專利名稱：：基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種釆用子圖同構(gòu)算法對電力系統(tǒng)實時仿真過程中的模塊進行劃分的方法，屬于電力系統(tǒng)實時仿真過程中的計算資源劃分方法的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
：隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大及電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字仿真已經(jīng)成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域工程技術(shù)人員研究復(fù)雜電力系統(tǒng)的有效手段之一。實時數(shù)字仿真器(RealTimeDigitalSimulators,簡稱RTDS)的出現(xiàn)是計算機技術(shù)、并行處理技術(shù)和數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。采用RTDS針對大規(guī)模電力系統(tǒng)進行實時仿真研究是十分有效的手段之一。搭建大系統(tǒng)實時仿真模型的難點之一是如何劃分網(wǎng)絡(luò)，并將整個網(wǎng)絡(luò)合理地分配到各個計算單元(Rack)中。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖對整個等值網(wǎng)絡(luò)進行合理劃分將直接影響仿真模型能否在RTDS上正常運行。目前計算資源的劃分工作一般都釆用人工分配，并在多次試湊后才能獲得合理的分配方案，獲得的分配方案只是可行但并非一定是最優(yōu)的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種減少人工劃分計算資源的工作量，并保證計算資源的最優(yōu)分配的基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法。本發(fā)明基于子圖同構(gòu)算法的計算資源自動分配方案，通過算法自動獲得最優(yōu)的計算資源分配方案，為大規(guī)模電網(wǎng)RTDS仿真Rack自動最優(yōu)劃分提供了一種解決方案，可以減少人工分配的工作量，提高Rack分配的準確程度，具有節(jié)省時間、提高精度、使用方便的優(yōu)勢。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法，其包括有如下步驟1)分析實時仿真系統(tǒng)中各計算單元之間的通信聯(lián)絡(luò)，建立各計算單元間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并建立各計算單元的關(guān)聯(lián)圖；2)分析仿真電網(wǎng)中各電網(wǎng)模塊的拓撲結(jié)構(gòu)，建立各電網(wǎng)模塊中的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并生成各電網(wǎng)模塊之間的關(guān)聯(lián)圖；3)通過在各計算單元關(guān)聯(lián)圖中尋找與各電網(wǎng)模塊關(guān)聯(lián)圖同構(gòu)的子圖，獲得計算資源分布的可行方案；4)在可行方案中以各計算單元間通信數(shù)目最小為目標，尋找最優(yōu)的計算資源分配方案。上述步驟4)尋找最優(yōu)的方法采用枚舉法。上述步驟3)在各計算單元關(guān)聯(lián)圖中尋找與各電網(wǎng)模塊關(guān)聯(lián)圖同構(gòu)的子圖通過關(guān)聯(lián)矩陣變換實現(xiàn)。上述關(guān)聯(lián)矩陣變換為行列變換。在電力系統(tǒng)實時仿真過程中，模型的建立是關(guān)鍵的技術(shù)工作。而大型電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)復(fù)雜，尤其是遠距離、大容量的高壓直流輸電系統(tǒng)的存在使拓撲關(guān)系更為復(fù)雜。大型電力系統(tǒng)仿真工具一般都釆用多個處理器并行處理計算以提高計算效率，而不同處理器之間需要通過通信進行連接。由此產(chǎn)生了兩種拓撲結(jié)構(gòu)一是仿真電網(wǎng)的實際物理連接；二是處理器之間的拓撲連接關(guān)系。本發(fā)明應(yīng)用圖論中的子圖同構(gòu)原理，通過尋找同構(gòu)的子圖，獲得可行的計算資源分配方案，并以通信連接數(shù)目最小為目標，獲得計算資源的最優(yōu)分配方案，能夠使大型電力系統(tǒng)的實時仿真計算中計算資源得到合理的應(yīng)用，提高計算效率，同時減少計算資源人工分配的工作量。圖l為本發(fā)明方法的實施流程圖；圖2為本發(fā)明實時仿真系統(tǒng)中各個仿真器計算單元之間的通信聯(lián)絡(luò)關(guān)聯(lián)圖；圖3為本發(fā)明仿真電網(wǎng)模塊中各模塊之間的關(guān)聯(lián)圖。具體實施方式實施例本發(fā)明基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法，其包括有如"f步驟1)分析實時仿真系統(tǒng)中各計算單元Rack之間的通信聯(lián)絡(luò)，建立各計算單元Rack間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并建立各計算單元Rack的關(guān)聯(lián)圖；2)分析仿真電網(wǎng)中各電網(wǎng)模塊的拓撲結(jié)構(gòu)，建立各電網(wǎng)模塊中的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并生成各電網(wǎng)模塊之間的關(guān)聯(lián)圖；3)通過在各計算單元Rack關(guān)聯(lián)圖中尋找與各電網(wǎng)模塊關(guān)聯(lián)圖同構(gòu)的子圖，獲得計算資源分布的可行方案；4)在可行方案中以各計算單元Rack間通信數(shù)目最小為目標，尋找最優(yōu)的計算資源分配方案。