CN103336810B - 一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法 - Google Patents

Abstract

本文涉及一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法，它针对大型复杂配电网络，将其分解为多个小型网络，多个处理器并行协同地完成所有小型网络的拓扑分析，最后合并结果得到最终解；能够以较快速度获得配电网络的拓扑结构。本发明的网络的分解与合并容易实现、简单可靠，子网络并行拓扑为完全意义上的并行计算，加速比大。在分解过程中，本发明以哈希表寻址代替线路搜索，搜索速度大幅上升，并且本发明不需重新进行节点编号，拓扑速度及可靠性提高。

Description

一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法

技术领域

本发明属于配电网技术领域，具体涉及一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法。

背景技术

配电网网络结构复杂、随意，使得拓扑分析难度增加；其网络结构和运行方式较常发生变化，需要拓扑分析的频率升高。配电网网络规模越大，其复杂性、随意性和多变性越突出，使得拓扑分析的时间开销快速增加。配电网是从一种运行状态到另一种运行状态的过渡极为迅速，需要实时性很强的分析控制系统与之适应；拓扑分析是各种功能实现的基础，若其拓扑速度缓慢，将对其它应用功能的实现产生严重的不良影响。由此可见，大型复杂配电网的拓扑分析面临着巨大挑战。

拓扑分析速度依赖于计算机系统性能。经典串行的拓扑分析方法由单一处理器承担，提高单核处理器速度、加快存储器访问速度能够减少拓扑时间，但必须付出较大的成本代价；同时，主频升高带来的高发热问题，已经成为单核处理器速度提升的技术瓶颈。配电网拓扑分析并行计算由多个处理器实现，算法并行性越强、处理器数量越多，拓扑分析速度越快，可以在较低的成本下满足实际应用需求。当前，随着并行计算机和并行计算技术的不断发展和日趋成熟，并行计算成为实现大型复杂配电网快速拓扑分析的一种有效方法；但至今仍鲜有对大型复杂配电网并行拓扑方法的研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法，它针对大型复杂配电网络，将其分解为多个小型网络，多个处理器并行协同地完成所有小型网络的拓扑分析，最后合并结果得到最终解；能够以较快速度获得配电网络的拓扑结构。

本发明提供的一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）读取拓扑文件，提取设备ID、首节点、末节点和设备类型数据，以设定的数据存储结构的格式生成输入数组链表；

（2）将输入数组链表以最接近等分的方式将其分解成为c个子数组链表，建立子哈希表，并设子哈希表初始化状态为空，子数组链表与子哈希表为一一对应；

（3）启动t个子网络拓扑分析线程；

（4）依次遍历各子数组链表，并依次分配给子网络拓扑分析线程；

（5）子网络拓扑分析线程进行子网络拓扑分析，将结果存入子哈希表中；

（6）判断c个子数组链表是否都完成子网络拓扑分析，是则进入步骤（7），否则转步骤（4）对未遍历的子数组链表遍历；

（7）合并所有子哈希表，生成输出哈希表，得到全网的拓扑分析结果，并输出。

其中，步骤（1）设定的数据存储结构为：

用四元数组表示为(设备ID，首节点，末节点，设备类型)；

设备ID、首节点、末节点在存储中均对应于实际配电网设备，相同的值对应于相同的设备，设备类型包括线路和开关两种类型；

一个四元数组代表一条支路，首节点和末节点表示连接关系；若不同支路存在着相同的节点，则表明支路之间存在直接连接关系。支路、节点仅表明连接关系，不表示运行状态，因此其连接关系为无向图。

其中，步骤（2）哈希表的结构为：

数据类型为字符串，表示一个节点；

值的元素是一个链表，它在拓扑完成后包含所有和该节点之间存在支路连接的所有节点，链表元素即为连接节点的节点号，数据类型为字符串；

若节点i的链表中存在元素j，那么节点j的链表中必存在元素i。

其中，步骤（3）子网络拓扑分析线程的个数t的取值为：

子数组链表数c能够被线程数量t整除，t小于等于且接近于所述多核计算机的核数量p。

其中，步骤（5）子网络拓扑分析线程进行子网络拓扑分析的步骤为：

1）载入子数组链表和子哈希表；

2）对子数组链表设置迭代器，遍历所述子数组链表中的支路；

3）分析支路时，提取其首、末节点形成字符串对；

4）以首节点为匹配条件搜索子哈希表，若返回结果为空，则将末节点添加到空链表，然后添加<首节点，新链表>键值对到哈希表；若返回结果不为空，则获取已有链表，将末节点添加到已有链表末端；

