（计算机应用技术专业论文）基于网格的电力系统并行计算的研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 目前，电力系统的运行与控制已经演变成一个涉及大量数据和信息计算的 应用工程。因此，有必要将网格计算技术引入到电力系统的工程实践中来，探 索在大电网范围内实施高效率控制和决策的新途径。 本文设计了一种基于网格的潮流计算架构，提出了一种基于多q o s 约束的 网格选择调度算法。同时，论文中设计了求解潮流计算矩阵方程的并行算法， 提出了冗余计算的方案，并将算法编制成网格服务，部署在g l o b u s 网格计算 结点上。通过在实验室节点上对平台进行的功能性测试，结果显示，基于g l o b u s 网格平台设计的潮流并行计算系统具有潜在的并行优势和广泛的应用前景。 关键词：网格计算，任务调度，g l o b u s ，潮流计算 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mh a v et u r n e d i n t oa na p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n gw h i c hr e l a t et oal a r g ea m o u n td a t aa n d i m f o r m a t i o n h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c et h eg r i dc o m p u t i n gt ot h e a p p l i c a t i o no fe l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ，i no r d e rt oe x p l o r en e wm e t h o d w h i c hw i l lm a k ec o n t r o la n dd e c i s i o n m a k i n go nl a r g en e t w o r km o r ee f f i c i e n t i n t h i sp a p e rw ep r o p o s e sag r i dc o m p u t i n ga r c h i t e c t u r ef o rt h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，a n das e l e c t i v ea l g o r i t h mb a s e do nm u l t i p l eq o sc o n s t r a i n t sf o rg r i d t a s ks c h e d u l i n gi sp r e s e n t e d ab l o c k e dp a r a l l e la l g o r i t h mf o rt h ep o w e rf l o w j a c o b im a t r i xe q u a t i o ni s d e s i g n e d b a s e do nt h e p a r a l l e lt r i a n g u l a r d e c o m p o s i t i o n ar e d u n d a n tc o m p u t i n gp r o g r a m i si n t r o d u c e d ；a tl a s t ，t h e s e a l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e da sg r i ds e r v i c e sa n dd e p l o y e da tg l o b u sg r i dn o d e s t h e f u n c t i o nv e r i f i c a t i o nt e s ti sp e r f o r m e di nt h el a b o r a t o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e l e c t r i cp o w e rf l o wp a r a ll e lc o m p u t i n gs y s t e mb a s e do ng l o b u sg r i dp l a t f o r mh a s t h ep o t e n t i a lf o rd i s t r i b u t e dp a r a l l e lc o m p u t i n g ，a n di ti sp r o s p e c t i v e l i uy a n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h e n gg u p i n g k e yw o r d s ：g r i dc o m p u t i n g ，t a s ks c h e d u l i n g ，g l o b u s ，p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 目前，电力系统的运行与控制已经演变成一个涉及大量数据和信息计算的 应用工程。