CN103425523A - 一种pmu在线应用系统的并行计算系统及其方法 - Google Patents

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CN103425523A CN2013102472981A CN201310247298A CN103425523A CN 103425523 A CN103425523 A CN 103425523A CN 2013102472981 A CN2013102472981 A CN 2013102472981A CN 201310247298 A CN201310247298 A CN 201310247298A CN 103425523 A CN103425523 A CN 103425523A
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CN2013102472981A
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王英涛
张传凯
李旻
丁理杰
汤凡
古衡
陈真
黄远超
杜向楠
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Nanjing NARI Group Corp
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State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Sichuan Electric Power Co Ltd
Nanjing NARI Group Corp
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Abstract

本发明涉及一种PMU在线应用系统的并行计算系统及其方法，所述系统包括：通信服务器、计算服务器和监控服务器；各个服务器通过以太网和高性能通信网络互联。所述方法包括：（1）通信服务器接收电网实时数据；（2）通信服务器通过高速通信网络传送到计算服务器；（3）计算服务器中计算节点间使用MPI进行通信，分配并存储PMU数据；（4）计算节点按照任务进行并行计算；（5）将计算结果汇总到通信服务器；（6）将PMU量测数据、控制命令发送给监控服务器。本发明实时数据采取并发方式，通信实时性更高；采取粗细粒度调度，计算任务调度更加灵活；对于某个局部的计算任务，采取GPU并行计算方式，计算速度更快。

Description

一种PMU在线应用系统的并行计算系统及其方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种PMU在线应用系统的并行计算系统及其方法。
背景技术
近年来，基于PMU（Phasor Measurement Unit，相量测量单元）的在线应用技术成为电力系统重要的研发方向。PMU基于卫星同步时钟信号量测电力系统各个厂站的状态量，并通过网络将实时数据传送到调度中心主站，这使得电力系统实时监测、分析、控制成为可能。目前，PMU应用功能主要是电网故障监测、报警，计算周期、工作延时为秒级，应用系统平台一般采用普通服务器。
随着电网规模扩大和运行方式的日益复杂，基于PMU的电网在线分析应用逐步发展起来，例如电网功角稳定性的广域控制。这样的系统要求接入大量PMU，以一个典型区域电网为例，接入的PMU达到上百台；计算分析周期达到40ms，整体延时不大于100ms。这对软件实时性、硬件配置冗余性、通信技术提出了很高要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种PMU在线应用系统的并行计算系统及其方法，包括基于MPI（Massage Passing Interface，消息传递接口）和基于GPU（GraphicProcessing Unit，图形处理器）的并行计算架构、PMU数据传输方式、计算任务分配及收集流程等。
本发明设计应用于PMU在线应用系统后，可以在调度中心，更快传输大量PMU测量数据、对多种安全稳定在线应用进行并行计算分析，这极大提高在线分析、控制的实时性。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种PMU在线应用系统的并行计算系统，其特征在于，所述系统包括：通信服务器、计算服务器和监控服务器；
各个服务器通过以太网和高性能通信网络互联；
通信服务器接受PMU数据，通过高速通信网络传送到计算服务器；
计算服务器从通信服务器中取得实时数据，执行计算任务，将计算结果发送到通信服务器；
通信服务器将PMU监测数据及分析结果发送到监控服务器，控制信息发送到厂站。
优选的，所述通信服务器从调度中心的PMU主站或者直接从PMU接受PMU数据。
优选的，所述计算服务器采取分任务、分维度的并行计算方法。
本发明基于另一目的提供的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述方法包括：
（1）通信服务器接收电网实时数据；
（2）通信服务器通过高速通信网络传送到计算服务器；
（3）计算服务器中计算节点间使用MPI进行通信，分配并存储PMU数据；
（4）计算节点按照任务进行并行计算；
（5）将计算结果汇总到通信服务器；
（6）将PMU量测数据、控制命令发送给监控服务器。
优选的，所述步骤（1）包括通信服务器按照PMU通信规约从PMU装置或PMU主站接收电网实时数据；接收数据频率最高到100次/秒。
优选的，所述步骤（2）包括通信服务器通过高性能通信网络传输给计算服务器进行实时安全稳定分析。
优选的，所述步骤（3）包括计算节点间使用MPI进行通信，PMU数据从主节点上载入，平均分配到从节点上，存储到相应的内存空间内。
优选的，所述步骤（4）包括主节点主要负责和PMU、监控服务器之间的数据通信，其它节点用来计算不同配置的计算任务。
优选的，所述步骤（4）包括从节点采取GPU并行计算方式。
优选的，所述步骤（4）包括各节点根据计算任务的特点，分维度并行计算。
优选的，所述步骤（5）通过MPI将计算结果汇总到通信服务器，收集各个从节点的计算结果，综合形成电网在线应用的结论。
优选的，所述步骤（6）包括分析出电网失稳，通信服务器将控制命令下发给监控子站，由子站对相应电网进行控制。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供了PMU在线应用系统的并行计算结构，能够计算不同复杂程度的多种计算任务。
2、PMU在线应用任务采取粗细粒度调度，计算任务调度更加灵活。
3、基于MPI方式进行PMU实时数据并发，通信实时性更高，而且获得更好的数据同步性；
4、对于计算节点上的局部计算任务，采取GPU并行计算方式，计算速度更快。
附图说明
图1为本发明提供的一种PMU在线应用系统的并行计算方法流程图。
图2为本发明提供的一种PMU在线应用系统的并行计算的分任务、分维度并行计算结构图。
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。
本发明的一种PMU在线应用系统的并行计算结构，包括基于MPI和GPU的并行计算架构、PMU数据并发传输方式、计算任务分配及计算结果收集流程。
（1）通信服务器接收电网实时数据；
其中，通信服务器按照PMU通信规约从PMU装置或PMU主站接收电网实时数据。接收数据频率最高到100次/秒。
（2）通信服务器通过高速通信网络传送到计算服务器；
其中，通信服务器通过高性能通信网络传输给计算服务器进行实时安全稳定分析。
（3）计算服务器中计算节点间使用MPI进行通信，分配并存储PMU数据；
其中，计算服务器由n个计算节点组成，计算节点由一个多核CPU和多个GPU设备组成。选取其中的1个计算节点为主节点，其余的是从节点。计算服务器采取MPI+GPU多粒度混合编程方式，建立MPI进程、-pthread线程和-CUDA线程三个层次的并行架构。
（4）计算节点按照任务进行并行计算；
其中，计算节点间使用MPI进行通信，PMU数据从主节点上载入，平均分配到从节点上，存储到相应的内存空间内。
其中，各节点建立MPI进程，按照任务进行并行计算。
主节点0主要负责和PMU、监控服务器之间的数据通信，其它节点用来计算不同配置的计算任务，从节点1执行安全稳定分析任务1，从节点2执行安全稳定分析任务2，从节点3执行安全稳定任务3，实现粗粒度并行。
每个计算节点内针对安全稳定分析任务，建立-pthread线程方式，将计算任务分为若干子任务，分配到多个CPU上进行计算分析。对于复杂的子任务，CPU使用CUDA架构实现细粒度并行计算。
其中，每个从节点采取GPU并行计算方式。
从节点根据检测到的可用GPU设备数，每个从节点上创建同样数目的线程来一对一控制各个GPU。各从节点上每个数据块再进一步划分为大小相等的块一一分配给各个线程，由每个线程逐道在CPU上预处理后传送到GPU上处理，道内的各数据窗分别由各CUDA线程并行处理。每个数据块偏移由每个线程内的相关道累加计算而得，结果返回到主节点上进行集中。
其中，各节点根据计算任务的特点，分维度并行计算。
其中，分维度并行计算的一种方式是：各节点将整个电网计算任务按照网、省、地区级电网、设备的维度等分为若干块，分配到各个GPU上进行计算；另一种方式是：将实时计算涉及的大型矩阵，降维度成为若干个子矩阵，分配到各个GPU上进行计算；各个GPU计算后的结果在各从节点上进行汇集。
（5）将计算结果汇总到通信服务器；
其中，各个从节点计算完成后，通过MPI将计算结果汇总到通信服务器，通信服务器收集各个从节点的计算结果，综合形成电网在线应用的结论。
（6）将PMU量测数据、控制命令发送给监控服务器。
其中，通信服务器通过专线将PMU量测数据、控制命令发送给监控服务器；如果分析出电网失稳，通信服务器将控制命令下发给监控子站，由子站对相应电网进行控制。
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 (12)

