（计算机应用技术专业论文）电力网格仿真系统任务调度的研究与实现.pdf

本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电力网格仿真系统任务调度的研究与 实现，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，除了文中特另u ；i i i ：i 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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 爱瑟 日 期： 2 箜笠丝：垫 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) 作者签名： 叠越 日 期：2 塑墨2 兰：垫一 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文首先介绍了电力网格以及网格的研究现状，研究了电力网格体系结构以 及网格的主要架构，着重介绍了g l o b u st o o l k i t 4 的架构与功能，并在g t 4 平台上 构建了电力系统资源模型，部署了电力资源服务。在大型电力网格中，针对如何将 任务分配到合理的资源上的调度技术，存在实时性不够问题，提出了改进的基于遗 传算法的任务调度算法。设计了电力网格仿真系统的模拟测试。首先在g t 4 上发布 一系列的资源服务，然后发布任务调度服务，用户通过任务调度服务能够得到该用 户提交的任务所分配的资源列表。通过模拟测试，表明所设计的资源模型和任务调 度系统具有很好的健壮性和可扩展性，并试验总结了算法的优劣性。 关键词：电力网格，任务调度，遗传算法，w e b 服务 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fp o w e rg r i da n dg r i d ，s t u d i e st h ep o w e r g r i da r c h i t e c t u r ea n dt h em a i ns t r u c t u r eo ft h eg r i da n dh i g h l i g h t l yi n t r o d u c e st h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o no fg l o b u st o o l k i t 4 t h e nt h i sp a p e rb u i l t st h ep o w e rs y s t e m r e s o u r c em o d e la n dd e p l o y st h ee l e c t r i c a lr e s o u r c es e r v i c e so ng t 4 a sf o rt h e l a r g e - s c a l ep o w e rg r i d ，t h er e a l - t i m eo ft h ec u r r e n ts c h e d u l i n gt e c h n o l o g i e si sn o t e n o u g h t h i sp a p e rp r e s e n t sat a s ks c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do na ni m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h m t h i sp a p e rd e s i g n st h et e s to fp o w e rg r i ds i m u l a t i o ns c h e d u l i n gs y s t e m t h i s p a p e rf i r s t l yp u b l i s h e sar a n g eo fr e s o u r c es e r v i c e s ，a n dt h e np u b l i s h e st h et a s k s c h e d u l i n gs e r v i c e t h eu s e rc a ng e tt h el i s to fr e s o u r c e sa l l o c a t e dt ot h et a s k sw h i c h u s e rh a ss u b m i t t e d t h r o u g hs i m u l a t i o nt e s t s ，t h er e