因此，有必要将网格计算技术引入到电力系统的工程实践中来，探 索在大电网范围内实施高效率控制和决策的新途径。 本文设计了一种基于网格的潮流计算架构，提出了一种基于多q o s 约束的 网格选择调度算法。同时，论文中设计了求解潮流计算矩阵方程的并行算法， 提出了冗余计算的方案，并将算法编制成网格服务，部署在g l o b u s 网格计算 结点上。通过在实验室节点上对平台进行的功能性测试，结果显示，基于g l o b u s 网格平台设计的潮流并行计算系统具有潜在的并行优势和广泛的应用前景。 关键词：网格计算，任务调度，g l o b u s ，潮流计算 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eo p e r a t i o na n dc o n t r o lo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mh a v et u r n e d i n t oa na p p l i c a t i o ne n g i n e e r i n gw h i c hr e l a t et oal a r g ea m o u n td a t aa n d i m f o r m a t i o n h e n c e ，i ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c et h eg r i dc o m p u t i n gt ot h e a p p l i c a t i o no fe l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ，i no r d e rt oe x p l o r en e wm e t h o d w h i c hw i l lm a k ec o n t r o la n dd e c i s i o n m a k i n go nl a r g en e t w o r km o r ee f f i c i e n t i nt h i sp a p e rw ep r o p o s e sag r i dc o m p u t i n ga r c h i t e c t u r ef o rt h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，a n das e l e c t i v ea l g o r i t h mb a s e do nm u l t i p l eq o s c o n s t r a i n t sf o rg r i d t a s ks c h e d u l i n gi sp r e s e n t e d ab l o c k e dp a r a l l e la l g o r i t h mf o rt h ep o w e rf l o w j a c o b i m a t r i x e q u a t i o n i s d e s i g n e d b a s e do nt h ep a r a l l e lt r i a n g u l a r d e c o m p o s i t i o n ar e d u n d a n tc o m p u t i n gp r o g r a mi s i n t r o d u c e d ；a tl a s t ，t h e s e a l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e da sg r i ds e r v i c e sa n dd e p l o y e d a tg l o b u sg r i dn o d e s t h e f u n c t i o nv e r i f i c a t i o nt e s ti sp e r f o r m e di nt h el a b o r a t o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e e l e c t r i cp o w e rf l o wp a r a l l e lc o m p u t i n gs y s t e mb a s e do ng l o b u sg r i dp t a t f o r mh a s t h ep o t e n t i a lf o rd i s t r i b u t e dp a r a l l e lc o m p u t i n g ，a n di ti sp r o s p e c t i v e l i uy a n g ( c o m p u t e ra p p li