【电网仿真考验高性能计算】 高性能仿真

　　用高性能计算技术解决大规模电力系统动态过程实时和超实时仿真，是破解大规模、复杂电网系统的管理和控制难题的一个有效方法。 　　电力是国家的经济命脉，其安全维系国家安全。面对大规模的复杂电网系统，如何有效地进行管理和控制保证其安全、稳定和经济地运行，是世界级的研究难题。从最新的研究来看，建立全面、鲁棒和快速的在线动态安全监控系统是解决问题的必由之路。
　　在线动态安全监控系统的目的是建立高安稳度和高效率的电力系统运行保障体系。该系统对电网进行实时监控和仿真分析，提出详尽的动态信息和事故紧急处理建议，有效增强系统运行稳定性，对大规模复杂电力系统的实时调度运行及极其重要。
　　
　　电网的动态仿真
　　
　　如今，动态安全监控系统的研究和建设已被世界各国广泛认同和关注。美国的国家电网研究、输电网络规划报告以及我国的国家中长期科学和技术发展规划战略研究报告都阐述了相关研究的重要性和必要性，并特别指出发展计算技术对大规模电力系统运行特性进行快速、准确的仿真，是其中的一项重要的基础工作。
　　实时和超实时的电网动态过程仿真，尤其是暂态过程仿真不仅是避免计算机时冗长所必需的，更是在线动态安全监测、分析与控制系统中实时故障分析的主要功能。仿真分析是在线安全分析系统的核心功能，需要进行大量的机电暂态过程仿真计算，其实时性能的好坏直接影响整个系统的应用能力。而要完成在线预决策和稳定控制就需要超实时的暂稳计算能力。因此，这就把采用高性能计算技术解决大规模电力系统动态过程实时和超实时仿真，特别是其中最复杂的机电暂态实时和超实时仿真，提到紧迫的日程上来。
　　现今常用的机电暂态时域仿真算法主要有两种: 一种是微分代数方程联立求解，利用隐式梯形公式对微分方程差分化，把差分方程和网络方程联立求解。隐式积分联立求解具有较好的数值稳定性，但在程序设计和实现上较为复杂，需要建立联立的修正方程，程序的可扩展性和灵活性不足。另一种算法是基于隐式积分法的微分方程、网络方程交替迭代法。交替迭代法虽然存在微分方程和代数方程的交接误差，但保持了隐式积分数值稳定性好的优点，又具备显式积分法简单灵活的特点，为许多串行暂稳程序所应用。
　　暂态稳定仿真是电力动态安全分析的有力工具，但其计算量大、计算时步短，计算时间长，以前仅能应用于离线状态。随着电力需求急剧增长、跨大区互联和远距离输电系统的出现，电力系统互联规模不断扩大，在线动态安全分析和实时仿真的实用需求越来越迫切，现有的串行计算根本无法实现大规模电力系统详细暂态过程的实时仿真，采用并行计算平台和并行计算方法是必由之路。
　　
　　并行计算与并行仿真
　　
　　追溯起来，电力系统暂态稳定并行计算的研究已有20年的历史了，在上世纪90年代初期曾经历了一个热潮，先后提出了基于线性方程的分块并行算法和并行因子分解算法、基于非线性方程的牛顿时空并行拓展以及基于微分代数方程的波形松弛法。其中，前两种属于空间并行算法，而后两种是同时进行多个时步计算的时间并行算法。总体而言，现有的空间并行算法并行度较低，收敛性与相关串行算法相同，易于处理随机事件。分块算法计算粒度较大，在分布存储并行机上可获得较好的计算效率，而并行因子分解算法并行粒度较细，更适合共享存储并行机。时间并行算法是对暂态稳定问题求解空间的扩充，能提供更高的算法并行度，但松弛策略的采用损害了算法收敛性; 同时，时间并行算法对随机事件处理不便，会引入大量的失效计算。而且由于并行计算系统稀缺且价格昂贵，计算能力不足，已有的暂态稳定并行算法实现多选择小规模的标准测试系统，中、大规模的实际电网算例较少，硬件平台也主要是向量机、共享内存并行机和Transputer系统。更由于对大规模电网实时仿真的需求尚不够迫切，并行计算技术和并行仿真技术一直没有走入实际应用。
　　2000年，随着高性价比集群系统的应用和集群计算技术的普及，电力系统动态并行计算的研究又重新成为热点。在国家重点基础研究发展计划（973计划）的资助下，电力科学研究院、清华大学的研究人员着手开展面向高性能集群系统的电网并行仿真算法和系统的研究，都取得了令人满意的成果。