s o u r c em o d e la n ds c h e d u l i n gb a s e d o nt h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi ss t r o n ga n de x t e n s i b l e g u ox u e y i n g ( c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h uy o u c h a n k e yw o r d s ：p o w e rg r i d ，t a s ks c h e d u l i n g ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，w e bs e r v i c e 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论。l 1 1 课题的立项依据。l 1 1 1 课题研究背景及意义l 1 1 2 网格技术研究现状。1 1 1 3 电力网格研究现状。2 1 1 4 网格任务调度的发展现状和趋势3 1 2 研究课题的提出。4 1 3 电力网格仿真系统的研究方案5 1 4 本论文主要研究工作6 第二章电力网格任务调度的工作基础及相关研究7 2 1 电力网格。7 2 1 1 电力网格概述。7 2 ；1 2 电力网格体系结构8 2 2 开放网格服务体系结构一o g s a 9 2 3w e b 服务资源框架( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ，w s r f ) 1 0 2 4g l o b u st o o l k i t4 0 系统结构1 2 2 5 资源建模z 。1 4 2 5 1 电力资源的特点和分类1 4 2 5 2 电力资源信息描述1 4 2 5 3 电力系统资源建模1 7 2 6 本章总结1 8 第三章电力系统资源服务实现和部署1 9 3 1 电力系统资源服务模型1 9 3 1 1 电力系统资源服务( p o w e r s y s t e m r e s o u r c e ) 1 9 3 1 2 定义服务接口2 0 3 1 3 实现服务2 1 3 1 4 定义服务发布参数2 3 3 1 5 编译源代码和产生g a r 文件2 4 3 1 6 部署服务2 5 i 华北电力大学硕士学位论文目录 3 1 7 客户端。2 5 3 2 服务实例部署。2 5 3 2 1 启动g l o b u s 服务2 5 3 2 2 客户端与资源通信模型2 6 3 2 3 执行客户端。2 6 3 3 本章总结2 7 第四章电力网格仿真系统任务调度算法的研究与详细设计2 8 4 1 电力网格仿真系统任务调度问题2 8 4 1 1 问题的提出：2 8 4 1 2 问题描述2 8 4 2 常用求解算法2 9 4 2 1 基于优先级的任务调度方法3 0 4 2 2 基于l is t 调度的任务调度方法。3 0 4 2 3 基于模拟退火的方法3 l 4 幺4 基于进化计算的方法3 2 4 3 遗传算法3 2 4 3 1 算法概述3 2 4 3 2 遗传算法的主要步骤。3 3 4 3 3 遗传算法的优缺点3 4 4 3 4 遗传算法在应用中的关键问题3 6 4 4 电力网格仿真系统任务调度模型3 6 4 4 1 调度模型3 6 4 4 2 目标函数的设计3 7 4 4 3 基于d a g 图的调度算法的影响因素3 7 4 5 改进的遗传算法3 9 4 6 改进的遗传算法在电力网格仿真系统中的应用4 0 4 6 1 染色体编码4 0 4 6 2 种群规模设定4 4 4 6 3 适应度函数的计算4 5 4 6 4 遗传算子。4 5 4 7 改进的遗传算法与普通遗传算法的对比试验5 0 4 8 本章总结5 2 第五章电力网格仿真系统任务调度试验及结果分析5 3 5 1 电力网格仿真系统运行环境5 3 h 华北电力大学硕士学位论文目录 5 2 部署调度服务5 4 5 3 电力网格仿真系统任务调度模块测试。5 7 5 3 1 任务调度的功能测试5 7 5 3 2 任务调度的性能测试5 8 5 3 3 实验结论6 0 5 4 本章总结6 0 第六章总结与展望6 1 6 1 全文工作总结6 l 6 2 后续研究工作6 l 参考文献6 3 致谢，6 6 在学期间发表的学术论文和参加的科研情况6 7 i i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的立项依据 1 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着信息科学的不断普及，电力系统在运行，管理，规划，控制和架构等方面 正经历着深刻的变革。