c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h e n gg u p i n g k e y w o r d s ：g r i dc o m p u t i n g ，t a s ks c h e d u l i n g ，g l o b u s ，p o w e rf l o wc a l c u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于网格的电力系统并 行计算的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丝旺日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日 期：日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 网格技术背景 第一章引言 计算机的出现，使得利用机器代替入来计算的理想成为可能。虽然人类在不断 的提高计算机的计算速度，而且摩尔定律也一直按照它的规则在执行，但是科技在 向前迈进的过程中还是遇到了很多的问题，在这些问题中计算机的运算速度往往成 为研究的瓶颈，使得有些研究无法进行。 互联网给人类提供了许许多多有用的信息，但人类有时还是觉得它提供的服务 是很有限的。网络上的计算机大部分时间处于空闲的状态，而另一方面是人们在进 行科学计算中遇到的计算资源不足的情况。若将这两者很好的结合起来，人们将获 得巨大的资源财富。许多应用领域需要很强的计算能力，比如天气预报、核爆炸模 拟等，这些计算大大超过了目前单个处理器的最高峰值速度。对此，人类采取了很 多的措施。如并行计算技术、集群计算技术、分布式计算技术等，但是这些技术都 只能帮助人们使用一定范围的计算机资源，这个范围通常就是一个管理域的范围， 利用这些技术能共享的资源很有限，聚合的整体力量也不足够强。随着互联网技术 的迅猛发展，人们产生了把互联网上的资源集成起来使用的想法，利用现有的互联 网资源建立一种新的基础设施，把世界上的各种计算资源集成在一起，为世界范围 的用户提供使用这些资源的接口，这种新的基础设施就是网格。网格计算技术的出 现，使得在有限的时间或资源情况下进行超大规模的科学计算成为可能。 “网格”一词在2 0 世纪9 0 年代中期首次被用来描述科学与工程分布式计算 的基础设施，它其实是诸多节点的动态连接体，每个节点都是现存的一个或多个企 业或其他机构实实在在的i t 架构，包括硬件、软件、数据库等资源。同时，每个 节点可能还会派生出诸多类似的子节点。网格技术可以通过一定的方式整合这些节 点，在已有的i t 架构之上，实现c p u 、存储器和数据库等资源的动态共享和协同 工作。中国科学院计算所所长李国杰院士认为，网格实际上是继传统互联网、w e b 之后的第三次浪潮，可以称之为第三代互联网应用。 1 1 2 电力网格计算背景 当今世界各国的电力系统规模发展得越来越庞大，电力系统的运行也随之越来 越复杂。而我国也随着三峡电站的并网发电、西电东送工程的实施及全国联网工程 相继完成形成了规模巨大的超高压、大机组、大电网的全国性互联电网，而且全国 华北电力大学硕士学位论文 联网系统中既有交流线路，又有直流线路，还包括诸如无功静止补偿器之类的电力 电子设备和f a c t s 等装置，从而使电网的安全稳定运行与控制变得十分复杂。为 保证电力大系统的安全性、稳定性、经济性，需要进行各种稳态与暂态分析计算以 指导电力系统正常运行，对电力系统仿真技术提出了更高的要求。 目前，现代大型电力企业所需要处理的计算，往往是将大量数据集中存放在某 几台计算机上，再由高性能的计算机按串行算法的程序进行运算，这样一方面对数 据的安全性提出了高要求。另一方面也浪费了大量的计算机资源；同时，随着现代， 互联电力系统大系统强非线性与多元件的特点日益突出，其计算量与计算复杂度急 剧增加；随着电力市场的发展，计算的课题不断增加，而且对计算实时性和频繁度 的要求越来越高；传统的串行计算方法在计算速度上已经无法满足大电网模拟和实 时控制的仿真要求，人们从七十年代后期开始了电力系统并行处理的研究，其目的 是为了加快电力系统分析计算的速度，提高实时计算性能。目前在这个研究领域中 已经获得了一定的进展，研究者们一直致力于寻求更适合电力系统特点的并行算 法，希望找到能具有最大的并行性而各并行任务之间的数据相关性最小的方法。并 行计算可以提高计算速度，但计算能力始终跟不上实际问题计算需求的增长。因此 研究新的高性能计算模式已成为电力系统发展的迫切需要。 基于电力计算的特点，要完全满足这一工程的需求，需要所采用的软件体系必 须可模块化、可靠、安全、成本较低并且可以进行跨越多个企业的边界的分布式计 算。我们发现网格计算正是符合这一要求的软件架构，它可以将分布的计算机资源 有效地组织起来协同工作、形成一个集成的计算与资源环境，因此，它可以为现代 的电力系统提供良好的解决方案。 1 2 国内外研究动态 目前，分布式计算平台正处于发展阶段，分别开始应用在天文、医药等各领域 中。它们的共同点均是把网络连接起来的各种自治资源和系统组合起来，以实现资 源共享、协同工作和联合计算，为各种用户提供基于网络的各类服务。 