　　清华大学研究组提出了面向集群系统的分层子结构电力系统暂态稳定并行算法和基于电网分层分区特性的多重化任务划分策略，并且在算法设计、任务划分策略、软件包实现、计算精确度校验和构建实际的大规模系统算例上都取得了可喜的成果。首次给出了包含上万节点的全国联网电力系统的10秒暂态过程仿真算例，在12个CPU上计算耗时仅为实际机电过程时间的40％，这一结果在电力大系统的仿真速度和并行计算效率两方面都具有标志性意义。
　　国内研究人员在暂态过程并行仿真方面取得的研究成果为并行仿真在电网中的实际应用奠定了基础。然而，与实际应用的需求相比，动态并行仿真技术仍面临不小的挑战。在实际应用过程中需要对大量相关故障的动态过程进行扫描，以万节点的系统、仿真300个80秒动态过程的算例为例，全面优化的串行计算需要22个小时完成，在12个处理器的高性能集群系统（Myrinet互连）上也需要89分钟，而最终的应用则是希望这个计算过程低于5分钟。可见，要在更高速和更大规模的高性能计算机上部署和完成大规模电网的动态并行仿真仍是需要深入研究的课题。
　　
　　链接:2005 Intel杯全国高性能计算应用与优化大赛获奖作品
　　
　　2005年11月30日，由863 高性能计算机评测中心主办、英特尔（中国）有限公司协办、历时半年的全国首届高性能计算大赛结果揭晓。以下是本次大赛的几个代表性作品:
　　
　　1. 作品名称 :PMD3D （一等奖）
　　作者: 北京应用物理与计算数学研究所 张宝印、曹小林
　　作品简介: 作者对自主开发的并行分子动力学程序PMD3D在基于Itanium 2的中科院网络中心联想深腾6800上进行性能优化，将大量不规则的作用力计算进行缓存，然后进行向量化计算，同时应用Intel MKL数学库中的VML库函数加速除法等浮点运算的效率，这样使得单机性能在优化后提升4倍多。
　　作品评价: 该作品在程序串行优化、并行优化以及现场调试比赛中都取得了领先的成绩，毫无争议地获得了本次比赛的冠军。
　　
　　2. 作品名称 : 并行快速多极算法加速的边界元法计算软件PFMM（最佳原创应用奖）
　　作者: 清华大学航天航空学院 雷霆
　　作品简介: 本软件为三维边界元大规模并行计算软件，采用新版本快速多极算法加速，通过算法并行实现编译参数选择以及负载均衡的优化，使计算速度进一步提高，为复杂工程与科学问题中的一些大规模计算开辟了诱人的前景。
　　作品评价: 快速多级算法虽然具有较好的计算复杂度和存储复杂度，但其算法非常复杂，实现相当困难。雷霆独自实现了这一复杂的并行算法，代码量达到4万行。
　　
　　3. 作品名称: 三维全粘性湍流计算软件(NAPA)（二等奖）
　　作者: 南京航空航天大学金君、周忠平、顾恺恺、李洋、方霞
　　作品简介: 三维粘性流场计算软件（NAPA）是为计算可压缩粘性或无粘流体复杂和任意几何形状(含内外复合流)的流动而设计的三维程序。NAPA软件从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决复杂流动计算问题。
　　作品评价: 流体力学是高性能计算中最重要的一类应用之一。本作品具有较好的实用程度，在优化和并行化方面也取得了较好的成绩。
　　
　　4. 作品名称: 复杂流动的格子Boltzmann 方法及其优化技术（三等奖）
　　作者: 华中科技大学 杜睿、韩海锋、余晓美、陈兴旺、李可维
　　指导教师: 施保昌、何南忠
　　作品简介: 作品介绍了模拟复杂流动的LB 方法的计算模型和程序实现，以二维方腔流为例详细介绍了格子方法的串行和并行程序实现。另外，作品设计了多向划分的并行程序，对比了不同划分方式对通信性能产生的影响。
　　作品评价: 该作品使用的LB方法是一类较新的流体力学算法。作品在计算模型方面具有一定的原创性，体现了优秀算法在高性能计算方面的威力，但在现场优化方面的失误，使得该作品仅获得三等奖。