一方面，跨区，省的高压，超高压，特高压大型电力网络互 联形成了国家层面的电力网络。同时，不同容量和不同特性的各种发电机被接入电 力网络，使得形成的电力网络规模更大，复杂度更高；另一方面，由于电力系统的 设备和数据广域分布，使得电力网络又具有了多级，多层次的特点n 1 。为此，要有 效的管理电力网络，控制和避免大规模故障的发生，越来越依赖于计算机的通信和 控制，使得电力系统的运行，管理，控制演变成一个涉及大量数据和信息计算的应 用工程。要完全满足这一工程的需求，需要所采用的软硬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。而网格计算 正是符合这一要求的软硬件结构，它可以将分布的计算机资源，软件资源，数据资 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，并且网格计算被认 为是一种“构造便宜”的，能够处理异构和分布计算的“超级计算 手段。因此， 网格计算为现代电力系统提供了一个理想的解决方案幢儿引。 1 1 2 网格技术研究现状 在国外，许多发达国家都在网格上投入了大量研究资金。美国对网格的研究始 于九十年代中期，有美国自然科学基金会( n f s ) 资助的网格项目n c s a ，n p a c i 和 t e r a g r i d ；美国宇航管理局( n a s a ) 构造的网格计划i p g ( i n f o r m a ti o np o w e rg r i d ) ； 美国国防部( d o d ) 的h p c m p 网格；美国能源部( d o e ) 的d o es c i e n c eg r i d 网格和a s c i g r i d 网格；美国“全球信息网格 心1 等。欧洲有英国的“英国国家网格 、c e r n d a t a g r i d d l ( 欧洲原子能研究机构的数据网格) 等。澳大利亚有n i m r o d g 、e c o g r i d 等。日本的n i n f h l 和b r i c h s 等都是有影响的网格研究计划。韩国政府也正式宣布 建立第三代网络基础的国家网格基本计划，计划在五年内把分散的高性能电脑通过 网络连接起来加以利用。此外，泰国，印度等发展中国家也积极开展了多项网格的 研究工作。在众多软件项目中，尤以g l o b u s 设计得最为完善和灵活。凭借自身强 大的功能，现在已成为事实上的网格开发标准。 在国内，网格计算也正逐渐成为研究的热点。由清华大学牵头李三立院士领导 的“先进计算基础设施，北京上海试点工程 将分布于北京和上海的两台自主研制 华北电力大学硕士学位论文 的超级计算机连接成为聚合计算能力达到亿次的网格计算平台，取得初步成果；科 技部专门召开“网格战略研讨会一，将网格的研究和应用列为“8 6 3 计划”的一个 专项；中国科学院在国家“8 6 3 计划 的支持下发布了织女星网格体系结构啼】； 1 9 9 9 一- 2 0 0 0 年，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8 6 3 重点项目“国家高性能计算环境( n h p c e ) 1 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，把我国8 个 高性能计算中心通过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；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( a s i ) 也进行了部门内的网 格计算试验；另外我国正在开发的网格研究项目有中国国家网格口3 ，中国教育科研 网格哺1 ，上海城市信息网格阳1 ，清华大学计算机系仿真网格，浙江大学e - s c i e n c e 。 中科院织女星网格等。 在网格计算平台设计与体系结构方面也有学者展开研究，如华中科技大学章勤 等在计算机研究与发展上发表了关于网格计算平台体系结构研究；在用户 编程与使用环境层面也有学者展开研究，如中科院计算所李丙辰等在计算机研究 与发展上发表了 g s m l 网格编程语言的一种实现方法 1 1 3 电力网格研究现状 我国电力系统具有广域分布、数据量大、模型复杂等特点，电力调度和监控涉 及到的跨域是具有自治性的多个子网，大规模电力系统是一个典型的网格系统。目 前国内电力网格的研究主要集中在三个方面：电力网格体系结构；将网格应用到电 力信息化系统及管理决策分析；电力系统海量计算、复杂问题求解及仿真方面。 南京邮电大学计算机学院及南京大学计算机软件新技术国家重点实验室的祁 正华等提出大规模电力网格体系结构应分为：电力资源层、网格服务层、电力服务 层、应用层和客户层。