1.一种PMU在线应用系统的并行计算系统，其特征在于，所述系统包括：通信服务器、计算服务器和监控服务器；
各个服务器通过以太网和高性能通信网络互联；
通信服务器接受PMU数据，通过高速通信网络传送到计算服务器；
计算服务器从通信服务器中取得实时数据，执行计算任务，将计算结果发送到通信服务器；
通信服务器将PMU监测数据及分析结果发送到监控服务器，控制信息发送到厂站。
2.如权利要求1所述的一种PMU在线应用系统的并行计算系统，其特征在于，所述通信服务器从调度中心的PMU主站或者直接从PMU接受PMU数据。
3.如权利要求1所述的一种PMU在线应用系统的并行计算系统，其特征在于，所述计算服务器采取分任务、分维度的并行计算方法。
4.一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述方法包括：
（1）通信服务器接收电网实时数据；
（2）通信服务器通过高速通信网络传送到计算服务器；
（3）计算服务器中计算节点间使用MPI进行通信，分配并存储PMU数据；
（4）计算节点按照任务进行并行计算；
（5）将计算结果汇总到通信服务器；
（6）将PMU量测数据、控制命令发送给监控服务器。
5.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（1）包括通信服务器按照PMU通信规约从PMU装置或PMU主站接收电网实时数据；接收数据频率最高到100次/秒。
6.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（2）包括通信服务器通过高性能通信网络传输给计算服务器进行实时安全稳定分析。
7.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（3）包括计算节点间使用MPI进行通信，PMU数据从主节点上载入，平均分配到从节点上，存储到相应的内存空间内。
8.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（4）包括主节点主要负责和PMU、监控服务器之间的数据通信，其它节点用来计算不同配置的计算任务。
9.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（4）包括从节点采取GPU并行计算方式。
10.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（4）包括各节点根据计算任务的特点，分维度并行计算。
11.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（5）通过MPI将计算结果汇总到通信服务器，收集各个从节点的计算结果，综合形成电网在线应用的结论。
12.如权利要求4所述的一种PMU在线应用系统的并行计算方法，其特征在于，所述步骤（6）包括分析出电网失稳，通信服务器将控制命令下发给监控子站，由子站对相应电网进行控制。
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