 C P U上运行的 通用并行程序 , 可充分发挥核心性能。 O p e n MP是 由一系列 硬件及软件供应商支 持的
15、共享内存程序设计的工业标准, 具有使用简单、 支持 增量化并行、 自 然映射到多核架构等特点, 通过与标 准 C 、 c+ 、 F o r t r a n 语言结合起来 , 程序具有 良好的 可移植性 , 抽象程度高, 支持并行的增量开发 ” 。 其规范标准充分利用共享内存体系结构的特点, 避 免消息传递 的开销 , 功能实现相 对简单。其 编程模 型以线程为基础 , 采用 F o r k J o i n的方式。如 图 1所 示 , O p e n MP把程序看成一个大 的串行执行的并行结 构, 程序一开始只有一个主线程, 串行部分由主线程 执行 , 并行 区域 内嵌套多个子并行 结构。程序初
16、 始 执行隐式任务区; 遇到下 面的并行结构 , 就创建 自己 的线程组, 任务分配给各线程组成员并行执行; 在执 行完并行结构之后 , 主线程恢复。需要在全部并行 程序结束以后才能执行后续的串行程序。F o r k -j o i n 模式的好处在于可以采用增量的方式开发程序, 对 循环进行并行化 , 循环开始时创建线程组 , 循环结 束 后就销毁线程组。 线程开始执行 厂 、 _ 1 个 区 域 l I 并行j L 、 、 一 , J 亍 代码 主线袒 厂 一 、 晰 区 域 J l 线 震 L 、 一 一 J 图 1 主线程 中的并行执行模式示意图 F i g 1 Di a g r a m
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