其中电力服务层是重点和关键层，采用把电力应用映射到分 布的电力资源上进行处理，困难在于其映射的准确性，快速性，透明性和动态性n 引。 南京大学计算机软件新技术国家重点实验室、计算机科学与技术系的严涛等提 出了基于t a g n 的电力网格分布式资源管理的研究与实现。在分析现有电力调度自 动化系统和网格架构下资源管理机制优缺点的基础上，与国电南瑞科技股份公司合 作研制开发了基于网格技术的电力调度自动化平台p o w e rg r i dp l a t f o r m ( 简称 p g p ) ，来管理和监控分布式电力资源，提出了一种基于t a g 分类思想的分布式资 源注册和检索机制，给出了这套机制中的t a g 设计组织和分布式存储与检索的具体 设计方案，并进行了优劣比较和性能分析m ，。 电子科技大学电力自动化实验室利用计算池开发了面向电力系统分布式信息 2 华北电力大学硕士学位论文 管理和电力系统并行潮流计算应用的电力系统网格计算平台。由多台高性能计算机 及联想深腾超级计算机通过i n t e r n e t 连接提供计算资源的计算池。系统核心是中 间层，开发了功能组件和管理组件n 引。 1 1 4 网格任务调度的发展现状和趋势 从本质上来讲，网格就是一个基于广域网构建的分布式计算系统，它与传统的 分布式系统的主要区别在于它具有广域性，异构性，动态性三个特点。它主要应用 于解决科学、工程、商业领域中规模庞大、计算复杂、需要使用多种异构资源的计 算问题，这样的问题大量存在，尤其在电力系统中，而且在任何一个单一的超级计 算机上都无法解决。由于网格资源所具有的这些特点以及网格应用的复杂性，以前 针对传统的分布式计算的调度方法已经不适用于网格环境中的任务调度。 在传统的并行和分布式调度问题中，所涉及的计算资源是同构的，因此不必关 心资源所具有的属性以及资源能否满足用户所提交的任务的需要，而且，计算资源 通常在地理上是集中的，因此不用关心系统在运行过程中通信所花费的开销。网格 任务调度的目的就是将“合适 的任务分配到“合适”的资源上去运行。因此，不 同的网格任务调度系统就可能有不同的调度目标，有的是为了缩短任务的执行时 间，有的是为了增大系统的计算吞吐率，有的是为了使系统的利用率最大化，有的 则是为了以最经济、最节省的方式使用户的需求得到满足。 在网格环境中，许多独特的特性使调度算法的设计变得很有挑战性。目前，已 有许多科研组织对网格任务调度进行了研究。下面简单介绍当前网格计算中几个主 要的调度模型以及相关的调度算法。 c o n d o r n 引：c o n d o r 系统是面向高吞吐率计算而设计的，它的主要目的就是利用 网络中工作站的空闲时间来为用户服务。针对这种应用，c o n d o r 使用的调度方法就 相对简单一些。它定义了一套半结构化的数据模型一c l a s s i f i e da d v e r t i s e m e n t ，用 于描述资源的特性和表达用户的需求。它的调度分为两部分一匹配( m a t c h i n g ) 和声 明( c l a i m i n g ) ，在匹配阶段，m a t c h m a k e r 在可获得资源中找到最适合任务的资源， 然后通知用户和服务提供者，随后用户和服务提供者再进行声明，以此确立两者之 间消费与服务的关系。 n i m r o d n4 | ：由于网格的异构性，其资源可能被不同的个人或者组织拥有，从而 具有不同的管理策略、访问成本以及动态变化的性能。n i m r o d 系统的主要目的就是 在保证用户需求得到满足的条件下为用户提供最经济的计算模式。为了达到这个目 的，n i m r o d 系统中采用了d e a d li n ea n db u d g e tc o n s t r a i n e d ( d b c ) s c h e d u li n g a l g o r i t h m 此算法根据用户任务对于完成时间以及花费预算的要求对任务进行调 度。其中，根据算法的侧重点不同，此算法又有d b ct i m eo p t i m i z a t i o n 、d b cc o s t 华北电力大学硕士学位论文 o p t i m i z a t i o n 和d b cc o s t - t i m eo p t i m i z a t i o n 三种分支。 a p p l e s ( a p p l i c a t i o nl e v e ls c h e d u l i n g ) ：p a r a m e t e rs w e e pt e m p l a t e 是 a p p l e s 项目中一套用户级的中间件，它所针对的主要应用是p a r a m e t e rs w e e p a p p l i c a t i o n 。