一種基于雙重并行計(jì)算的在線Prony分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙重并行計(jì)算的在線Prony分析方法，涉及電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算領(lǐng)域。該方法針對(duì)大電網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩情況下，振蕩參數(shù)辨識(shí)采用傳統(tǒng)基于串行Prony算法資源利用率低、計(jì)算速度慢的弊端，提出了多計(jì)算節(jié)點(diǎn)的分布式并行，有效地進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和負(fù)載均衡，極大地降低系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。首次實(shí)現(xiàn)了Prony數(shù)學(xué)模型上的并行化設(shè)計(jì)，采用多線程并行計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Prony的多線程并行計(jì)算。本發(fā)明能夠同步實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)多支路、多個(gè)電氣量的振蕩幅值、頻率、初相位和衰減因子等參數(shù)的在線辨識(shí)，有效提高了計(jì)算分析速度，能夠更好的適應(yīng)大電網(wǎng)同步在線計(jì)算的要求。
【專利說明】-種基于雙重并行計(jì)算的在線Prony分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)高性能計(jì)算領(lǐng)域，更具體是提供一 種基于雙重并行計(jì)算的在線Prony分析方法，在電網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)多 支路、多個(gè)電氣量的同步在線參數(shù)辨識(shí)。

【背景技術(shù)】
[0002] 電力系統(tǒng)在擾動(dòng)下會(huì)發(fā)生電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對(duì)搖擺并在缺乏阻巧的情況下引起持 續(xù)振蕩，振蕩頻率范圍在0. 1?2.甜Z，故稱為低頻振蕩。低頻振蕩問題屬于小擾動(dòng)穩(wěn)定范 疇，隨著互聯(lián)電力系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)大、遠(yuǎn)距離重負(fù)荷輸電系統(tǒng)的投入運(yùn)行、快速自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié) 器和快速勵(lì)磁系統(tǒng)的應(yīng)用，國內(nèi)外不少電力系統(tǒng)出現(xiàn)了低頻振蕩問題，低頻振蕩是影響電 力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。
[0003] 對(duì)于由外界持續(xù)周期性功率擾動(dòng)引起的系統(tǒng)低頻振蕩即強(qiáng)迫功率振蕩，最有效的 措施是快速定位并切除擾動(dòng)源，為此專利《一種區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)強(qiáng)迫功率振蕩擾動(dòng)源位置判 斷方法》（專利號(hào)；ZL201110390520. 4)提出了 "能流方向因子"的物理概念，采用Prony分 析方法對(duì)支路的有功功率、起始節(jié)點(diǎn)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，求解各支路的能流方向因子， 通過能流方向因子確定支路勢能的大小及流動(dòng)方向，并據(jù)此判斷擾動(dòng)源位置。
[0004] 廣域測量系統(tǒng)（WAM巧由基于全球定位系統(tǒng)佑P巧的同步相量測量單元（PMU)及 其通信系統(tǒng)組成，能夠在廣域電力系統(tǒng)中同步、高速采集機(jī)組和運(yùn)行設(shè)備的有功功率、無功 功率、電壓、電流、相角W及重要的開關(guān)信號(hào)，是一種能對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行監(jiān)測和分 析的工具。廣域測量系統(tǒng)為電網(wǎng)的頻振蕩的監(jiān)測、振蕩事件分析和振蕩預(yù)防及抑制等幾個(gè) 方面提供了新的技術(shù)手段。
