Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию архитектур перспективных вычислительных гридов и интеллектуальных энергосетей. Разработаны и исследованы математические модели сложных сетей. Базовым понятием архитектуры системы является топология объединения ее элементов. В диссертации разработаны критерии оптимизации топологий для вычислительных гридов и энергосетей. Показано, что применение существующих топологий сетей приводит к неравномерной нагрузке на информационные ресурсы в гридах и к усугублению последствий каскадных аварий в энергетических сетях, соответственно. Исследованы оптимальные топологии для соответствующих сетей. Разработаны протоколы поиска ресурсов и алгоритмы управления отказами в вычислительных гридах. Также разработаны алгоритмы маршрутизации сообщений и управления отказами в интеллектуальных энергосетях. Методы и алгоритмы, предложенные в данной работе, были использованы при проектировании системы управления на сетях с трансформаторно-тиристорными регуляторами напряжения и мощности.
Актуальность работы. Одной из важнейших потребностей общества является решение различных прикладных задач в области молекулярной биологии, гидрологии, систем прогнозирования, и др. Для решения сложных вычислительных задач обычно используют одну из парадигм распределенной вычислительной инфраструктуры. Наиболее перспективный способ -использование гридов, которые объединяют гетерогенные ресурсы, одним из типов которых являются специальные ресурсы хранения: информационные ресурсы (каталоги). Каталог осуществляет обнаружение, учет использования, совместное выделение ресурсов, мониторинг состояния грида. Проанализировав различные реализации архитектур гридов, оказалось, что все они имеют ряд существенных недостатков, связанных с централизацией каталога ресурсов: при выходе из строя центрального каталога ресурсов грид неработоспособен; каталог парализуется частыми запросами при большом количестве ресурсов сети; в каталоге хранится неактуальная информация. Распределение нагрузки на узлы сети крайне неравномерное. Для устранения недостатков, указанных выше, требуется разработать оптимальную топологию вычислительных гридов.
Другой важной потребностью является надежное обеспечение электроснабжения. Данная потребность является настолько актуальной, что является одной из основных стратегических целей развития электроэнергетики. В настоящее время в энергетических сетях используются радиальные топологии, которые имеют следующие недостатки: усугубление последствий каскадных аварий, отсутствие достаточной связности между узлами сети, следствием чего является невозможность обеспечить отключенных потребителей электроэнергией, и принципиальная невозможность скомпенсировать дефицит электроэнергии в некоторых районах города. Кроме этого сети 6-10 кВ и ниже практически не имеют управления. Существует концепция Smart grid - интеллектуальных энергосистем следующего
поколения, где параллельно энергосетям построена информационная сеть, с помощью которой происходит передача информации между различными устройствами и между потребителями и поставщиками электроэнергии. Для устранения недостатков, указанных выше, необходимо предложить оптимальную топологию энергосетей. Топология информационной сети, в данном случае, очевидно, будет совпадать с архитектурой энергосетей следующего поколения.
Таким образом, требуется разработать децентрализованные топологии для вычислительных гридов и энергосетей. Для данных перспективных сетей необходимо исследовать распределение нагрузки на узлы сети и разработать алгоритм управления отказами. На сегодняшний день исследование топологий, протоколов и алгоритмов, данных сетей остается открытой задачей. Поиск оптимальных структур сетей, разработка протоколов поиска и алгоритмов управления имеют научный и практический интерес.
Объект исследования. Вычислительные гриды и энергетические сети.
Предмет исследования. Децентрализованные архитектуры вычислительных гридов и энергетических сетей.
Цель работы. Исследование и разработка оптимальных децентрализованных топологий для перспективных вычислительных гридов и энергосетей на основе анализа неравномерности нагрузок на узлы сети, а также разработка архитектур конкретных протоколов и алгоритмов.
Для достижения поставленной цели, в работе решаются следующие научные и практические задачи.
-
Построение математической модели сетей следующего поколения.
-
Разработка оптимальных топологий вычислительного грида и энергосети следующих поколений.
-
Разработка протокола поиска ресурсов в перспективных вычислительных гри дах.
-
Исследование механизма распределения нагрузки на узлы в децентрализованных вычислительных гридах.