它的主要目标就是将任务以最有效的方式调度到资源上去运行，使 得应用以比较高的效率被完成。为了实现这个目标，p a r a m e t e rs w e e pt e m p l a t e 提出了一个自适应的任务调度算法，在这个算法中，w o r k q u e u e ，m i n - m i n n 鲥， m a x - m i n ，s u f f e r a g e 等调度策略都可以被使用，而且针对p a r a m e t e rs w e e p a p p l i c a t i o n 中存在任务共享输入文件的情况，c a s a n o v a 等人在s u f f e r a g e 算法的 基础上进行改进后提出一个新的调度策略e x s u f f e r a g e ，实验证明，共享文件越 大，x s u f f e r a g e 的优越性越明显。 任务调度是网格计算的基本功能，它所面临的问题是一个n p 完全问题。到目 前为止，人们提出了很多网格系统的调度技术和算法。但是，不少调度算法还没有 完整的理论依据、一些调度技术的结论还只是来自仿真结果，至今还没有形成网格 计算的任务调度理论。因此，该领域的研究还有待进一步发展和完善。具体地说， 网格任务调度研究还要做的工作包括： ( 1 ) 启发性智能化方法是网格计算任务调度的一个重要研究领域。目前启发 性任务调度算法的研究还处于模拟仿真阶段，还需要在理论和实践中不断完善。 ( 2 ) 目前大多数调度算法的研究都是在纯数学模型上探讨，忽略了实际的网 格平台模型，因此针对实际的网格应用平台，设计合理高效的调度算法有待于深入 研究。 ( 3 ) 需要建立准确的预测模型，这是算法成功与否最核心的因素，因为一切 调度策略是建立在通过预测模型估计的参数基础上的。 ( 4 ) 如何克服目前存在的调度算法中存在的各种主要问题，实现相对最优的 调度，使得整个系统负载平衡、运行高效。 ( 5 ) 缺乏真实的网格测试环境来准确验证改进的算法的性能收获。 1 2 研究课题的提出 综上分析我们发现。国内外的网格技术研究主要集中在分布式超级计算，分布 式仪器系统，数据密集型计算，远程沉浸等方面。涉及的应用有生物信息学网格、 图像处理网格、远程教育网格、流体力学网格和海量信息处理网格等；侧重于网格 体系结构、资源描述、资源管理、网格安全等方面的理论研究和应用探索；电力网 格主要集中在体系结构、网格环境下某一方面电力应用系统的探索性研究；因为电 力系统是一个实时性很强的在线运行系统，研究成果很难投入实际系统中来检验； 4 华北电力大学硕士学位论文 另外，我们在为电力企业开发应用系统过程中发现，电力系统从七大集团公司、省、 市( 地) 、县、所构成了以光纤为传输介质的计算机广域网，各级都有信息中心， 有大量计算机软硬件资源、应用资源、网络资源闲置，应用和数据被人为的分割， 存在信息孤岛。解决这些问题的最好途径是采用网格技术。为此，我们觉得有必要 研究一个基于计算机网络的电力网格仿真系统，开放式的供研究人员使用。使网格 技术应用于电力系统之前，在此仿真系统上得到充分的试验、完善。同时，为网格 技术在大型、实时、动态系统中的应用提供一定的经验，进一步促进网格技术的发 展，将具有重大工程应用前景。 其中，任务调度是电力网格仿真系统重要的组成部分，它要根据任务信息采用 适当的策略把不同的任务分配到合适的资源节点上去运行。由于资源节点的异构性 和动态性，以及任务对资源的不同需求，使得任务调度变得极其复杂，不好的任务 分配策略，将会增加任务的执行时间，降低整个系统的吞吐量。因此，设计一种高 效的基于电力网格的任务调度算法对该系统投入实际应用是必不可少的，另外这对 其它网格项目也将具有很大的意义。 1 3 电力网格仿真系统的研究方案 项目以大学校园网为基础，采用网格开发工具包g l o b u st o o l k i t4 0 搭建网 格开发基础平台，研究开发电力网格仿真系统，供电力网格应用于电力工程实践之 前的理论和应用进行创新性研究。具体研究方案为： ( 1 ) 用g t 4 搭建网格开发平台，组建网格环境。利用一台装有l i n u x 系统的 计算机作为资源中心服务器，另外几台安装w i n d o w s 系统的计算机作为网格节点。 在各台计算机上安装g t 4 ，配置好开发环境，注册到服务器上，这样构建出一个小 型网格环境。 ( 2 ) 系统规划和电力网格仿真系统的体系结构确定。规划设计适用于我国电 力网络运行、控制、管理的电力网格仿真系统框架和体系结构。 ( 3 ) 系统资源仿真模型的规划和设计。通过理论分析或实验研究方法设计系 统中各种虚拟资源的仿真模型。