[0005] Prony算法是一種能夠根據(jù)采樣值直接估算出信號(hào)頻率、衰減、幅值和初相位的分 析方法。它針對(duì)等間距采樣點(diǎn)，假設(shè)模型是由一系列的具有任意振幅、相位、頻率和衰減因 子的指數(shù)函數(shù)的線性組合。
[0006] Prony算法的數(shù)學(xué)模型
[0007] 離散時(shí)間的函數(shù)形式：
[000引

【權(quán)利要求】
1. 一種基于雙重并行計(jì)算的在線Prony分析方法，其特征在于，該方法包含下列步驟： (a) 在由I條支路和J個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的交流互聯(lián)電網(wǎng)中，各支路和所有節(jié)點(diǎn)均裝設(shè)同步測 量單元PMU;計(jì)算平臺(tái)由一個(gè)客戶端、一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)和C個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成的機(jī)群構(gòu)成，其中 Ci表示第i個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，PiSC^勺核數(shù)，Cij表示Ci中的第j個(gè)核，i= 1，2，…，C，j= 1， 2,3，...，Pi; (b) 當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生低頻振蕩時(shí)，將PMU采集的M條支路E個(gè)電氣量包括：有功功率AP、 頻率A?，取同一時(shí)間段采樣數(shù)據(jù)為一組發(fā)送給計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行Prony分析，則需要分析的 任務(wù)數(shù)為N=EM，M= 1，2,…，I;每一類電氣量中包含Len個(gè)采樣數(shù)據(jù)，500彡Len彡3000 ; (c) 多機(jī)并行計(jì)算過程，首先，進(jìn)行計(jì)算節(jié)點(diǎn)能力測試，即客戶端將接收到的N個(gè)任務(wù) 發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)從N個(gè)任務(wù)中任意選取一個(gè)任務(wù)，同時(shí)發(fā)送給Ci節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì) 算，i= 1，2,…，C，記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)該任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，節(jié)點(diǎn)(^的執(zhí)行時(shí)間記為Ti,根據(jù)第 i節(jié)點(diǎn)的執(zhí)行時(shí)間與C個(gè)節(jié)點(diǎn)總執(zhí)行時(shí)間的比例對(duì)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力進(jìn)行判別，根據(jù) 計(jì)算能力的強(qiáng)弱對(duì)各計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，作為任務(wù)分配的依據(jù)，然后，將N個(gè)計(jì)算任務(wù)分配 到各計(jì)算節(jié)點(diǎn)開展多機(jī)并行計(jì)算，節(jié)點(diǎn)Ci分配到的任務(wù)數(shù)為Ni:
將隊(duì)個(gè)任務(wù)發(fā)送到計(jì)算節(jié)點(diǎn)Ci上計(jì)算，未能整除余下的任務(wù)根據(jù)計(jì)算能力排序依次分 配到各計(jì)算節(jié)點(diǎn)，由(^進(jìn)行單節(jié)點(diǎn)多線程并行計(jì)算； (d) 單節(jié)點(diǎn)多核并行計(jì)算過程：單節(jié)點(diǎn)多線程的并行化采用OpenMP的隱式任務(wù)并行和 顯式任務(wù)并行技術(shù)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)Ci接收到的任務(wù)數(shù)為Ni，每個(gè)任務(wù)的數(shù)據(jù)長度為Len，第m 個(gè)采樣數(shù)據(jù)為Xm，m= 1，2，…，Len;Prony計(jì)算過程中取迭代次數(shù)k=Len/2 ; 此步驟包含以下計(jì)算過程： (dl)最小二乘計(jì)算元素求解
