多核并行和设计模式在海量电力暂态数据处理与分析中的应用研究

摘要

随着电力系统自动化的快速发展和COMTRADE数据的日益广泛应用，基于COMTRADE的高级电力系统故障分析软件在电力系统安全运行中变得越来越重要。然而，随着电子技术的快速发展，电力系统暂态录波逐步向高采样率、连续记录和海量存储的方向发展，COMTRADE数据的海量化趋势明显，并已经在电力系统应用中造成了各种亟不可待的问题。同时，目前多核技术已经大规模普及，引发了并行计算的技术革命，这就为解决由海量COMTRADE数据引发的各种问题，提供了解决思路。另外，在软件设计方法学方面，模式理论已经成为当今指导先进软件系统开发的重要方法学。于是，本论文将多核并行计算技术和模式方法学相结合，首次研究并提出了针对海量COMTRADE数据处理和计算的一系列并行算法和快速算法，并采用当今先进的计算机技术，构建了一整套适应电力系统未来发展的高级电力系统暂态信息并行处理和分析系统(一套全图形化故障分析软件，一套可跨平台的在线自动故障分析软件，一套可跨平台的COMTRADE并行压缩/解压软件)。本文的研究成果解决了该领域内各种棘手的关键算法和技术问题，为电力系统海量暂态信息处理开辟了新的途径。目前，该系统已投入实际使用。 在海量COMTRADE数据处理方面，通过深入研究COMTRADE标准和大量现场数据，提出了COMTRADE容错解析算法，大量试验证明该算法可明显提高故障分析软件的鲁棒性。为解决海量COMTRADE数据加载过程中效率低下的问题，采用并行流水线和共享队列的设计思想，并利用以往串行加载算法中没有用到的序号信息，针对二进制和ASCII码数据文件分别提出了各自的并行加载算法，试验证明该算法可显著提高海量COMTRADE数据的加载效率。为解决海量COMTRADE数据大量占据磁盘空间和传输带宽的问题，采用多种提升格式小波和熵编码算法以及线程间竞争通道序号的思路，提出了面向COMTRADE格式的海量录波数据并行压缩/解压算法，试验证明该算法可获得较大的压缩比，且速度极快。为解决海量COMTRADE波形数据绘制效率低下的问题，以分图层并行绘制而后融合的思路，提出了海量COMTRADE波形数据并行绘制算法，试验证明了此算法可显著提高海量COMTRADE波形数据的绘制效率。 在海量COMTRADE数据计算分析方面，研究了快速傅里叶算法的并行化和加窗双谱线插值谐波分析算法，试验证明了该算法的有效性。在分析相关文献的基础上，提炼出了适合海量COMTRADE通道数据计算的各种递推算法，并进一步提出了其通用的并行计算算法，试验证明了该算法可显著提高海量COMTRADE通道数据的计算效率。通过研究高压输电线路线电压幅值沿线分布规律，得出了现实中该分布曲线只可能最多由两条单调方向不同的曲线段组成的结论，并利用此结论提出了一种可排除伪根、精确求解、大幅降低计算量和简化程序设计的故障双端测距算法，试验证明了该算法的有效性。 在软件系统研究方面，为解决目前各种第三方电力系统故障分析软件中存在的一系列不足和缺陷，采用面向对象的设计模式方法学，提炼出了适合电力系统故障分析软件设计的各种模式。为提高全图形分析环境的分析效率，结合设计模式，提出了一种和海量通道数据无关的图形记忆算法，实现了Undo/Redo功能。为提高电力系统故障分析的效率和直观性，提出了其三维分析方法，给出了故障分析中三维矢量数据的生成算法。为解决现有故障分析软件中二次分析环境的不足和缺陷，研究并设计了可扩展的电力系统故障集成分析环境。环境内集成了大量的电力系统通用分析算法，并可采用插件技术进行算法扩展。为和保护信息系统进行无缝融合，实现在线自动故障分析，研究并设计了一套可跨平台的COMTR-ADE在线自动故障分析软件系统，并提炼出与其相关的各种跨平台关键技术和算法。 在软件体系结构研究方面，为指导未来更加先进电力系统专业分析软件的开发，结合动态语言技术和面向服务的体系结构(SOA)，提出了一种可适应未来发展、具有良好扩展性的电力系统通用分析软件体系结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景及其意义