5）以末节点为匹配条件搜索子哈希表，若返回结果为空，则将首节点添加到空链表，然后添加<末节点，新链表>键值对到哈希表；若返回结果不为空，则获取已有链表，将首节点添加到已有链表末端；

6）判断遍历是否完成，是则结束过程，否则返回步骤2）进行下一个支路的遍历。

其中，步骤（7）合并所有子哈希表的步骤为：

首先遍历中间哈希表集合，对每一个哈希表建立迭代器遍历其元素，获得元素的键值对；

然后以键值为匹配条件搜索输出哈希表，若返回结果为空，则直接插入该键值对；若返回结果不为空，则在结果末端添加该值链表。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1.本发明的网络的分解与合并容易实现、简单可靠，子网络并行拓扑为完全意义上的并行计算，加速比大。

2.本发明以哈希表寻址代替线路搜索，搜索速度大幅上升，效率更高。

3.本发明不需重新进行节点编号，拓扑速度及可靠性提高。

4.本发明使用存储中的原始节点编号，可直接关联对应设备，对运行方式及功能需求变化均有良好的适应性。

附图说明

图1为本发明提供的配电网网架的输入数据结构图。

图2为本发明提供的配电网拓扑分析结果邻接表结构示意图。

图3为本发明提供的配电网子网络拓扑分析流程图。

图4为本发明提供的配电网子网络合并流程图。

图5为本发明提供的配电网拓扑分析数据转化示意图。

图6为本发明提供的配电网并行拓扑分析程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提出的基于多核计算机的配电网拓扑分析方法，其主要思路为：

并行拓扑的基本原理为：将大型复杂配电网网络分解成为多个相对简单的网络，多个处理器并行对简单网络进行拓扑分析，然后合并所有结果得到最终解。

分解算法将输入数组链表按最接近等分的方式分解成为c部分，c为计算机核数p的函数；分解中只考虑输入数字链表的长度e和要分解成简单网络的数量c，分解的原则有且仅有尽可能接近等分；分解后的结果为c个子数组链表，子数组链表数据结构与输入数组链表完全相同。

并行计算中生成中间数据结构，其性质为哈希表，结构特征与输出时邻接表示法的数据结构完全相同；键存储初始的节点编号，值以链表形式存储与键中节点连接的所有节点编号。中间哈希表的数量与简单网络的数量c相等，子网络均与哈希表一一对应，所有中间哈希表的初始状态为空。

单个线程对一个子网络进行拓扑分析。首先载入子数组链表和对应中间哈希表；对子数据链表建立迭代器，从首到尾依次进行遍历，遍历的过程即是拓扑分析的过程。拓扑分析一条支路时，提取其首、末节点形成字符串对；然后以首节点为匹配条件（以字符串的形式）搜索哈希表，若返回结果为空，则将末节点添加到空链表，然后添加<首节点，新链表>键值对到哈希表，若返回结果不为空，则获取已有链表，将末节点添加到已有链表末端；接着以末节点为匹配条件搜索哈希表，若返回结果为空，则将首节点添加到空链表，然后添加<末节点，新链表>键值对到哈希表，若返回结果不为空，则获取已有链表，将首节点添加到已有链表末端。

合并是将所有中间哈希表合并为输出哈希表的过程。合并时首先遍历中间哈希表集合；对每一个哈希表建立迭代器遍历其元素，获得元素的键值对；然后以键值为匹配条件搜索输出哈希表，若返回结果为空，则直接插入该键值对；若返回结果不为空，则在结果末端添加该值链表。

以上分解、拓扑、合并过程及其数据转换关系如附图5所示，即分解将输入数组链表分解为c个子数组链表，拓扑以子数组链表为对象分析获得c个中间哈希表，合并将所有中间哈希表转化为最终结果，即输出哈希表。

