一种基于gpu的快速求解配电网潮流的计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，该方法包括：对配电网上的发电站节点以及各个负荷节点进行编号，形成配电网原始接图；根据节点数目和节点间的连接关系构建十字链表；通过电压互感器检测配电网中各个节点间的电压，根据配电网的原始接图以及配电网各个节点之间的电流流向关系，构建关联矩阵；根据十字链表判断配电网中是否含有环网，若是，则破坏该环网处的闭环负荷节点，增加一个虚拟节点；通过十字链表和关联矩阵，构建除了发电站之外的配电网中所有负荷节点的阻抗矩阵，通过GPU迭代求解配电网潮流，并将计算结果在相关仪表中显示。与现有技术相比，本发明具有运算速度高、适用范围广等优点。
【专利说明】—种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电网潮流计算与分析的方法，具体来说涉及一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法。
【背景技术】
[0002]在实际的电力系统维修、检修或运行人员执行调度方案过程中对相关设备进行开关合闸等操作时必然引起联网设备监测仪表读数的变化，相应地在虚拟仿真系统中对此等操作事件的仿真也必须能够给予正确的模拟响应，从而反映出此等联网设备仪表读数值的正确变化，否则仿真意义将大打折扣。
[0003]“潮流计算”是实现此目标的关键核心，它的任务就是根据给定的运行条件和网络结构来确定整个系统各部分的运行状态，如各母线上的电压(幅值和相角)、网络中的功率分布以及功率损耗等。其计算结果是电力网络运行分析的基础，可为电力系统运行人员进行电力系统网络重构、故障处理、无功优化和状态估计提供参考依据，在电网调度、运行分析、操作模拟和设计规划中都发挥着重要的作用，是电力系统中最基本的、应用最为广泛的一种电气计算。
[0004]基于潮流计算的重大应用价值，众多国内外科研人员对其开展了深入研究。早期主要面向环状结构的高压输电网进行潮流计算分析。主要经历了高斯-赛德尔迭代算法、牛顿拉夫逊算法和国内外广泛使用的PQ分解算法三个研究发展阶段。
[0005]90年代开始面向结构更为复杂的配电网进行潮流计算研究。因配电网在结构上具有闭环结构、开环运行的特性，稳态运行时多呈辐射状，在发生故障或倒换负荷时，则呈短时环网运行结构；且在线路参数上R/X比值较大，网络的PQ节点多、PV节点较少等特点，使得传统的牛顿拉夫逊算法、快速解耦法出现病态收敛、不再有效。
[0006]为此，许多学者针对配电网结构特性一方面对牛顿法、快速解耦法进行了改进，但使之求解复杂化，牺牲了原有算法的收敛性和稳定性；另一方面陆续提出了前推回代类算法、回路阻抗法等新配电网潮流的计算方法。
[0007]其中前推回代类算法具有线性收敛、鲁棒性好、求解速度快、内存占用少等优异特性，适用于辐射状配电网的潮流计算。但在应用于环状或含有PV节点的配电网潮流计算分析时，需进行特殊处理从而增加了求解难度，通用性、收敛性不强。
[0008]S.K.Goswani等人提出的回路阻抗法，与上述算法相比，具有网孔处理能力强、收敛性好、稳定性高，适用范围广等优点。但在计算机求解过程中存在下述问题:(I)为利用稀疏矩阵技术简化回路阻抗矩阵的LU分解，王守相等人将配电网树状结构转化成标准二叉树形式进行节点编号优化，加大了算法复杂度，限定了中间节点状态的求解顺序，改变了配电网原有的网络结构不便于网络重构；王丹提出邻接表与二叉树结合的方式进行节点编号优化便于网络重构但也无法进行有环配电网阻抗矩阵的自动化生成。(2)CPU对阻抗矩阵进行LU分解时，刘耀年等人采用一定的技巧对对角线元素和相邻元素进行了优化，但因阻抗矩阵为对称满秩矩阵在计算过程中矩阵元素仍将占用大量内存，计算速度会随着节点数 目的大量增加而大幅下降。
【发明内容】
[0009]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种运算速度高、适用范围广的基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法。
[0010]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0011]一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，该方法包括以下步骤:
[0012]A、对配电网上的发电站节点以及各个负荷节点进行编号，形成配电网原始接图；
[0013]B、根据节点数目和节点间的连接关系构建十字链表；
[0014]C、通过电压互感器检测配电网中各个节点间的电压，电压互感器的二次侧经交流插件和A/D转换器将电压信号输出至GPU计算处理，根据配电网的原始接图以及配电网各个节点之间的电流流向关系，构建关联矩阵；
[0015]D、根据十字链表判断配电网中是否含有环网，若是，则破坏该环网处的闭环负荷节点，增加一个虚拟节点，相应地修改十字链表，并在关联矩阵中增加闭环负荷节点破坏后的虚拟节点编号的行与列，同时调整关联矩阵中的元素值，若否，则直接执行步骤E ；
[0016]E、通过十字链表和关联矩阵，构建除了发电站之外的配电网中所有负荷节点的初始阻抗矩阵Z，通过GPU迭代求解配电网潮流，并将计算结果在相应仪表中显示。
[0017]所述的十字链表中包括顶点结点和边结点。
[0018]所述的顶点结点由verlink指针、info指针、firstin指针和firstout指针四个部分组成，其中，所述的verlink指针指向下一顶点结点；所述的info指针中存储的数据信息包括节点编号Vp负荷节点标识flag、负荷节点阻抗值Zi和闭环负荷节点破环后增加的虚拟节点编号;所述的firstin指针指向第一个以该点为终点的支路；所述的firstout指针指向第一个以该点为出发点的支路；