主要包括各种计算机软硬件资源模型、网络设备模 型、网络信道模型、电力系统专用软件模型( 如电力营销管理系统、调度自动化系 统、安全评估、稳定分析、潮流计算、故障分析、状态估计、业务管理、数据服务 等) 、各种电力设备模型、各种电力等级变电站模型、各级电力公司模型、各电压 等级的输电线路模型等。 ( 4 ) 模型实现。利用g t 4 的相关组件及j a v a 自编中间件对设计的各种模型进 行定义实现。 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 资源管理的设计实现。上述定义的资源发布、索引、发现、调度、监控， 以及服务质量、安全防卫的设计。网格资源管理中涉及的常用算法用j a v a 语言写 成中问件。 ( 6 ) 设计开发电力网格仿真系统门户网站。设计面向网格用户的浏览器界面， 设计开发用户身份认证登录系统、任务注册、资源监控、数据传输、任务提交、浏 览或下载已完成任务的结果等一系列网格服务。 ( 7 ) 设计开发电力网格仿真环境和仿真对象的构建。 ( 8 ) 实际网格资源的接口、封装和数据通信协议的设计与实现。对实际计算 机软硬件资源、实际网络设备和信道资源、现有电力系统专用软件资源通过理论分 析或实验研究抽取统一的接口标准、封装形式和通信协议，实现与系统的连接。 1 4 本论文主要研究工作 本文主要研究并实现在电力网格仿真环境中的任务调度系统，提出电力网格任 务调度模型，部署资源服务和任务调度服务，研究适合于电力网格环境的任务调度 算法，实现并验证该算法的可行性和合理性。 全文共分六章： 第一章绪论，就现今电力系统的需求和网格技术的发展现状做一个综合性的概 述，表明任务调度的重要性和该研究工作的意义和价值。提出本项目的研究方案。 第二章电力网格任务调度的工作基础及相关研究，介绍了电力网格；电力网格 体系结构；开放网格服务体系结构- o g s a ； g l o b u st o o l k i t4 0 系统结构。分析 了网格实现规范w s r f 。在此环境中，对电力系统资源进行建模研究，为后面搭建任 务调度系统做准备。 第三章电力系统资源服务实现和部署，利用g l o b u st o o l k i t 4 0 所提供的功能 部署了本文提出的电力系统资源模型，使其成为网格平台上的一个服务，并进行了 简单的测试。 第四章基于遗传算法的电力网格仿真系统任务调度算法的研究与详细设计，对 电力系统的并行任务调度进行研究，建立了电力网格仿真系统任务调度模型，并在 讨论了多种调度算法的基础上设计了改进遗传算法来实现对电力系统的任务调度。 通过与普通遗传算法的比较，证明了该算法在电力网格环境中的可行性和高效性。 第五章电力网格仿真系统任务调度试验及结果分析，提出在电力网格仿真环境 中实现任务调度的系统体系结构，通过部署电力资源服务和电力系统任务调度服 务，搭建小型的电力网格仿真系统，进行测试和性能分析。 第六章对全文工作进行了总结和展望。 6 华北电力大学硕士学位论文 - _ _ _ _ - - _ - 。l _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ 。_ - _ - - _ _ _ _ _ _ - 。_ - 。- _ - _ - _ - _ - 。_ 。- 。- - _ 。- - _ 。_ 。_ i - _ _ _ _ _ _ _ 。- 。_ _ - _ _ _ _ - _ 。_ 。_ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - 。一 第二章电力网格任务调度的工作基础及相关研究 。 2 1 电力网格 2 1 1 电力网格概述 网格是构筑在互联网之上的一项技术，将高速互联网、高性能计算机、大型数 据库、传感器、远程设备等融为一体，实现计算资源、存储资源、信息资源、知识 资源等的全面共享，消除“信息孤岛 和“资源孤岛，支持在其之上的共享和 协作。网格服务将一切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据和仪器设备等。这 种抽象将资源、信息、数据等统一起来，有利于通过统一的标准接口来管理和使用 网络。 随着科学技术和计算机产业的飞速发展，各个行业科学计算的计算量已变得异 常庞大。尤其在电力行业中，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，目前一个很重要的目标是将相对便宜的，可模块化 的，可靠和安全的，通常是超越企业边界的分布式并行计算引入到电力系统中为电 力企业服务。 随着信息化科学的不断普及。电力系统正在朝着“标准化 ，“统一化 ，“集 成化 的方向发展，如国家电网公司的s g l 8 6 计划，该项目将统一规划，统一标准 的工作落到了实处，目标是建成“纵向贯通，横向集成 的一体化企业级信息集成 平台，使各网省公司的信息化工作提升到一个相当的高度。