1.2研究现状及存在的问题

1.2.1对COMTRADE数据进行处理的研究现状及存在的问题

1.2.2对COMTRADE数据进行分析的研究现状及存在的问题

1.2.3基于COMTRADE的故障分析软件研究现状及存在的问题

1.2.4电力系统软件体系结构的研究现状及存在的问题

1.3本文所做的工作

1.3.1在海量COMTRADE数据处理方面所做的工作

1.3.2在海量COMTRADE数据分析方面所做的工作

1.3.3在软件系统研发方面所做的工作

1.3.4在软件体系结构研究方面所做的工作

第2章并行计算技术和模式

2.1并行计算

2.1.1并行计算机分类及其发展

2.1.2并行程序性能度量

2.1.3多核并行计算环境

2.2模式

2.2.1设计模式

2.2.2并行编程模式

2.3本章小结

第3章IEEE COMTRADE及其容错解析研究

3.1 IEEE COMTRADE标准

3.1.1头标文件

3.1.2配置文件

3.1.3数据文件

3.1.4信息文件

3.2 COMTRADE容错解析算法

3.2.1算法整体结构

3.2.2错误预分析算法

3.2.3容错解析算法

3.2.4算法试验

3.3本章小结

第4章海量COMTRADE数据并行处理研究

4.1海量COMTRADE数据并行加载算法

4.1.1二进制数据文件的并行加载算法

4.1.2 ASCII码数据文件的并行加载算法

4.1.3线程调度算法

4.1.4算法试验

4.2面向COMTRADE格式的海量录波数据并行压缩／解压算法

4.2.1 COMTRADE数据文件压缩／解压算法

4.2.2最佳小波分解尺度下的最佳数据区间划分算法

4.2.3并行压缩算法

4.2.4压缩文件格式

4.2.5并行解压算法

4.2.6算法试验

4.3海量COMTRADE波形数据并行绘制算法

4.3.1算法基础分析

4.3.2绘制技术选取

4.3.3并行绘制算法

4.3.4算法试验

4.4本章小结

第5章电力系统故障分析算法的并行化研究

5.1 FFT算法的并行化及其加窗谐波分析

5.1.1 FFT算法的并行化

5.1.2基于并行FFT的加窗双谱线插值谐波分析试验及其应用

5.2面向海量通道数据的通用并行计算算法

5.2.1海量通道数据计算的并行化

5.2.2算法试验及其应用

5.3本章小结

第6章基于高压输电线电压沿线分布规律的快速精确故障双端测距算法

6.1测距基本原理

6.2线电压沿线分布曲线周期性及单调性分析

6.3新型故障定位算法

6.3.1快速单调区间分割算法

6.3.2快速根区间判断及其求解算法

6.3.3伪根判断算法

6.4算法试验及其应用

6.5本章小结

第7章基于设计模式的电力系统故障分析软件设计及其关键技术

7.1系统设计及其录波数据抽象

7.2基于设计模式的通用录波显示控制引擎设计

7.2.1数据解析层的设计模式

7.2.2数据显示控制层的设计模式

7.2.3用户控制层的设计模式

7.2.4引擎实现的各种全新分析手段评价

7.3录波分析软件中的图形状态记忆算法

7.3.1算法基础设计

7.3.2采用设计模式降低算法复杂度

7.3.3 Undo／Redo操作的具体实现

7.3.4算法效果

7.4故障录波分析中的三维分析方法

7.4.1故障三维分析方法的优点

7.4.2故障分析的三维数据生成算法

7.4.3三维分析模块的运行效果

7.5可扩展的电力系统故障集成分析环境设计及其关键技术

7.5.1集成分析环境的结构

7.5.2集成分析环境的关键技术

7.5.3集成分析环境的特性

7.6可跨平台的在线自动故障分析软件设计及其关键技术

7.6.1自动分析系统的配置信息组成

7.6.2自动分析系统的结构

7.6.3自动分析系统的关键技术

7.7本章小结

第8章一种具有良好扩展性的电力系统通用分析软件体系结构研究

8.1新的软件体系结构研究思路

8.2动态语言Python

8.3 Python组件扩展技术

8.4具备良好扩展特性的电力系统分析软件体系结构

8.5软件体系结构对比分析

8.6本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研情况