网格技术的研究己经从美国和欧洲推广到了世界各地，许多国家都投入了大量 的资金和人力进行网格技术研究和网格基础设施建设。英国政府已投资1 亿英镑建 设英国国家网格；美国政府用于网格技术基础研究经费已超过5 亿美元，美国军方 目前正在实施全球信息网格计划。作为这个计划的一部分，美国海军陆战队已 启动了一个耗资1 6 0 亿美元、历时8 年的项目，包括系统的研发、维护等研究工作； 欧盟也投入巨资建设欧洲数据网格和欧洲网格，主要用于包括高能物理、生物计算、 气候模拟等多个领域的应用；美国的甲骨文公司的数据库产品中己经加入了数据网 格的技术。由此可见，许多国家都将网格技术的应用和研究放在很重要的位置。亚 2 华北电力大学硕士学位论文 洲的中国、日本、泰国、韩国等国也开始了网格研发和建设工作。 目前已经成功应用的分布式计算平台有g r i d o r g 平台、伯克利开发架构网络计 算( b o i n c ) 平台等。g r i d o r g 是一个与健康、科研有关的计算平台。它是一个为u n i t e d d e v i c e sg l o b a lm e t ap r o c e s s o r ( g m p ) 提供大规模计算资源的研究项目。u n i t e d d e v i c e s 在2 1 s tc e n t u r ya c h i e v e m e n ta w a r d 中因其在医药方面的创新获得了一项在 计算机领域内的奖项。对于平台参与者而言，需要先下载并运行g m p 代理计算程 序，自动设置好参与的项目参数后，就能通过更改参与者的个人设置网页上的参数 自由的参加或退出某些项目。伯克利开发架构网络计算( b o i n c ) 平台支持w i n d o w s 、 l i n u x 、u n i x 和m a co s x 平台，把数百万志愿计算机作为一台并行巨型计算机， 已经成功运行了利用全球联网的计算机共同搜寻外星智能的科学实验计划一 s e t i h o m e 。 随着网格研究在学术界的加速，各国的科研机构和商业机构己经意识到了网格 的重要性，并在网格领域进行了很大的投入，信息产业界的大公司也相继公布各自 的网格战略计划，导致了网格研究的不断升温。为了将优先的资金投入建设庞大的 网格系统，国际与地区间研究机构和商业机构开展了有效的合作是非常必要的。全 球网格论坛、国家网格论坛和网格协作组织纷纷出现，用来协调成员之间的合作关 系，开发标准和协议，使网格技术更好的为人类造福。全球最大的网格联盟全 球网格论坛已经成为事实上的网格标准制定与发布机构。其它一些对网格相关标准 有影响的团体有：结构化信息标准促进组织( o a s i s ，o r g a n i z a t i o nf o r t h e a d v a n c e m e n to fs t r u c t u r e di n f o r m a t i o ns t a n d a r d s ) 、万维网联盟( w 3 c ) 、分布式管理 任务组( d m t f ，d i s t r i b u t e dm a n a g e m e n tt a s kf o r c e ) 、通用信息模型( c i m ，c o m m o n i n f o r m a t i o nm o d e l ) 和基于w e b 的企业管理( w b e m ，w e b - b a s e de n t e r p r i s e m a n a g e m e n t ) 。 在我国，已经完成的网格研究项目主要有以中科院计算所为主的国家高性能计 算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i 曲p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 和清华大学 的先进计算基础设施a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e ) 。网格的研究和 应用列为“8 6 3 计划一个专项。中国科学院计算技术研究所从1 9 9 6 年开始了网格 技术的研究开发工作。中科院计算所联合江南计算所、国防科大等十几家科研单位， 共同承担了这一项目的研发任务。该项目旨在建立一个计算资源广域分布、支持异 构特性的计算网格示范系统。2 0 0 0 年，中科院计算所把我国8 个高性能曙光计算中 心通过i n t e r n e t 连接起来，进行统一的资源管理、信息管理和用户管理，并在此基 础上开发了多个网格应用系统，取得了一系列研究成果。中国科学院计算技术研究 所把网格研究当作一个长期、重要的具有研究潜力的研究方面。由教育部支持、清 华大学牵头的重点项目“先进计算基础设施”进行了部f - j 内的网格计算试验，在a c i 系统中，由清华大学研制的高性能计算机“t h n p s c 一2 与上海大学研制的高性能 1 华北电力大学硕士学位论文 计算机“自强2 0 0 0 ”等六个应用结点连接后，可以构成跨地区、跨学科的研究环境。 2 0 0 1 年提出了织女星网格计划，该计划包括从低到高的网格操作系统、信息网格、 知识网格三个层次。