一種大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，包括以下步驟：建立交直流系統(tǒng)模型；對(duì)交直流系統(tǒng)進(jìn)行空間解耦，并對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間解耦；交直流系統(tǒng)并行仿真計(jì)算。本發(fā)明采用CPU/GPU異構(gòu)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模交直流互聯(lián)電力系統(tǒng)的暫態(tài)仿真，按照交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)空間上的獨(dú)立性以及其在電氣方面容易解耦的特點(diǎn)，將交流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的計(jì)算任務(wù)分配到CPU上，將直流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的計(jì)算任務(wù)分配到GPU上，實(shí)現(xiàn)空間上的并行；采用移動(dòng)時(shí)間窗的技術(shù)，避免GPU計(jì)算資源的浪費(fèi)，提高了GPU的利用效率。
【專利說明】一種大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種仿真方法，具體涉及一種大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行 仿真方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算的任務(wù)是通過數(shù)值計(jì)算方法判斷電力系統(tǒng)遭受較大擾動(dòng)之后，各個(gè) 發(fā)電機(jī)是否能繼續(xù)保持同步運(yùn)行。通常需要考慮的電力系統(tǒng)大擾動(dòng)包括：
[0003] 1、負(fù)荷的突然變化，比如大容量用戶的投入和切出；
[0004] 2、切出或者投入系統(tǒng)的主要元件，如發(fā)電機(jī)、變壓器或者線路；
[0005] 3、發(fā)生短路故障。
[0006] 隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)之間的互聯(lián)更加緊密，我國(guó)電網(wǎng)正在形成大規(guī)模交直 流互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)。互聯(lián)電網(wǎng)的規(guī)模擴(kuò)大之后，對(duì)交直流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定仿真速度也提出了 更高的要求。因此暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算的并行算法研究具有實(shí)際意義。目前在并行計(jì)算框架下， 仿真研究主要關(guān)注三個(gè)方面 ：
[0007] 1、直流系統(tǒng)建模計(jì)算方法；
[0008] 2、直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)之間的接口；
[0009] 3、并行計(jì)算軟硬件平臺(tái)。
[0010] 按照對(duì)直流線路和直流控制模擬的詳細(xì)程度，建模方法可分為響應(yīng)模型、詳細(xì)模 型和電磁暫態(tài)模型。
[0011] 暫態(tài)穩(wěn)定的計(jì)算平臺(tái)有CPU、GPU、FPGA等等。其中，CPU作為傳統(tǒng)的通用計(jì)算處 理器，單核能力強(qiáng)，適合各種類型的計(jì)算任務(wù)，但是包含的核心數(shù)量通常不多；GPU(Graphic ProcessingUnit)為一類專門用于處理圖形數(shù)據(jù)，作為一種較晚進(jìn)入通用計(jì)算領(lǐng)域的器 件，較CPU具有處理器核數(shù)眾多，線程分配與銷毀迅速的特點(diǎn)。但是其邏輯處理能力相對(duì)較 弱，更加適合數(shù)據(jù)密集型計(jì)算。近些年，將GPU作為一種面向通用計(jì)算的流處理器的做法也 越來越普遍。GPU可以用于多種并行計(jì)算任務(wù)，比如分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算。他們非常適合數(shù)據(jù)輸 入輸出量非常大的計(jì)算。大量的數(shù)據(jù)使得GPU可以充分地利用GPU的向量計(jì)算單元或者單 指令多數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)?；贕PU的計(jì)算在大規(guī)模的計(jì)算中發(fā)揮了越來越大的作用，世界上最 強(qiáng)的十臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)中，有三臺(tái)都利用了GPU的優(yōu)勢(shì)。由CPU和GPU組成的異構(gòu)平臺(tái)，能夠 融合兩種處理器的優(yōu)勢(shì)，具有更高的計(jì)算能力，但是也要求開發(fā)人員提出適合這種新平臺(tái) 的并行算法。
