《電子技術應用》
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基于最小割划分的数模混合仿真系统通信性能优化方法
2022年电子技术应用第1期
李亿渊1,穆 清2,薛 巍1
1.清华大学 计算机科学与技术系,北京100084;2.中国电力科学研究院,北京100192
摘要: 数模混合仿真是理解真实电网运行情况,支撑电网安全保障的重要手段。复杂的电网拓扑与硬实时的仿真需求对其计算性能提出了很高的要求。目前数模混合仿真多采用并行计算技术提高计算性能。随着处理器和集群技术的发展,异构集群系统逐渐成为高性能计算系统的主要构建方式。针对多层次的系统架构,已有的电网划分方式无法充分利用集群计算能力。如何应对多层次核间通信延迟变化问题,及引入设备交互导致的节点资源不对称问题是数模混合仿真任务划分与映射的新挑战。针对中国电力科学研究院自研电磁暂态仿真系统ADPSS,基于最小割划分设计了两阶段的电网划分与进程映射一体化优化算法,在计算负载均衡和最小化通信上取得更好的平衡,进一步降低了电磁暂态仿真的通信时间。同时,该算法有效解决了集群节点资源不对称情况下的任务优化映射问题。通过在西北和华东真实电网算例上的模拟测试,所提出算法较ADPSS默认划分与映射算法取得了平均40%和50%的通信性能提升,平均10%和12%的总体计算性能提升。
中圖分類號: TP391
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.212436
中文引用格式: 李億淵,穆清,薛巍. 基于最小割劃分的數?;旌戏抡嫦到y(tǒng)通信性能優(yōu)化方法[J].電子技術應用,2022,48(1):2-11.
英文引用格式: Li Yiyuan,Mu Qing,Xue Wei. Communication optimization method of digital-analog hybrid simulation system based on min-cut partition[J]. Application of Electronic Technique,2022,48(1):2-11.
Communication optimization method of digital-analog hybrid simulation system based on min-cut partition
Li Yiyuan1,Mu Qing2,Xue Wei1
1.Department of Computer Science and Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China; 2.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China
Abstract: Digital-analog hybrid simulation is essential for understanding the real power grid and supporting power grid security. Complex power network topology and hard real-time simulation put forward high requirements for computing performance. At present, digital-analog hybrid simulation mainly uses parallel computing technology to improve computing performance. With the development of processor and cluster technology, heterogeneous cluster systems have gradually become the primary construction method of high-performance computing systems. For the multi-level system architecture, the existing power grid division methods can not fully use the cluster computing power. Dealing with the high latency of cross-layer communication and the unequal number of available processor cores on each computing node due to heterogeneous acceleration equipment is the main challenge of the partitioning and mapping algorithm. Aiming at the electromagnetic transient simulation system ADPSS developed by China Electric Power Research Institute, this paper designs a two-stage integrated optimization algorithm of power grid division and process mapping, which achieves a better load balance and minimizing communication, and further reduces the calculation time of the electromagnetic transient simulation. The algorithm is based on the min-cut partition and effectively solves the optimal mapping of sub-networks of unequal sizes on heterogeneous cluster systems. The simulation test was realized on the real power grid in Northwest and East China, compared with the ADPSS default partition and mapping algorithm, the proposed algorithm achieves an average communication performance improvement of 40% and 50% and an average overall computing performance improvement of 10% and 12%.
Key words : digital-analog hybrid simulation;graph partition;min-cut;process mapping;heterogeneous cluster system

0 引言

    近年來我國經濟不斷發(fā)展,社會對能源的需求不斷上升,電力的消耗也隨之上升。我國電網的特高壓工程持續(xù)投運以滿足日益增長的用電負荷需求。電力系統(tǒng)整體規(guī)模的擴大也給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運行帶來了更高的安全風險。

    電力系統(tǒng)仿真是分析電網特征、分析電網穩(wěn)定性最重要的量化手段。電力系統(tǒng)仿真分為穩(wěn)態(tài)仿真和動態(tài)仿真兩類。動態(tài)仿真更關注電力系統(tǒng)的動態(tài)變化行為,主要包括機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)兩種。電磁暫態(tài)仿真建模更加精細,是動態(tài)安全評估的重要工具。通過電磁暫態(tài)仿真,研究人員能更好地理解電網在實際運行中的工作狀態(tài)及其變化,從而在運行中有效調整控制方案,確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

    電磁暫態(tài)是指電磁從一個穩(wěn)定狀態(tài)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)中所經歷的過程。在電力系統(tǒng)運行過程中,通常由于電子元件的開關切換、偶發(fā)的交直流故障以及雷擊等干擾,造成電磁暫態(tài)過程的快速變化[1]。模擬電磁暫態(tài)現象一般通過電力系統(tǒng)的時域建模來完成。其目標是求出系統(tǒng)中各個時刻所有節(jié)點的電壓值和電流值,核心算法是將連續(xù)的微分系統(tǒng)離散化,并使用迭代法隱式求解。仿真步長代表離散時間點間隔,步長越短就能模擬更高頻的電網行為,故步長大小是衡量電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)質量的重要指標。




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作者信息:

李億淵1,穆  清2,薛  巍1

(1.清華大學 計算機科學與技術系,北京100084;2.中國電力科學研究院,北京100192)




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