三个层次的研究齐头并进，并在三个层次上都取得了一定的研 究成果。同年6 月，清华大学“先进计算基础设施一北京、上海试点工程”和中科 院计算所“织女星 工程( v e g ag r i d ) 分别通过了鉴定。2 0 0 2 年底，上海市宣布将投 入两个多亿，建设e - i n s t i t u t e ，其中网格是重点，把上海交大、复旦、华东理工等 多所重点高校用网格整合起来，共享资源，协同教学科研，李三立院士担任首席科 学家。而正在建设中的网格项目有由教育部主导开发研制的中国教育科研网格 ( c h i n ag r i d ) 计划。该计划第一阶段的建设目标是在1 2 所具有超级计算环境的高校 建立c h i n ag r i d 网格主节点，开发一整套支撑c h i n ag r i d 的中间件；提供五类教育 及科学研究应用的专业网格及其开发环境1 1 1 。 1 3 网格计算在电力系统应用的意义 随着大规模互联电网的形成，电网数据资源广域分布与全系统一体化仿真要求 之间的矛盾更加突出，对远程通信基础平台体系、控制技术、控制策略和措施也提 出了更高的要求，以避免和控制大规模灾变性故障的发生。电力系统越来越依靠于 大规模计算( 如在线或半在线暂态仿真) ，其计算需求已远远超出普通计算系统的 承受能力，而依靠集中式计算将带来很多问题，如造价高，备用不足，以及各独立 经济实体( 特别是在电力市场条件下) 之间的计算资源共享冲突等口1 。此外，在未 来的电力工业中，由于竞争的日益激烈以及体制的改革，电力系统势必在大多数情 况运行在极限情况下。系统运行在极限点附近，巨型系统以及跨电网输电的增加， 系统脆弱性也将增高。这些都使电力系统对大规模实时计算的需求大大增加，要求 通过对大规模互联电网的整体仿真，有效加强电网的安全稳定运行，防止出现大规 模停电事件。大规模互联电力系统如果仍采用传统的集中式监控和计算的处理技术 这种方式，其可移植性和扩展性将很差。采用分布式系统来实现整个电网监控和管 理是当前发展的趋势。 网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 是当前网络计算的一个具有重要创新思想和巨大 发展潜力的方向。网格技术是为了整合广域分散分布的资源，以满足高性能的分布 式计算的要求，该技术是用来解决具有数据分布广、模型复杂、计算海量的问题。 网格技术不同于以往简单的文件数据的交换，而是提供对计算机、软硬件的直接接 入和使用。他的目标是建立大规模计算和数据处理的通用基础支撑结构，将网络上 的各种高性能计算机、服务器、p c 、信息系统、海量数据存储和处理系统、应用模 拟系统、虚拟现实系统、仪器设备和信息获取设备( 例如传感器) 集成在一起，为 各种应用开发提供底层技术支撑，将连接在i n t e r n e t 上各种资源进行整合成为一 4 华北电力大学硕士学位论文 个功能强大、无处不在的计算设施，对用户来说就像一台超级计算机。从网格的设 计理念来看，网格非常适合应用于电力系统中，可以满足未来电力系统中的调度运 行的监控，并且会成为未来电力系统中主流的计算技术。 电力网格是解决电力系统中数据海量、计算量巨大的有力武器。用网络计算中 间件作为底层支撑软件，将各级节点“粘合”，形成电力系统网络计算平台的抽象 资源层。再将现有的各种集成信息系统如s c a d a 、e m s 、d m s 以及电力市场信息 集成系统等融合进来，使得各种软硬件资源充分共享和协同解决问题，形成一个具 有海量信息、高速网络、强大计算能力的巨大电力系统信息处理平台。目前我国电 力通信网已形成了以北京为中心覆盖全国各电力公司的主干网，以此为基础电力系 统网络计算平台范围可遍布全国。而电力网格将整合位于各级调度中心的数据和计 算资源，实现相互之间计算能力和数据资源的共享，以实现对全网的准确仿真和检 测。 电力网格具有整合分布式跨管理域异构资源的能力，有助于充分利用现有数据 和计算能力，在此基础之上实现一体化计算。同时，借助于网格中间件的支持，将 分布于网格上的各种资源加以整合，可为使用者提供更好的共享资源和协同决策支 持环境。电力系统网络计算平台还有助予在不同区域调度中心之间交换数据，解决 电力系统海量数据之间多种数据格式共存的问题，将数据变成信息，实现针对全网 海量数据的数据挖掘和知识挖掘。电力系统网络计算平台的分布处理和信息集成能 力有助于推动电力市场和电力系统规划等研究领域的发展。 同时，在广域网环境下的网格计算在电力系统中的应用，可望有效解决大规模 电力系统实时、复杂计算问题，将对电力系统运行与控制产生巨大的变革，有着以 下重大意义p 】； ( 1 ) 不改变现有的电力系统信息系统硬件设施，整合各调度中心现有的硬件、 软件和数据资源到一个统一平台上，各种资源充分协调工作，提高资源利用率。从 而实现向互联电网监控系统的平滑过渡，最大限度地实现资源复用，可大大节省电 力系统信息化建设成本。 ( 2 ) 对动态分布的海量数据进行整合处理，再利用其超级计算能力，进行实 时甚至超实时仿真计算，使得电力系统实时性控制问题可以得到更好的解决。 ( 3 ) 通过建设电力系统网络计算平台，能够更有效地在电力系统分析计算、 仿真、设计和数据一体化等领域推广应用国家标准和规范。 ( 4 ) 电力系统网格计算平台与通用网络计算平台有许多共同之处，如广域分 布性、异构性、动态性、自治性、协同性等。电力系统网格计算平台系统开发过程 中所采用的软件工程方法和构架可以推广应用于其它复杂大系统分析计算问题领 域。 ( 5 ) 对电力系统网格计算的研究必然促进网格计算基础理论进一步发展、完 华北电力大学硕士学位论文 善。 因此，在电力系统中应用分布式的网格计算技术可解决大规模互联电力系统的 实时仿真的难题，它成为电力系统分析和计算中不可缺少的重要工具和手段之一。 随着网络用户的迅速扩展，利用网上资源构筑分布式并行计算环境进行中、大粒度 任务的分布式并行计算，已呈现出重要研究价值。基于分布式网格计算系统的电力 系统并行算法研究与实现这一目标提供了较好的科技研究前景，将是该领域今后进 一步的研究方向1 4 l 。 1 4 本文的主要的工作和组织结构 1 4 1 本文的主要工作 本文的研究旨在为电力系统目前急剧膨胀的计算需求寻找新的解决措施，在基 于网格的电力系统应用技术研究中，吸收来自g l o b u st o o l k i t 最新的技术成果，通 过构件网格计算平台，不但可以充分利用电力系统的计算资源，还可以解决集中式 大型计算系统的瓶颈问题，解决电力系统广域环境下并行计算的技术问题。 本论文的目标是结合电力系统固有的特性，研究电力网格的体系结构，设计适 用于电力系统的网格构架，建立网格并行计算机系统平台，对任务调度、并行计算 服务等进行设计与优化，使用网格来解决电力系统中潮流分析计算的问题，最后通 过算例对网格计算平台进行功能测试和系统性能测试。主要做了以下几方面的工作： ( 1 ) 深入研究网格计算技术，并且分析如何在电力系统中使用。 ( 2 ) 研究电力系统中潮流计算过程，并寻找与网格计算相适应的并行算法。 ( 3 ) 针对电力网格的特点与研究网格潮流计算的架构，对任务调度算法进行 分析与设计。 ( 4 ) 设计、实现潮流计算中矩阵分解与并行计算服务，实现网格潮流并行计 算。 ( 5 ) 利用算例测试，分析网格计算技术解决电力系统中大规模的矩阵运算的 优劣，从而证实方案的可行性。 1 4 2 本文组织结构 论文的章节安排如下： 第一章，概述、背景、主要工作和章节安排等内容。主要介绍国内外的网格计 算技术发展现状及网格计算技术在电力系统运用的意义，以及本文的主要工作和章 节安排。 第二章，并行处理技术与网格计算技术概述，重点介绍网格体系结构和g l o b u s 最新的网格平台和开发工具g t 4 ( g l o b u st o o l k i t4 ) 。 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章，概述电力系统潮流计算，主要介绍了潮流计算的基本数学模型与牛顿 一拉夫逊计算方法。 第四章，针对电力网格特点与本文所涉及的潮流网格并行计算问题，设计了两 层潮流计算构架；并在对现有的并行任务调度算法进行分析后，提出了与本文研究 相适应的调度算法。 第五章，对潮流网格并行计算进行研究，包括矩阵分割算法、矩阵并行求解， 潮流冗余计算等问题，并在以上内容的基础上研究了潮流网格并行服务的设计与实 现问题。 第六章，算法在网格计算平台上的功能测试和系统性能测试等内容。主要介绍 测试环境及对算例进行分析。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 并行计算技术 第二章并行计算与网格计算技术 现代科学技术对高性能计算机的需求主要来自数值计算和非数值处理( 或符号 处理) 两大方面，数值计算包括科学计算、系统模拟与工程设计等应用领域，统称为 科学工程计算：非数值处理包括非数值信息处理、知识处理与人工智能信息处理等 领域。对于许多大规模科学与工程计算问题，仅一台高性能计算机已不能满足需求， 它们需要将地理上分布的、异构的多种计算资源通过高速网络连接起来，共同完成 计算问题。因此，发展高性能计算技术，特别是发展并行计算技术正在受到国际上高 度重视。 并行计算技术的发展，可分为四个阶段【5 1 ： ( 1 ) 同步并行计算技术的预研期( 1 9 7 2 年以前) ( 2 ) 同步并行计算实践期，异步并行计算预研期( 2 0 世纪7 0 年代) ( 3 ) 同步并行计算成熟期，异步并行计算实践期( 2 0 世纪8 0 年代) ( 4 ) 异步并行计算技术成熟期( 2 0 世纪9 0 年代以后) 并行计算就是研究如何把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成 许多小的部分，然后把这些部分分配给许多计算机进行并行处理，最后将这些计算 结果综合起来得到最终的结果。用一句话说就是为了加快运算速度和解决大主存容 量的求解问题的多计算机多处理机的并行编程技术。并行编程需要一个合适的平 台，可以是具有多个内部处理器的单计算机或者是多个互联的计算机。 在并行计算机发展的3 0 多年历史过程中，出现过各种不同类型的并行机，包括 单指令多数据流机s i m d ，并行向量处理机p v p ，对称多处理机s m p ( s y m m e t r i c m u l t i p r o c e s s o r ) ，工作站机群c o w ( c l u s t e ro f w o r k s t a t i o n ) 和分布式共享存储d s m 多处理机。