具体的，本实施例提出的一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法，其流程图如图6所示，具体包括如下步骤：

（1）读取拓扑文件，提取设备ID、首节点、末节点和设备类型数据，以设定的数据存储结构的格式生成输入数组链表；

本实施例设定的数据存储结构为：

配电网网架数据存储结构如图1所示，用四元数组表示为(设备ID，首节点，末节点，设备类型)。设备ID、首节点、末节点在存储中均对应于实际配电网设备，相同的值对应于相同的设备，设备类型包括线路和开关两种类型。一个四元数组代表一条支路，首节点和末节点表示连接关系；若不同支路存在着相同的节点，则说明支路之间存在直接连接关系。支路、节点仅表明连接关系，不表示运行状态，因此其连接关系为无向图。图1中，它表示一个数组链表，数字1,2,…e表示数组下标，e为支路数量，箭头表示链表连接，数组元素为字符串，字符串的编码即为上文所示的四元数组。

（2）将输入数组链表以最接近等分的方式将其分解成为c个子数组链表，建立子哈希表，并设子哈希表初始化状态为空，子数组链表与子哈希表为一一对应；

本实施例基于计算机核数，不考虑设备连接关系，采取尽可能接近等分的方式将大网络分解成为核数整数倍个小网络，其步骤包括：

I、设网络设备数量为n，分解后的子网络数量为c；

II、c由两部分组成，其中c₁个子网络中的设备数量为n₁，c₂个子网络中的设备数量为n₂，c=c₁+c₂；

III、c₁=mod(n，c)，c₂=c-mod(n，c)，mod表示n被c整除后的余数；

IV、n₁=ceil(n/c)，n₂=floor(n/c)，ceil表示大于等于目标的最小整数，floor表示小于等于目标的最大整数。

因配电网网络连接图数据量大、连接关系稀疏，因而拓扑分析输出采用邻接表示法，其数据结构如附图2所示。图为一个哈希表，左边阴影表示键Key，键的数量为v，v为节点数量，阴影中的数字为节点号，数据类型为字符串，表示一个节点；值Value的元素是一个链表，它包含所有和该节点之间存在支路连接的所有节点，链表元素即为连接节点的节点号，数据类型为字符串；因连接关系为无向图，若节点i的链表中存在元素j，那么节点j的链表中必存在元素i。输出哈希表初始状态为空，完成拓扑分析后即为最终解。

（3）启动t个子网络拓扑分析线程；

其子网络拓扑分析线程的个数t的取值为：子数组链表数c能够被线程数量t整除，t小于等于且接近于所述多核计算机的核数量p。

（4）依次遍历各子数组链表，并依次分配给子网络拓扑分析线程；

（5）子网络拓扑分析线程进行子网络拓扑分析，将结果存入子哈希表中；

子网络拓扑分析，其载入初始设备数据和对应子哈希表；对存储设备数据的子数据链表建立迭代器，从首到尾依次进行遍历，遍历的过程即是拓扑分析的过程。拓扑分析一条支路时，提取其首、末节点形成字符串对，以一个节点为键、另一个节点为值向子哈希表插入新的键值对，键值颠倒后再次向哈希表插值。插值时首先将值放入空的链表，然后以键为匹配条件搜索哈希表，若返回结果为空，则直接插入该<字符串，链表>对；若返回结果不为空，则获取已有链表，将新的链表添加到其末端。其流程图如图3所示，具体步骤如下：

1）载入子数组链表和子哈希表；

2）对子数组链表设置迭代器，遍历子数组链表中的支路；

3）分析支路时，提取其首、末节点形成字符串对；

4）以首节点为匹配条件搜索子哈希表，若返回结果为空，则将末节点添加到空链表，然后添加<首节点，新链表>键值对到哈希表；若返回结果不为空，则获取已有链表，将末节点添加到已有链表末端；

5）以末节点为匹配条件搜索子哈希表，若返回结果为空，则将首节点添加到空链表，然后添加<末节点，新链表>键值对到哈希表；若返回结果不为空，则获取已有链表，将首节点添加到已有链表末端；6）判断遍历是否完成，是则结束过程，否则返回步骤2）进行下一个支路的遍历。