[0019]所述的边结点由bpoint指针、epoint指针、info指针、elink指针和blink指针五个部分组成，其中，所述的bpoint指示支路的出发点；所述的epoint指示支路的终点；所述的info指针存储支路阻抗；所述的elink指针指向终点相同的下一条支路；所述的blink指针指向出发点相同的下一条支路。
[0020]所述的关联矩阵A为(n-1) X (n_l)阶矩阵，对于关联矩阵中的i行j列元素A(i，j)，当存在流入节点j的电流且流经节点i时A(i, j) = I,否则A(i, j) = Oo
[0021]所述的步骤D中根据十字链表判断配电网中是否含有环网具体为:依次遍历十字链表中顶点结点，根据负荷节点标识flag Φ O访问其中的负荷节点,若每一负荷节点的firstin指针所指支路的elink指针均为null,则可判定该配电网无环网构成；若某一负荷节点vi的firstin指针所指支路的elink指针不为空,则可判定在该负荷节点处形成环网。
[0022]若配电网无环网构成，则根据下式求解关于每个负荷节点的回路方程系数，最终生成初始阻抗矩阵Z:
[0023]以每条回路电流为求解变量，根据基尔霍夫电压定律，可得下述回路阻抗方程组:
【权利要求】
1.一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: A、对配电网上的发电站节点以及各个负荷节点进行编号，形成配电网原始接图； B、根据节点数目和节点间的连接关系构建十字链表； C、通过电压互感器检测配电网中各个节点间的电压，电压互感器的二次侧经交流插件和A/D转换器将电压信号输出至GPU计算处理，根据配电网的原始接图以及配电网各个节点之间的电流流向关系，构建关联矩阵； D、根据十字链表判断配电网中是否含有环网，若是，则破坏该环网处的闭环负荷节点，增加一个虚拟节点，相应地修改十字链表，并在关联矩阵中增加闭环负荷节点破坏后的虚拟节点编号的行与列，同时调整关联矩阵中的元素值，若否，则直接执行步骤E ； E、通过十字链表和关联矩阵，构建除了发电站之外的配电网中所有负荷节点的初始阻抗矩阵Z，通过GPU迭代求解配电网潮流，并将计算结果在相应仪表中显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，所述的十字链表中包括顶点结点和边结点。
3.根据权利要求2所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，所述的顶点结点由verlink指针、info指针、firstin指针和firstout指针四个部分组成，其中，所述的verlink指针指向下一顶点结点；所述的info指针中存储的数据信息包括节点编号V1、负荷节点标识flag、负荷节点阻抗值Zi和闭环负荷节点破环后增加的虚拟节点编号;所述的firstin指针指向第一个以该点为终点的支路；所述的firstout指针指向第一个以该点为出发点的支路； 所述的边结点由bpoint指针`、epoint指针、info指针、elink指针和blink指针五个部分组成，其中，所述的bpoint指示支路的出发点；所述的epoint指示支路的终点；所述的info指针存储支路阻抗；所述的elink指针指向终点相同的下一条支路；所述的blink指针指向出发点相同的下一条支路。
4.根据权利要求1所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，所述的关联矩阵A为(n-l)X(n-l)阶矩阵，对于关联矩阵中的i行j列元素A(i，j)，当存在流入节点j的电流且流经节点i时A(i, j) = I,否则A(i, j) = Oo
5.根据权利要求3所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，所述的步骤D中根据十字链表判断配电网中是否含有环网具体为:依次遍历十字链表中顶点结点，根据负荷节点标识flag古O访问其中的负荷节点,若每一负荷节点的firstin指针所指支路的elink指针均为null，则可判定该配电网无环网构成；若某一负荷节点Vi的firstin指针所指支路的elink指针不为空,则可判定在该负荷节点处形成环网。
6.根据权利要求1所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，若配电网无环网构成，则根据下式求解关于每个负荷节点的回路方程系数，最终生成初始阻抗矩阵Z: 以每条回路电流为求解变量，根据基尔霍夫电压定律，可得下述回路阻抗方程组:
7.根据权利要求6所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，若在负荷节点\处有环网生成，则初始阻抗矩阵Z的对角线元素Zi, i和非对角线元素Zi, j的计算公式为:
8.根据权利要求7所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，所述的通过GPU迭代求解配电网潮流具体为: 1)采用基于right-lookingLU分解法的并行Gauss消去算法对回路阻抗方程组进行求解，获得配电网中各负荷节点电流和各负荷节点功率； 2)判断求得的负荷节点功率是否满足迭代终止条件，若是，则执行步骤3)，若否，则对Zi, i中的Zi进行调整，并对Zi, i重新赋值，然后进行下一次的GPU迭代求解，返回步骤I)； 3)利用所得负荷节点电流先后计算配电网各支路电流ii和节点电压Uj，其中1、j为节点编号:
9.根据权利要求8所述的一种基于GPU的快速求解配电网潮流的计算方法，其特征在于，所述的迭代终止条件为 求得的负荷节点功率与给定负荷功率的差值小于设定的精度。
【文档编号】G06F19/00GK103793590SQ201210431858
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年11月1日 优先权日:2012年11月1日
【发明者】李光耀, 王文举, 王力生 申请人:同济大学