[0012] 在大規(guī)模的交直流電網(wǎng)系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)本身的獨(dú)立性較強(qiáng)，容易從整個(gè)系統(tǒng)中 單獨(dú)劃分出來。因此可以結(jié)合交直流系統(tǒng)仿真特性，將電網(wǎng)系統(tǒng)中的交流部分和直流部分 劃分開來，將其計(jì)算任務(wù)分配到異構(gòu)平臺(tái)的CPU和GPU上。使用CPU計(jì)算交流系統(tǒng)部分，使 用GPU計(jì)算直流系統(tǒng)部分。同時(shí)，多個(gè)直流系統(tǒng)之間的互相影響也相對(duì)較小，具有較高的天 然并行性?？紤]直流詳細(xì)模型的特點(diǎn)之后，將直流系統(tǒng)的時(shí)域仿真任務(wù)按照時(shí)步進(jìn)行劃分， 構(gòu)成流水線的形式，可以充分利用GPU的強(qiáng)大計(jì)算能力，有效提高直流系統(tǒng)的仿真計(jì)算速 度。
[0013] 流水線指的是按照以下規(guī)律形成的一種數(shù)據(jù)處理方法，一個(gè)元素的輸出等于另外 一個(gè)的輸入。一條流水線上的元素經(jīng)常是并行執(zhí)行的，按照時(shí)間劃分出區(qū)域分塊放置的。多 條流水線可以充分暴露任務(wù)執(zhí)行的并行性，提高處理器計(jì)算資源的利用效率。
[0014] 暫態(tài)穩(wěn)定問題指的是電力系統(tǒng)遭受較大擾動(dòng)后，各個(gè)發(fā)電機(jī)是否能繼續(xù)保持同步 運(yùn)行的問題。暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算即為利用數(shù)值計(jì)算方法研究遭受擾動(dòng)后，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的變化。
[0015] 并行計(jì)算是一種可以同時(shí)進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)的計(jì)算。其基本理念在于大的問題常常可 以劃分為小的問題，而這些小的問題通常可以同時(shí)解決。并行計(jì)算有多種形式：位級(jí)并行， 指令級(jí)并行，數(shù)據(jù)和任務(wù)并行。并行計(jì)算在高性能計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)有多年的應(yīng)用歷史。在民 用領(lǐng)域，由于單核處理器性能的限制，并行計(jì)算的重要性也越來越得到重視。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空 間并行仿真方法，基于大規(guī)模電力系統(tǒng)交直流系統(tǒng)空間分布獨(dú)立，電氣關(guān)系易于解耦的特 點(diǎn)，將交流系統(tǒng)部分仿真計(jì)算任務(wù)在CPU上進(jìn)行，直流系統(tǒng)部分仿真計(jì)算任務(wù)在GPU上使用 流模式實(shí)現(xiàn)并行；利用異構(gòu)平臺(tái)CPU和GPU之間的數(shù)據(jù)傳遞可以異步執(zhí)行的特點(diǎn)，開啟多個(gè) 流控制直流交流系統(tǒng)間的計(jì)算數(shù)據(jù)傳遞。
[0017] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[0018] 本發(fā)明提供一種大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，所述方法包括 以下步驟：
[0019] 步驟1 :建立交直流系統(tǒng)模型；
[0020] 步驟2 :對(duì)交直流系統(tǒng)進(jìn)行空間解耦，并對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間解耦；
[0021] 步驟3 :交直流系統(tǒng)并行仿真計(jì)算。
[0022] 所述步驟1中，交直流系統(tǒng)模型包括交流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、直流系統(tǒng)模型和交直流 電網(wǎng)模型；
[0023] 所述交流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型包括發(fā)電機(jī)模型、勵(lì)磁系統(tǒng)模型和原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型；所述 直流系統(tǒng)模型包括直流電纜模型、直流控制系統(tǒng)模型和換流器模型。
[0024] 所述直流電纜模型采用T型模型，直流電纜模型對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)方程如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在于：所述方法包括 以下步驟： 步驟1:建立交直流系統(tǒng)模型； 步驟2 :對(duì)交直流系統(tǒng)進(jìn)行空間解耦，并對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間解耦； 步驟3 :交直流系統(tǒng)并行仿真計(jì)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述步驟1中，交直流系統(tǒng)模型包括交流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型、直流系統(tǒng)模型和交直流電網(wǎng)模 