下面以南方電網(wǎng)2010年的電網(wǎng)規(guī)模為例，采用RTDS建立其仿真模型，基于子圖同構(gòu)算法對電網(wǎng)進行模塊劃分，具體如下RTDS是計算機技術(shù)、并行處理技術(shù)和數(shù)字仿真技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有并行處理技術(shù)和專門設(shè)計的硬件，可保證運行的實時性。RTDS可以運行在50ps級的步長上實時仿真較大規(guī)模的電力系統(tǒng)。另外，RTDS的元件模型和仿真算法是建立在電磁暫態(tài)分析的標準技術(shù)的基礎(chǔ)上，其仿真正確性已獲得公認。RTDS以其良好的計算性能，可以實現(xiàn)實時的數(shù)?；旌戏抡?，已廣泛的應(yīng)用于繼電保護、直流控制保護、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的測試中。RTDS的基本組成部分稱為仿真器計算單元(簡稱Rack)，每個Rack在物理上獨立，一般包括1塊工作站連接同步卡、1塊IRC(Rack間通信)卡、若干處理器卡以及若干與處理器卡相連的輸入/輸出接口卡。Rack和Rack間通信釆用660MHz通信通道，Rack與工作站間采用10Mb/s以太網(wǎng)進行通信，所有的通信都釆用并行方式。IRC卡處理Rack間的數(shù)據(jù)通信，每個IRC卡都擁有6個通信接口，可以分別和6個Rack相連，所以一個包含7個Rack的RTDS系統(tǒng)可以實現(xiàn)Rack間兩兩相連。目前南方電網(wǎng)18個Rack之間連接關(guān)系如表l和圖2所示。其中Rack5和Rack6連接直流(興安/高肇/天廣直流)實際控制保護裝置。本發(fā)明使用Rack3Rack20共18個Rack。表1RTDS中Rack之間的連接關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>子圖同構(gòu)算法子圖同構(gòu)問題(SubgraphIsomorphism)是圖論中的一個重要分支，可以比較兩個圖拓撲結(jié)構(gòu)是否匹配問題，在模式識別得到廣泛的應(yīng)用]。子圖和同構(gòu)的定義分別為一個圖H,滿足H的所有頂點都包含于G的頂點集，H的邊都包含于G的邊集，且H中邊的端點分配與G中一樣，則稱H為G的子圖，用H^G。x^乂？:從簡單圖G到簡單圖H的同構(gòu)是一個雙射/:V(G)—WH)，使得"ve當且僅當e，記為GsH。定義2中wv表示圖G中節(jié)點"到節(jié)點r的一條邊，/(")，/(v)分別表示節(jié)點"，v從圖G映射到圖H的節(jié)點，二者的變與m;有一一對應(yīng)的關(guān)系。子圖同構(gòu)問題是一個典型的NP(Non—deterministicPolynomialtime)問題，是計算復(fù)雜度理論領(lǐng)域里至今沒有解決的問題。南方電網(wǎng)模塊(Block)劃分與RTDS物理聯(lián)系之間的匹配關(guān)系可以理解為圖論中的子圖同構(gòu)問題。電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)關(guān)系是一個電氣連接關(guān)系，是由電網(wǎng)結(jié)構(gòu)確定的；RTDS內(nèi)部Rack的聯(lián)絡(luò)關(guān)系是一個通信連接關(guān)系，是由IRC的硬件配置決定的。要用RTDS實現(xiàn)對南方電網(wǎng)的仿真計算，建立南方電網(wǎng)的仿真模型，實質(zhì)上就是在Rack的聯(lián)絡(luò)圖中，找到一個與Block聯(lián)絡(luò)圖同構(gòu)的子圖，并使整個電網(wǎng)模型的實現(xiàn)過程中Rack之間的通信數(shù)量最小。根據(jù)每個Rack的計算工作量，對南方電網(wǎng)進行劃分，確保每個Block都可以用現(xiàn)有的Rack板卡進行計算。模塊劃分如圖3所示，本發(fā)明使用BlocklBlock18共18水模塊。圖中還要考慮直流系統(tǒng)之間的連接?？紤]到仿真系統(tǒng)與實際物理裝置連接，因此固定其中8個block的Rack編號，即Rack3,4,5,6,7,8,16,17,分別對應(yīng)天廣直流、高肇直流、興安直流和云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)和逆變側(cè)。將在Rack連接圖中搜索與Block連接圖的同構(gòu)子圖問題，可以轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)矩陣變換問題。