采用隱式任務(wù)并行方式對(duì)Ru，v、ru進(jìn)行并行計(jì)算，采用靜態(tài)調(diào)度方式進(jìn)行子任務(wù)的分配 與調(diào)度，將Ru，v、ru平均劃分為Pif子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)負(fù)責(zé)[k/PJXk個(gè)數(shù)據(jù)；由OpenMP 將劃分得到的PiA子任務(wù)自動(dòng)分配到核Cij上執(zhí)行，i= 1，2,…，C;j= 1，2,3，…，Pi;并 行計(jì)算后得到Ru，>ru，u= 1，2,…，k;v= 1，2,…，k; (d2)采用高斯約旦消元法求解線性方程組：
得到 a= (ai、a2、? --、ak)T 采用隱式并行策略實(shí)現(xiàn)高斯約旦消元法求解線性方程組的并行化；高斯約旦消元法要 求進(jìn)行k次消元，每次消元過程需要對(duì)k個(gè)方程進(jìn)行消元，將k個(gè)方程的消元過程分配到Pi 個(gè)核上并行執(zhí)行，每個(gè)核分配[VPi]個(gè)方程的消元；劃分時(shí)，使任務(wù)劃分的數(shù)據(jù)間隔為一個(gè) 高速緩存行的整數(shù)倍大小，防止偽共享現(xiàn)象，并在調(diào)度上采用動(dòng)態(tài)調(diào)度方式。劃分后的子任 務(wù)將由OpenMP自動(dòng)調(diào)度到核Cn、Ci2、…、Cipi上計(jì)算；計(jì)算后得到apa2、…、ak; (d3)將apa2、…、ak代入式 X(n) = - [QjX(n-I) +a2X(n-2) +. . . +akX(n-k)] 求解高次方程 zk+apH+a2zk-2+. ? ? +ak= 〇 即求解如下矩陣的特征值：
采用顯式任務(wù)并行方式實(shí)現(xiàn)矩陣特征值的并行求解；求解過程需要k次循環(huán)，每次循 環(huán)過程分為兩個(gè)部分的計(jì)算，一是與其他任務(wù)有數(shù)據(jù)相關(guān)的部分，即對(duì)矩陣元素更新部分， 二是無數(shù)據(jù)相關(guān)的部分，即計(jì)算出特征值部分；主線程只負(fù)責(zé)執(zhí)行有數(shù)據(jù)相關(guān)的部分，無數(shù) 據(jù)相關(guān)的部分利用task指令顯式構(gòu)造并行任務(wù)，添加到任務(wù)隊(duì)列中，在OpenMP的調(diào)度下由 其他線程執(zhí)行。核Cil執(zhí)行主線程，在其對(duì)元素更新之后，將其余計(jì)算部分顯式構(gòu)造成子任 務(wù)添加到任務(wù)隊(duì)列中，進(jìn)而由空閑的核G2、?…Gp1取子任務(wù)并執(zhí)行；最后顯式匯總求得： Zi、Z2、------、Zro (d4)求解線性方程組
采用隱式任務(wù)并行方式完成并行計(jì)算，將轉(zhuǎn)置矩陣分為PiA較小的矩陣塊，每個(gè)矩陣 塊大小為（VPi)XN,這樣就產(chǎn)生Pi個(gè)矩陣相乘的子任務(wù)，指定調(diào)度方式為靜態(tài)調(diào)度，PiA 子任務(wù)由OpenMP自動(dòng)調(diào)度到核G2、…、上完成并行計(jì)算；并行計(jì)算后得到k個(gè)方 程，用高斯約旦消元法和隱式任務(wù)并行方式進(jìn)行線性方程組的并行求解，指定調(diào)度方式為 動(dòng)態(tài)調(diào)度；并行計(jì)算得到bpb2、…、bk; (d5)將以上求出的zu和bu代入下式
計(jì)算出每個(gè)任務(wù)的幅值A(chǔ)u、相位0u、頻率fu和衰減因子au，u= 1，2，…，k; 對(duì)分配到的Ni個(gè)計(jì)算任務(wù)重復(fù)步驟（dl)至（d5)，完成節(jié)ACi上的Ni個(gè)計(jì)算任務(wù)，得 到Ni個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)電氣量的振幅、頻率、初相位、衰減因子的值； (e)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)完成其負(fù)責(zé)的Ni個(gè)計(jì)算任務(wù)后，將各電氣量的振幅、頻率、初相位和衰 減因子的值發(fā)送到管理節(jié)點(diǎn)；由管理節(jié)點(diǎn)匯總C個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的結(jié)果，將結(jié)果返回給客戶端。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104504257SQ201410773382
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】楊東俊, 王多強(qiáng), 許漢平, 徐敬友, 黃家祺 申請(qǐng)人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)湖北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院