-
Разработка алгоритмов управления отказами в сетях следующего поколения.
-
Разработка алгоритма маршрутизации сообщений в распределенных системах управления интеллектуальными энергосетями следующего поколения.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель сетей следующего поколения, позволяющая оптимизировать топологии вычислительных гридов и интеллектуальных энергосетей.
-
Протокол поиска ресурсов в вычислительных децентрализованных гридах следующего поколения, реализующий методику подавления «шторма» в сети.
-
Результаты исследования распределения нагрузки на узлы в децентрализованных вычислительных гридах. Решение задачи достройки
графа и нахождение оптимальной топологии с помощью алгоритмов эвристического поиска.
-
Алгоритмы управления отказами в сетях следующего поколения, которые позволяют сохранять работоспособность сети при авариях на различных сегментах последней.
-
Алгоритм маршрутизации сообщений в распределенных системах управления интеллектуальными энергосетями следующего поколения с поддержкой автономной работы узлов сети.
Методы исследования. Использовался математический аппарат теории графов, проводилось моделирование на ЭВМ с использованием методов эвристического поиска (эволюционных алгоритмов), а также экспериментальные исследования в системе управления интеллектуальными энергосетями.
Научная новизна.
Найдено аналитическое выражение распределения нагрузки относительно количества узлов сети одного уровня для вычислительных гридов с ограниченной степенью вершин и исследована динамика изменения максимальной нагрузки децентрализованного грида в зависимости от параметров грида. Данные результаты позволяют определить нагрузку на каталоги в структуре сети и зависимость ее от параметров данной структуры.
Поставлена и решена задача оптимизации графа для компенсации нагрузки на центральные узлы, позволяющая проектировать и эффективно использовать вычислительные гриды.
Разработаны алгоритмы управления отказами в вычислительных гридах и интеллектуальных энергосетях, позволяющие сохранять работоспособность сети при различных видах неисправностей.
Ключевым отличием полученных результатов от ранее известных, является их область применения: при формировании децентрализованных каталогов вычислительных гридов и равномерно-распределенных интеллектуальных энергосетей.
Практическая ценность.
Результаты исследований, полученные автором в работе (алгоритм маршрутизации в энергосетях следующего поколения), использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО «Теком» при выполнении проекта «Разработка системы неоперативного управления и мониторинга трансформаторно-тиристорными регуляторами напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора с ключами однонаправленного тока (ТТРНМ ОТ)». Получены свидетельства о государственной регистрации исходных кодов для распределенной системы мониторинга и управления (РСМУ) и активно-адаптивной системы управления (ААСУ). Данные системы внедрены в рамках работ по государственному контракту ГК№ 16.526.12.6016 от 11 октября 2011 г. по теме «Разработка и
создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока в части разработки активно-адаптивной системы управления (ААСУ) и распределенной системы мониторинга и управления (РСМУ)» ООО «Теком» при строительстве новой цифровой трансформаторной подстанции по адресу г. Нижний Новгород, ул. Минина 24 к. 5. Данные работы были выполнены в соответствии с договором №11-692-1 от 11 ноября 2011 года между 000 «Теком» и ФГБОУ ВПО НГТУ им. Р.Е. Алексеева, что подтверждается актом внедрения от 02 сентября 2013 г.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
XIV международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ - 2008» (г. Нижний Новгород, 2008);
XIII Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) (г. Нижний Новгород, 2008);
XIV Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) (г. Нижний Новгород, 2009);
XVI международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ - 2010» (г. Нижний Новгород, 2010);
XVII Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки) (г. Нижний Новгород, 2012);
XVIII международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ - 2012» (г. Нижний Новгород, 2012).
Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 15 публикациях, три из которых, опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК. Получены два свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Текст диссертационной работы состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем работы составляет 154 страницы сквозной нумерации, в том числе 142 страницы основного текста (57 рисунков и 11 таблиц), список использованных источников из 60 наименований на 7 страницах, 5 страниц приложений.
Похожие диссертации на Исследование и разработка архитектур перспективных вычислительных гридов и интеллектуальных энергосетей