另外电力系统在运行， 规划，控制和架构等方面也正经历着深刻的变革。一方面，大型的电力网络的互联 形成了国家级的电力网络。同时，不同容量和不同特性的各种发电机被接入电力网 络，这都使得形成的电力网络规模更大，复杂程度更高。另一方面，由于电力系统 的设备和数据广域分布，使得电力网络又具有了多级，多层次的特点。 基于上述变革，电力网络对远程通信的基础平台体系，控制技术与控制策略和 措施提出了更高的要求，以控制和避免大规模故障的发生。因此，电力系统越来越 依赖于计算机的通信和控制，使得电力系统的运行与控制演变成一个涉及大量数据 和信息计算的应用工程。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。 而网格计算正是符合这一要求的软件结构，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，并且网格计算被认为是一种“构 造便宜 的，能够处理异构和分布计算的“超级计算 手段。因此，网格计算为现 代电力系统提供了一个理想的解决方案。由于网格计算可以联合分布计算和集中超 7 华北电力大学硕士学位论文 级计算的优势，因此基于网格计算的平台体系将大大地优于传统的体系。网格计算 为市场参与者提供了一种廉价而高效的解决方案来参与竞争与合作，从而为电力企 业提供更加可靠，廉价和持续性更好的电力供应。 将网格计算与电力系统相结合，主要表现在以下两个方面：( 1 ) 分布式计算 是电力系统区别于以往的并行计算和大规模科学计算的显著特点。要求系统计算具 有跨平台，跨算法，跨数据结构的特点，能将现有的电力系统中的计算资源重新组 合，协调为共同的计算任务服务。( 2 ) 目前对电力系统的调度和控制都分级分区 域进行的。电力系统的固有结构，特点和现行管理方式决定了大规模电力系统计算 的复杂性。传统的计算模式及现有的并行计算模式都不能有效地解决电力系统的计 算问题，或不能全面解决计算中出现的数据复杂性，资源分布，分级管理以及安全 性要求等问题。电力网格能满足电力系统计算在大规模分布，异构数据，异构平台， 异构软件，分层计算等方面的要求。 2 1 2 电力网格体系结构 网格的最根本目的就是实现资源共享，利用网格技术把电力资源抽象为网格服 务，为电力应用提供统一的接口，复杂的应用通过电力网格服务调用底层网格服务 实现电力系统的统一操作、协同计算n 6 儿盯3 。基于这样的思想，提出了基于网格的大 规模电力系统体系结构n 0 1 ，如图2 - 1 所示。该体系能够管理各种分布式电力资源， 部署各种基本组件，提供基本网格服务，还能够完成复杂的分析任务和业务管理， 实现高效、动态、在线的辅助决策。 ( 1 ) 电力资源层。电力资源层包括各种电力资源，是电力网格管理决策的基 础，具有异构性、动态性、自治性等特点。电力资源分为硬件资源和软件资源，硬 件资源包括电源、电网、计算机网络、机群、带宽、服务器、工作站、测量仪表、 控制装置等；软件资源包括电力系统软件、应用程序、数据、文件等。 。 ( 2 ) 网格服务层。网格服务层是电力资源的第一次抽象服务，它利用o g s a w s r f 框架，以服务为中心，把一切资源都抽象为服务。利用网格平台把电力资源封装为 o g s w s r f 服务，隐藏电力资源的异构性，提供统一的访问接口，屏蔽电力资源的 动态性，保证上层调用的质量，也充分考虑了电力资源的自治性和二分性，维护电 力资源拥有者的权利。 ( 3 ) 电力服务层。电力服务层是针对电力系统应用特点对各种电力资源管理 的抽象服务，屏蔽电力系统各部门的差异性使得电力系统应用能够专注于本身功能 的实现，至于算法的实现、计算求解问题无需考虑资源如何管理、数据如何传输、 作业如何分配及安全问题。 ( 4 ) 应用层。应用层由电力系统的功能组件组成，包括潮流计算、状态估计、 华北电力大学硕士学位论文 数据服务等。潮流计算是根据电网结构、参数和发电机、负荷等运行条件，计算电 力系统各部门稳定运行的状态参数；状态估计是指对配电网节点状态进行估计；数 据服务为各种计算提供所需要的数据，为了提高效率，可以从网格管理层的数据管 理中复制所需要的数据。由于网格环境下大规模的电力系统是典型的动态大系统， 其问题的求解是更高级别的应用，如动态安全评估、预警、稳态、暂态分析、故障 分析等往往需要多种服务协同计算。 ( 5 ) 客户层。客户层是在电力网格构建标准的门户技术之上，为电力系统管 理决策提供一个统一的、可扩展的、安全的用户接入，能方便用户透明地访问电力 网格应用。