型； 所述交流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型包括發(fā)電機(jī)模型、勵(lì)磁系統(tǒng)模型和原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模型；所述直流 系統(tǒng)模型包括直流電纜模型、直流控制系統(tǒng)模型和換流器模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述直流電纜模型采用T型模型，直流電纜模型對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)方程如下：
其中，Vtto為整流側(cè)的直流電壓，Vtki為逆變側(cè)的直流電壓；Itto為整流側(cè)得直流電流， Itki為逆變側(cè)的直流電流；V。和I。為電容電壓與電流；Rdc;、LliM和(：_分別為直流電纜電阻、 電感和電容；Lsr為整流側(cè)平滑電抗器電感，Lsi為逆變側(cè)平滑電抗器電感。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述直流控制系統(tǒng)模型從頂層到底層分為主控制級(jí)和極控制級(jí)； 所述主控制級(jí)包含緊急功率控制器，當(dāng)直流系統(tǒng)所連的交流系統(tǒng)電壓或頻率發(fā)生較大 波動(dòng)時(shí)改變直流電流或功率參考值； 所述極控制級(jí)分為以下三個(gè)環(huán)節(jié)： 1) 低壓限流控制器：其輸入為主控制級(jí)設(shè)定的電流參考值，在直流電壓過低時(shí)，限制 該設(shè)定的電流參考值，并將電流參考值輸入給電流增益控制器； 2) 電流增益控制器：其將低壓限流控制器輸入的電流參考值轉(zhuǎn)換為觸發(fā)角參考值，輸 出給熄弧角控制器； 3) 熄弧角控制器：將觸發(fā)角參考值轉(zhuǎn)換為實(shí)際觸發(fā)脈沖。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述換流器模型為換流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，表示為：

其中，Vtto和Idra分別為整流側(cè)的直流電壓和直流電流，N為串聯(lián)整流橋個(gè)數(shù)，Ttap為整 流側(cè)變壓器分接頭位置，Iatto為整流側(cè)注入交流系統(tǒng)電流，Vatto為整流側(cè)變壓器交流側(cè)電 壓，Vadm和Vattoy分別為整流側(cè)變壓器交流側(cè)電壓實(shí)部和虛部，X。和R。分別為整流側(cè)變壓 器電抗和電阻，a為整流側(cè)觸發(fā)角，S為換相重疊角，I；為整流側(cè)變壓器基本變比，Para和 Qatt分別為整流側(cè)吸收的有功功率和無功功率，化為功率因數(shù)角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述步驟2中，對(duì)建立的交直流系統(tǒng)進(jìn)行空間解耦具體過程如下： 交流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型表示為： 其中，xa。和Va。分別為交流系統(tǒng)狀態(tài)變量和純交流節(jié)點(diǎn)電壓向量； 直流系統(tǒng)模型表示為： 女dc = H (xdc,Vadc) 其中，xd。和Vad。分別為直流系統(tǒng)狀態(tài)變量及直流系統(tǒng)接A交流系統(tǒng)處的節(jié)點(diǎn)電壓向 量； 交直流電網(wǎng)模型表示為： O = I-YnV 其中，I為交直流系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)注入電流，其包括V為交直流系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓，Yn為網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納 矩陣； 由于交流系統(tǒng)狀態(tài)變量和直流系統(tǒng)狀態(tài)變量相互獨(dú)立，且通過網(wǎng)絡(luò)方程相關(guān)聯(lián)，按照 交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)空間上的位置關(guān)系進(jìn)行解耦，直流系統(tǒng)采用諾頓等效接入交直流系統(tǒng) 電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，在CPU部署交流系統(tǒng)部分計(jì)算數(shù)據(jù)，即交流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程和網(wǎng)絡(luò)方程中變量初 始值及參數(shù)值，GPU部署直流系統(tǒng)部分計(jì)算數(shù)據(jù)，即直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程中變量初始值及參數(shù) 值。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述步驟2中，對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間解耦，具體過程如下： 對(duì)直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程略去下標(biāo)，可得直流微分方程，有： X = H(XiV) 在交流積分步長(zhǎng)ha。中，直流微分方程采用單時(shí)步順序求解的方法，計(jì)算hac;/hd。步，其 中hd。為直流積分步長(zhǎng)；使用隱式梯形積分法，設(shè)下標(biāo)n表示t時(shí)刻，n+1表示t+ha。時(shí)刻，直 流微分方程的差分化方程為：