s i m d 计算机多为专用，其余的5 种均属于多指令多数据流m i m d 计算机 【6 1 。当代主流的并行机是可扩放的m i m d 型并行机，包括分布存储的大规模并行机 f m p p ) 和工作站机群式的并行计算机( c o w ) 。 2 1 1 机群系统 随着计算机硬件技术的高速发展，处理器和网络的性能不断地迅速提高和价格 的日益下降，使得并行计算日益从传统的超级计算平台，转移到由一组高性能节点 或工作, 站p c 机构成的称之为机群的计算平台上，因为机群成为构建可扩放并行计 算机的一大趋势。机群在计算机界有很多称呼，其中松耦合的工作站p c 机群也称 为工作站机群c o w 或工作站网络n o w ( n e t w o r ko fw o r k s t a t i o n ) ：而紧耦合的高 8 华北电力大学硕士学位论文 性能服务器节点机群也被称为构筑高端大规模并行机的机群系统。 机群是一组独立的计算机( 节点) 的集合体，节点间通过高性的互连网络连接： 各节点除了可以作为一个单一的计算资源供交互式用户使用外，还可以协同工作并 表现为一个单一的、集中的计算资源供并行计算任务使用。机群是一种造价低廉、 易于构筑并且具有较好可扩放性的并行机体系结构。 机群系统之所以发展迅速，主要是因为： ( 1 ) 作为机群节点的工作站系统的处理性能越来越强大，更快的处理器和更 高效的多c p u 机器大量进入市场； ( 2 ) 随着局域网上新的网络技术和新的通信协议的引入，机群节点间的通信 能获得更高的带宽和较小的延迟； ( 3 ) 机群系统比传统的并行计算机更易于融合到已有的网络系统中； ( 4 ) 机群上的开发工具更成熟，而传统的并行计算机上缺乏一个统一的标准； ( 5 ) 机群的价格便宜并且易于构建； ( 6 ) 机群的可扩放性良好，节点性能也很容易通过增加内存或改善处理器性 能获得提高。 机群具有以下重要特征： ( 1 ) 机群的各节点都是一个完整的系统，节点可以是工作站，也可以是p c 机 或s m p 机器； ( 2 ) 互联网络通常使用商品化网络，如以太网，光通道等，部分商用机群也 采用专用网络互连； ( 3 ) 网络接口与节点的i 0 总线松耦合相连； ( 4 ) 各节点有一个本地磁盘； ( 5 ) 各节点有自己的完整的操作系统。 2 1 2 基于消息传递的并行编程技术 进行并行编程，需要多个计算机或者是多个处理机之间进行通信，即“消息传 递”。基于消息传递的并行编程模型，用户必须显式地通过发送和接收消息来实现 处理器之间的数据交换，这种编程方式是大规模并行处理机和工作站机群采用的主 要编程方式。同时，这也是传统的局域网分布式并行计算方式。消息传递不仅面向 共享变量的多处理机，而且面向分布式的多计算机。消息传递为编程者提供了更灵 活的控制手段和表达并行的方法，一些用数据并行方法很难表达的并行算法都可以 用消息传递模型来实现，灵活性和控制手段的多样化是消息传递并行程序能提供高 的执行效率的重要原因。 p v m 和m p i 都为用户提供基于消息传递的并行编程环境，但是它们之间也存 在许多差别。m p l 只为用户提供一个消息通信库，而p v m 在提供通信库之外，还 9 华北电力大学硕士学位论文 提供了为一个或者多个p v m 程序创建机群环境( 即p v m 虚拟机) 的标准方法，并 定义了运行时任务到虚拟机节点的映射机制。此外，m p i 是一个消息传递标准，而 p v m 则不是。 p v m 最大的优点是灵活性，包括异构平台上的可移植性，交互性和容错功能。 另外p v m 还提供了很多灵活的功能，如任务的动态派生，动态改变p v m 虚拟机配 置，动态处理分组等。这使得一个p v m 程序可以植入容错功能和负载平衡。 m p i 相对p v m 来说，提供了更加丰富、更为高效的通信函数。m p i ( m e s s a g e p a s s i n gi n t e r f a c e ) 是一种消息传递接口，实际上也是一个消息传递函数库的标准说 明，而不是一门语言。m p i 库可以被f o r t r a n 或c 语言调用，遵守语言语法中对 过程或函数的调用规则。它还是一种标准或规范的代表，而不是特指某一个对它的 具体实现。 m p l 支持多种通信模式，丰富的消息数据类型。此外，m p i 还提供了非常丰富 的群集通信函数。总之，采用m p i 编写的并行应用能够获得比p v m 应用更高的通 信性能，是目前最为重要的消息传递模式，并且正成为基于消息传递编程模型的代 表和事实上的工业标准。 2 2 网格计算技术 2 2 1 网格概述 网格代表了一种先进的技术和基础设施。网格是以宽带网络为依托，借助于网 格中间件的支持，将分布于网络上的各种资源加以整合，为使用者提供一套完善的、 具有单一映像的共享资源和协同决策支持环境。网格能够充分吸纳各种计算资源， 并将它们转化成种随处可得的、可靠的、标准的、经济的计算能力。 具体可从以下三方面理解网格l 化 第一，从概念上，网格的目标是资源共享和分布协同工作。