（6）判断c个子数组链表是否都完成子网络拓扑分析，是则进入步骤（7），否则转步骤（4）对未遍历的子数组链表遍历；

（7）合并所有子哈希表，生成输出哈希表，得到全网的拓扑分析结果，并输出。

合并所有子哈希表时，首先遍历中间哈希表集合，对每一个哈希表建立迭代器遍历其元素，获得元素的键值对；然后以键值为匹配条件搜索输出哈希表，若返回结果为空，则直接插入该键值对；若返回结果不为空，则在结果末端添加该值链表。其流程图如图4所示，具体步骤如下：

A、遍历子哈希表；

B、遍历子哈希表中的元素；

C、获得元素键值对；

D、以键值为匹配条件搜索输出哈希表，得到结果；

E、判断结果是否为空，是则直接插入该键值对后进入步骤F，否则将值链表中的所有元素添加到结果中后进入步骤F；

F、判断元素是否遍历完成，是则进入步骤G，否则返回步骤B对未遍历的元素进行遍历；

G、判断哈希表是否遍历完成，是则结束此过程，否则返回步骤A对未遍历的哈希表进行遍历。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于多核计算机的配电网拓扑分析方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)读取拓扑文件，提取设备ID、首节点、末节点和设备类型数据，以设定的数据存储结构的格式生成输入数组链表；

(2)将输入数组链表以等分的方式将其分解成为c个子数组链表，建立子哈希表，并设子哈希表初始化状态为空，子数组链表与子哈希表为一一对应；

(3)启动t个子网络拓扑分析线程；

(4)依次遍历各子数组链表，并依次分配给子网络拓扑分析线程；

(5)子网络拓扑分析线程进行子网络拓扑分析，将结果存入子哈希表中；

(6)判断c个子数组链表是否都完成子网络拓扑分析，是则进入步骤(7)，否则转步骤(4)对未遍历的子数组链表遍历；

(7)合并所有子哈希表，生成输出哈希表，得到全网的拓扑分析结果，并输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)设定的数据存储结构为：

用四元数组表示为(设备ID，首节点，末节点，设备类型)；

设备ID、首节点、末节点在存储中均对应于实际配电网设备，相同的值对应于相同的设备，设备类型包括线路和开关两种类型；

一个四元数组代表一条支路，首节点和末节点表示连接关系；若不同支路存在着相同的节点，则表明支路之间存在直接连接关系。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)哈希表的结构为：

节点号的数据类型为字符串，表示一个节点；

值的元素是一个链表，它在拓扑完成后包含所有和该节点之间存在支路连接的所有节点，链表元素即为连接节点的节点号，数据类型为字符串；

若节点i的链表中存在元素j，那么节点j的链表中必存在元素i。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)子网络拓扑分析线程的个数t的取值为：

子数组链表数c能够被线程数量t整除，t小于等于所述多核计算机的核数量p。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)子网络拓扑分析线程进行子网络拓扑分析的步骤为：

1)载入子数组链表和子哈希表；

2)对子数组链表设置迭代器，遍历所述子数组链表中的支路；

3)分析支路时，提取其首、末节点形成字符串对；

4)以首节点为匹配条件搜索子哈希表，若返回结果为空，则将末节点添加到空链表，然后添加<首节点，新链表>键值对到哈希表；若返回结果不为空，则获取已有链表，将末节点添加到已有链表末端；

5)以末节点为匹配条件搜索子哈希表，若返回结果为空，则将首节点添加到空链表，然后添加<末节点，新链表>键值对到哈希表；若返回结果不为空，则获取已有链表，将首节点添加到已有链表末端；

6)判断遍历是否完成，是则结束过程，否则返回步骤2)进行下一个支路的遍历。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(7)合并所有子哈希表的步骤为：

首先遍历中间哈希表集合，对每一个哈希表建立迭代器遍历其元素，获得元素的键值对；

然后以键值为匹配条件搜索输出哈希表，若返回结果为空，则直接插入该键值对；若返回结果不为空，则在结果末端添加该值链表。