电力网格管理决策门户包括访问控制、决策、分析、运营可视化等模块， 其中访问控制是对用户的权限进行检验；决策和分析是电力网格应用结果的展现， 可以采用o l a p 技术，支持在线分析；运营可视化以图形( 如饼图、柱状图等) 方 式表现。功能的汇聚和可视化使得电力调度、分析、挖掘等变得方便、快捷。 网格计算仃户( g p ) 安全评估，稳定分析，放障分析，业务管理。潮流计算， 状态估计，数据服务等 工作漉管瑷。聚合服务，作业管理数据管理，信息服 务，安全监控 o g s a w s r f 服务 g l o l m st o o l k i t 操作系统 i 电力资源( 存储，计算，文件等) l 图2 - 1 电力网格体系结构 2 2 开放网格服务体系结构- 0 6 s a 客户魇 应用层 电力服务层 开放式的网格服务体系结构o g s a n 踟们是一个由结点和连线构成的框架。该框 架的结点是网格服务，而网格服务之间的连线是网格服务相互交流时所用的语言。 网格服务是特殊的网络服务，专门用来维持和管理网格体系。 与五层沙漏模型乜们不同的是，0 g s a 是以服务为中心的“服务结构”。这里的服 务是指具有特定功能的网络化实体，包括各种计算资源、存储资源、网络、程序等。 五层模型中实现的是对资源的共享，而在o g s a 中，实现的是对服务的共享。从资 源到服务将资源、信息、数据统一起来，使分布式系统管理具有标准的接口和行为。 0 g s a 中定义了“网格服务 ，这是一种w e bs e r v i c e ，提供一组接口，定义明确并 9 华北电力大学硕士学位论文 在o g s a 中，网格就是可扩张的网格服务的集合乜门嘞1 。 瓣篓二g 协r i d 绷s c r v i 、c 培，黼o 标粥_ 覃 访问显示撤 、；鬻：淼= 一矸7 哆篡l j 。 销软状态生v ( 必须的) ，1 4 ”7 。里翟 命周期 。厂j r 1f - ，1 7 搬权 jlill 服务创建 一i 圈圈圜嚣 。开发：。 一il 塑墨耋il 塑垂鲞| i 塑垄鲞i 。绑定特性 。要塞穆灞 实现 i ； ? 艰谴t ；! = 二二二型1 + 面向特翳r 2 3w e b 服务资源框架( w e bs e r vic er e s o u r c ef r a m e w o r k w s r f ) 在o g s a 刚提出不久，g g f 及时提出了o g s i ( o p e ng r i ds e r v i c ei n f r a s t r u c t u r e 。 开放网格服务基础架构) 草案，并成立了o g s i 工作组，负责该草案的进一步完善和 规范化。o g s i 是作为o g s a 核心规范提出的，其1 0 版本于2 0 0 3 年7 月正式发布。 l o 华北电力大学硕士学位论文 o g s i 规范通过扩展w e b 服务定义语言w s d l 和x m ls c h e m a 的使用，来解决具有状态 属性的w e b 服务问题。它提出了网格服务的概念，并针对网格服务定义了一套标准 化的接口，主要包括：服务实例的创建、命名和生命周期管理、服务状态数据的声 明和查看、服务数据的异步通知、服务实例集合的表达和管理、以及一般的服务调 用错误的处理等。o g s i 通过封装资源的状态，将具有状态的资源建模为w e b 服务， 这种做法引起了“w e b 服务没有状态和实例 的争议，同时某些w e b 服务的实现不 能满足网格服务的动态创建和销毁的需求。o g s i 单个规范中的内容太多，所有接口 和操作都与服务数据相关，缺乏通用性，而且o g s i 规范没有对资源和服务进行区 分。 o g s i 使用目前的w e b 服务和x m l 工具不能良好工作，因为它过多地采用了x m l 模式，比如x s d ：a n y 基本用法、属性等，这可能带来移植性差的问题。另外，由于 o g s i 过分强调网格服务和w e b 服务的差别，导致了两者之间不能更好地融合在一 起。上述原因促使了w s r f ( w e bs e r v i c er e s o u r c ef r a m e w o r k ，w e b 服务资源框架) 的出现。 w s r f 采用了与网格服务完全不同的定义：资源是有状态的，服务是无状态的。 为了充分兼容现有的w e b 服务，w s r f 使用w s d l i 1 定义o g s i 中的各项能力，避免 对扩展工具的要求，原有的网格服务已经演变成了w e b 服务和资源文档两部分。w s r f 推出的目的在于，定义出一个通用且开放的架构，利用w e b 服务对具有状态属性的 资源进行存取，并包含描述状态属性的机制、如何将机制延伸至w e b 服务中的方式。 w s r f 是一个服务资源的框架，是由以下五个标准化的规范所定义心5 1 ： ( 1 ) w s r e s o