网格的这种概念可 以清晰地指导行业和企业中各个部门的资源进行行业或企业整体上的统一规划、部 署、整合和共享，而不仅仅是行业或大企业中的各个部分自己规划、占有和使用资 源。 第二，网格是一种技术。为了达到多种类型的分布资源共享和协作，网格技术 必须解决多个层次的资源共享和合作技术，制定网格的标准，将i n t e r n e t 从通讯和 信息交互的平台提升到资源共享的平台。但是目前并行计算、分布计算中间件等现 行技术远远没有解决多组织之间资源的共享问题，以及广域范围的多系统之间联合 处理和计算等网格计算所面临的关键问题。因此，网格技术研究具有独特性、紧迫 性和挑战性。 第三，网格是基础设施，是通过各种网格综合计算机、数据、设备和服务等资 l n 华北电力大学硕士学位论文 源的基本设施。这种设施的建立，将使用户如同今天我们按需使用电力一样，无需 在用户端配置大量的全套计算机系统和复杂软件，就可以简便地得到网格提供的各 种服务。这样，设备、软件投资和维护开销将大大减少。 网格计算具有以下优点： ( 1 ) 资源共享，以往对资源的共享仅限于数据文件传输层，而网格可以对资 源进行直接控制。 ( 2 ) 高性能，网格体系结构更能有效地利用现有的信息系统，可以在不增加 硬件设施情况下大幅度提高数据处理、计算速度，网格技术可以将设备利用率从平 均3 0 提高到7 0 - - 8 0 左右。 ( 3 - ) 一体化，网格将各种资源进行无缝连接，逻辑上就像是台计算机。目 前的i n t e r n e t 只带来了信息，而网格则增加了协作、计算等，成为三维系统。 ( 4 ) 协同工作，包括资源共享协同和问题解决协同等方面。网格的出现实现了 网络的完全共享，通过众多结点计算机整合而成的“超级计算机”的协同工作，网 格能够非常方便、迅速、准确地完成各种复杂的科学计算任务。 ( 5 ) 知识生产，网格可以通过互连、组合、协同解决用户的各种复杂问题， 从而产生出具有附加值的新服务、新数据和新信息等资源来满足用户的新需求，即 可以进行知识的再生产。 2 2 2 网格体系结构 目前为止，比较重要的网格体系结构有两个，一个就是f o s t e r 等人在早些时候 提出的五层沙漏结构，另一个是在以i b m 为代表的工业界的影响下，考虑到w e b 技术的发展与影响后，f o s t e r 等结合w e bs e r v i c e 提出的开放网络服务结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 。下面分别介绍这两种结构。 2 2 2 1 五层沙漏结构 五层沙漏结构是一种影响十分广泛的结构，它主要侧重于对网格的定性描述而 不是对具体协议进行定义，如图2 一l 所示： ( 1 ) 构造层 网格构造层的基本功能就是控制局部资源，向上层提供访问这些资源的接口。 构造层应该实现的基本功能包括：查询机制( 发现资源的结构和状态等信息) 、具 有可控服务质量的资源管理能力等。文件系统用到的节点资源( 或计算资源) 、存 储资源( 存放与获取文件机制、远程数据访问与权限机制等) 、对目录进行操作的 权限等，都是这一层所要实现的功能。 ( 2 ) 连接层 连接层的基本功能就是实现相互的通信。它定义了核心的通信和认证协议，用 华北电力大学硕士学位论文 一一 于网格的网络事务处理。通信协议允许在构造层资源之间交换数据，要求包括传输、 路由、命名等功能。建立在通信服务之上的认证协议提供加密的安全机制，用于识 别用户和资源。文件系统中用到的单登录点、用户存取访问控制权限等都由这一 层来实现； ( 3 ) 资源层 资源层的主要功能就是实现对单个资源的共享。资源层建立在连接层的通信和 认证协议之上，定义的协议包括安全初始化、监视、控制单个资源的共享操作、审 计以及付费等。资源层协议考虑的完全是单个的局部资源，因此忽略了全局状态和 跨越分布资源集合的原子操作。 ( 4 ) 汇聚层 汇聚层的主要功能是协调“多种”资源的共享，而资源层的主要功能则是与“单 个资源的交互。汇聚层协议对于服务描述的是资源的共性，并不涉及资源的具体 特征，说明不同资源集合之间是如何相互作用的。文件系统中的资源发现( 即对资 源目录的查询) 是由这一层提供。 ( 5 ) 应用层 应用层是在虚拟组织环境中存在的。从应用程序员的观点看网格结构，应用是 根据任一层上定义的服务来构造的。在每一层，都定义了协议，以提供对相关服务 的访问，这些服务包括资源管理、数据存取、资源发现等。在每一层，可以将a p i 定义为与执行特定活动的服务交换协议信息的具体实现 应用层 上 汇聚层 1r 资源层 r 连接层 图2 一l 五层沙漏结构及其与t c p i p 网络协议的对比 1 2 器一 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 2 开放网格服务结构o g s a 开放网格服务结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 是g l o b a lg r i d f o r u m4 的重要标准建议，是目前最新的一种网格体系结构，被称为下一代网格结 构。构造o