其中，xn為直流系統(tǒng)t時(shí)刻的狀態(tài)變量，Xlri為直流系統(tǒng)t-ha。時(shí)刻的狀態(tài)變量，V n為直 流系統(tǒng)t接入交流系統(tǒng)處的節(jié)點(diǎn)電壓向量，Vlri為直流系統(tǒng)t-ha。接入交流系統(tǒng)處的節(jié)點(diǎn)電 壓向量； 定義中間向量Rn，其表示為：
對(duì)上式采用牛頓-拉夫遜法，第k次迭代公式為： Rkn-1 ^-JAxkn 其中，k為迭代次數(shù)，為兩次迭代中直流系統(tǒng)狀態(tài)變量差值,J為牛頓-拉夫遜法中 第k次迭代的雅克比矩陣，和J分別表示為：
其中，4為第k次迭代中直流系統(tǒng)t時(shí)刻的狀態(tài)變量，為第k-1次迭代中直流系統(tǒng) t時(shí)刻的狀態(tài)變量； 于是得到。，其中Vtl為上一交流時(shí)步所得電壓值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述步驟3具體包括以下步驟： 步驟3-1 :交直流系統(tǒng)進(jìn)行初始化，采用OpenMP多線程在CPU上開啟兩個(gè)線程，分別為 線程A和線程B，線程A在CPU上完成交流系統(tǒng)相關(guān)的計(jì)算，線程B用于控制GPU，向GPU分 配任務(wù)、發(fā)送控制指令；然后交直流系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)域仿真過程，按照時(shí)間的推進(jìn)，計(jì)算每個(gè)時(shí) 刻對(duì)應(yīng)的交直流系統(tǒng)狀態(tài)變量，設(shè)置仿真時(shí)刻t = 0,設(shè)推進(jìn)步長(zhǎng)為一個(gè)交流時(shí)步ha。； 步驟3-2 :交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)間交換邊界點(diǎn)電壓和電流值； 步驟3-3 :采用交替迭代的隱式梯形積分方法，在異構(gòu)平臺(tái)中的CPU上計(jì)算交流系統(tǒng)狀 態(tài)變量； 步驟3-4 :在異構(gòu)平臺(tái)的GPU上完成多個(gè)直流系統(tǒng)狀態(tài)變量的計(jì)算，具體包括以下步 驟： 步驟3-4-1 :判斷是否有多條直流線路，若是，則開啟多個(gè)GPU流，每個(gè)流計(jì)算一條直流 線路；若否，則只使用一個(gè)GPU流； 步驟3-4-2 :每個(gè)直流線路使用結(jié)合移動(dòng)窗的時(shí)間流水線并行方法計(jì)算，并結(jié)合電壓 值，判斷流水線的條數(shù)； 步驟3-4-3 :計(jì)算收斂后，計(jì)算直流系統(tǒng)注入交流系統(tǒng)的電流； 步驟3-5 :當(dāng)獲得全部直流線路注入電流之后，設(shè)置仿真時(shí)刻t = t+ha。，進(jìn)入下一時(shí) 刻； 步驟3-6 :重復(fù)步驟3-1至步驟3-4,直到仿真結(jié)束。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定時(shí)間空間并行仿真方法，其特征在 于：所述步驟3-4-2中，將本仿真時(shí)段劃分為多個(gè)時(shí)間窗口，而每個(gè)時(shí)間窗口包含^個(gè)時(shí) 步，多個(gè)時(shí)間窗口按順序計(jì)算，但是在每個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)，將多個(gè)時(shí)步的計(jì)算任務(wù)裝配為流水 線的形式，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算； 對(duì)于時(shí)間窗口 l，nw個(gè)時(shí)步對(duì)應(yīng)的差分方程為：
對(duì)于時(shí)間窗口中的nw個(gè)時(shí)步，在第一次迭代中，流水線Pl進(jìn)行時(shí)步1的第一次迭代求 解，獲得時(shí)步1的狀態(tài)變量^ ;在第二次迭代中，流水線P2進(jìn)行時(shí)步2的第一次迭代求解以 及時(shí)步1的第二次迭代求解；依次類推，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前時(shí)間窗口中全部時(shí)步的并行求解；求解 公式為：
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104361159SQ201410601827
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】江涵, 張爽, 陳德?lián)P, 張星, 徐得超, 李亞樓, 高峰, 張軍 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院