根據(jù)圖2中的Rack聯(lián)絡(luò)關(guān)系，可獲得18個Rack之間的關(guān)聯(lián)矩陣(簡稱M-Rack)為<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注R表示Rack根據(jù)圖3，可獲得南方電網(wǎng)模塊18個Block之間的關(guān)聯(lián)矩陣(簡稱M—Blcok)為BlB2B3B4B5B6B7B8B9B10BllB12B13B14B15B16B17B18Bl011000000000001000B2101000000000000000B3110000110000000000B4000011001100000000B5000101000001000000B6000110101000000100B7001001010010000000B8001000101000100000B9000101010100000000B10000100001011010000Bll000000100100010000B120000100001'00100000B130000000100010I0000B14000000000110101110B15100000000000010001B16000001000000010001B17000000000000010001B18000000000000001110注B表示Block矩陣中，元素1表示兩個節(jié)點間存在直接聯(lián)絡(luò)關(guān)系，0表示兩個節(jié)點無直接聯(lián)絡(luò)關(guān)系。子圖同構(gòu)問題就是通過M—Blcok的行列變換，搜索與M_Rack匹配的子矩陣。由于已有8個Block與Rack形成了對應(yīng)關(guān)系，所以只需要對矩陣M—Block中其他10個行列進行變換，以查找合適的Rack分配結(jié)果。釆用枚舉法搜索所有的可行方案，獲得6個方案，結(jié)果如表2。6個方案通過Rack中轉(zhuǎn)連接的數(shù)量均為8,為聯(lián)絡(luò)數(shù)目最小。表2由子圖同構(gòu)獲得的Rack分配方案<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>本發(fā)明針對南方電網(wǎng)大規(guī)模電力系統(tǒng)RTDS建模過程中所遇到的模塊劃分和Rack計算資源分布問題，提出了基于子圖同構(gòu)算法的實時仿真系統(tǒng)模塊劃分，法。利用子圖同構(gòu)的思想，把模塊劃分和Rack分配對應(yīng)為在Rack的聯(lián)絡(luò)圖中尋找與Block聯(lián)絡(luò)圖同構(gòu)的子圖，并自動生成Block和Rack的對應(yīng)方案。比較所有可行方案中Rack間的通信數(shù)量，以數(shù)量最小為目標，獲得最優(yōu)的Rack分配方案。通過南方電網(wǎng)建模過程實例，驗證算法可行，獲得最優(yōu)的Rack分配方案，其Rack間聯(lián)絡(luò)通信數(shù)量為8。權(quán)利要求1、一種基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法，其特征在于包括有如下步驟1)分析實時仿真系統(tǒng)中各計算單元(Rack)之間的通信聯(lián)絡(luò)，建立各計算單元(Rack)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并建立各計算單元(Rack)的關(guān)聯(lián)圖；2)分析仿真電網(wǎng)中各電網(wǎng)模塊的拓撲結(jié)構(gòu)，建立各電網(wǎng)模塊中的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并生成各電網(wǎng)模塊之間的關(guān)聯(lián)圖；3)通過在各計算單元(Rack)關(guān)聯(lián)圖中尋找與各電網(wǎng)模塊關(guān)聯(lián)圖同構(gòu)的子圖，獲得計算資源分布的可行方案；4)在可行方案中以各計算單元(Rack)間通信數(shù)目最小為目標，尋找最優(yōu)的計算資源分配方案。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法，其特征在于上述步驟4)尋找最優(yōu)的方法采用枚舉法。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法，其特征在于上述步驟3)在各計算單元(Rack)關(guān)聯(lián)圖中尋找與各電網(wǎng)模塊關(guān)聯(lián)圖同構(gòu)的子圖通過關(guān)聯(lián)矩陣變換實現(xiàn)。4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法，其特征在于上述關(guān)聯(lián)矩陣變換為行列變換。全文摘要本發(fā)明是一種基于子圖同構(gòu)的對電力系統(tǒng)實時仿真的計算資源劃分方法。包括有如下步驟1)分析實時仿真系統(tǒng)中各仿真器計算單元之間的通信聯(lián)絡(luò)，建立各計算單元間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并建立各計算單元的關(guān)聯(lián)圖；2)分析仿真電網(wǎng)中各電網(wǎng)模塊的拓撲結(jié)構(gòu)，建立各電網(wǎng)模塊中的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并生成各電網(wǎng)模塊之間的關(guān)聯(lián)圖；3)通過在各計算單元關(guān)聯(lián)圖中尋找與各電網(wǎng)模塊關(guān)聯(lián)圖同構(gòu)的子圖，獲得計算資源分布的可行方案；4)在可行方案中以各計算單元間通信數(shù)目最小為目標，尋找最優(yōu)的計算資源分配方案。本發(fā)明通過尋找同構(gòu)的子圖，獲得可行的計算資源分配方案，并以通信連接數(shù)目最小為目標，獲得計算資源的最優(yōu)分配方案。能夠使大型電力系統(tǒng)的實時仿真計算中計算資源得到合理的應(yīng)用，提高計算效率，同時減少計算資源人工分配的工作量。文檔編號G06F17/50GK101404040SQ200810030058公開日2009年4月8日申請日期2008年8月7日優(yōu)先權(quán)日2008年8月7日發(fā)明者張建設(shè),武志剛,慶鐘,韓偉強申請人:南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心