一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法

一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法
【专利摘要】本发明提供一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，包括以下步骤：建立交直流系统模型；对交直流系统进行空间解耦，并对直流系统进行时间解耦；交直流系统并行仿真计算。本发明采用CPU/GPU异构平台实现了大规模交直流互联电力系统的暂态仿真，按照交流系统和直流系统空间上的独立性以及其在电气方面容易解耦的特点，将交流系统对应的计算任务分配到CPU上，将直流系统对应的计算任务分配到GPU上，实现空间上的并行；采用移动时间窗的技术，避免GPU计算资源的浪费，提高了GPU的利用效率。
【专利说明】一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种仿真方法，具体涉及一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行 仿真方法。

【背景技术】
[0002] 暂态稳定计算的任务是通过数值计算方法判断电力系统遭受较大扰动之后，各个 发电机是否能继续保持同步运行。通常需要考虑的电力系统大扰动包括：
[0003] 1、负荷的突然变化，比如大容量用户的投入和切出；
[0004] 2、切出或者投入系统的主要元件，如发电机、变压器或者线路；
[0005] 3、发生短路故障。
[0006] 随着电力工业的发展，电网之间的互联更加紧密，我国电网正在形成大规模交直 流互联电力网络。互联电网的规模扩大之后，对交直流系统的暂态稳定仿真速度也提出了 更高的要求。因此暂态稳定计算的并行算法研究具有实际意义。目前在并行计算框架下， 仿真研究主要关注三个方面 ：
[0007] 1、直流系统建模计算方法；
[0008] 2、直流系统和交流系统之间的接口；
[0009] 3、并行计算软硬件平台。
[0010] 按照对直流线路和直流控制模拟的详细程度，建模方法可分为响应模型、详细模 型和电磁暂态模型。
[0011] 暂态稳定的计算平台有CPU、GPU、FPGA等等。其中，CPU作为传统的通用计算处 理器，单核能力强，适合各种类型的计算任务，但是包含的核心数量通常不多；GPU(Graphic ProcessingUnit)为一类专门用于处理图形数据，作为一种较晚进入通用计算领域的器 件，较CPU具有处理器核数众多，线程分配与销毁迅速的特点。但是其逻辑处理能力相对较 弱，更加适合数据密集型计算。近些年，将GPU作为一种面向通用计算的流处理器的做法也 越来越普遍。GPU可以用于多种并行计算任务，比如分子动力学计算。他们非常适合数据输 入输出量非常大的计算。大量的数据使得GPU可以充分地利用GPU的向量计算单元或者单 指令多数据的结构。基于GPU的计算在大规模的计算中发挥了越来越大的作用，世界上最 强的十台超级计算机中，有三台都利用了GPU的优势。由CPU和GPU组成的异构平台，能够 融合两种处理器的优势，具有更高的计算能力，但是也要求开发人员提出适合这种新平台 的并行算法。
[0012] 在大规模的交直流电网系统中，直流系统本身的独立性较强，容易从整个系统中 单独划分出来。因此可以结合交直流系统仿真特性，将电网系统中的交流部分和直流部分 划分开来，将其计算任务分配到异构平台的CPU和GPU上。使用CPU计算交流系统部分，使 用GPU计算直流系统部分。同时，多个直流系统之间的互相影响也相对较小，具有较高的天 然并行性。考虑直流详细模型的特点之后，将直流系统的时域仿真任务按照时步进行划分， 构成流水线的形式，可以充分利用GPU的强大计算能力，有效提高直流系统的仿真计算速 度。
[0013] 流水线指的是按照以下规律形成的一种数据处理方法，一个元素的输出等于另外 一个的输入。一条流水线上的元素经常是并行执行的，按照时间划分出区域分块放置的。多 条流水线可以充分暴露任务执行的并行性，提高处理器计算资源的利用效率。
[0014] 暂态稳定问题指的是电力系统遭受较大扰动后，各个发电机是否能继续保持同步 运行的问题。暂态稳定计算即为利用数值计算方法研究遭受扰动后，系统各项指标的变化。
[0015] 并行计算是一种可以同时进行多项任务的计算。其基本理念在于大的问题常常可 以划分为小的问题，而这些小的问题通常可以同时解决。并行计算有多种形式：位级并行， 指令级并行，数据和任务并行。并行计算在高性能计算领域已经有多年的应用历史。在民 用领域，由于单核处理器性能的限制，并行计算的重要性也越来越得到重视。


【发明内容】

[0016] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种大规模电力系统暂态稳定时间空 间并行仿真方法，基于大规模电力系统交直流系统空间分布独立，电气关系易于解耦的特 点，将交流系统部分仿真计算任务在CPU上进行，直流系统部分仿真计算任务在GPU上使用 流模式实现并行；利用异构平台CPU和GPU之间的数据传递可以异步执行的特点，开启多个 流控制直流交流系统间的计算数据传递。
[0017] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0018] 本发明提供一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，所述方法包括 以下步骤：
[0019] 步骤1 :建立交直流系统模型；
[0020] 步骤2 :对交直流系统进行空间解耦，并对直流系统进行时间解耦；
[0021] 步骤3 :交直流系统并行仿真计算。
[0022] 所述步骤1中，交直流系统模型包括交流系统动态模型、直流系统模型和交直流 电网模型；
[0023] 所述交流系统动态模型包括发电机模型、励磁系统模型和原动机系统模型；所述 直流系统模型包括直流电缆模型、直流控制系统模型和换流器模型。
[0024] 所述直流电缆模型采用T型模型，直流电缆模型对应的动态方程如下：

【权利要求】
1. 一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在于：所述方法包括 以下步骤： 步骤1:建立交直流系统模型； 步骤2 :对交直流系统进行空间解耦，并对直流系统进行时间解耦； 步骤3 :交直流系统并行仿真计算。
2. 根据权利要求1所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述步骤1中，交直流系统模型包括交流系统动态模型、直流系统模型和交直流电网模 型； 所述交流系统动态模型包括发电机模型、励磁系统模型和原动机系统模型；所述直流 系统模型包括直流电缆模型、直流控制系统模型和换流器模型。
3. 根据权利要求2所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述直流电缆模型采用T型模型，直流电缆模型对应的动态方程如下：
其中，Vtto为整流侧的直流电压，Vtki为逆变侧的直流电压；Itto为整流侧得直流电流， Itki为逆变侧的直流电流；V。和I。为电容电压与电流；Rdc;、LliM和(：_分别为直流电缆电阻、 电感和电容；Lsr为整流侧平滑电抗器电感，Lsi为逆变侧平滑电抗器电感。
4. 根据权利要求2所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述直流控制系统模型从顶层到底层分为主控制级和极控制级； 所述主控制级包含紧急功率控制器，当直流系统所连的交流系统电压或频率发生较大 波动时改变直流电流或功率参考值； 所述极控制级分为以下三个环节： 1) 低压限流控制器：其输入为主控制级设定的电流参考值，在直流电压过低时，限制 该设定的电流参考值，并将电流参考值输入给电流增益控制器； 2) 电流增益控制器：其将低压限流控制器输入的电流参考值转换为触发角参考值，输 出给熄弧角控制器； 3) 熄弧角控制器：将触发角参考值转换为实际触发脉冲。
5. 根据权利要求2所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述换流器模型为换流器准稳态模型，表示为：

其中，Vtto和Idra分别为整流侧的直流电压和直流电流，N为串联整流桥个数，Ttap为整 流侧变压器分接头位置，Iatto为整流侧注入交流系统电流，Vatto为整流侧变压器交流侧电 压，Vadm和Vattoy分别为整流侧变压器交流侧电压实部和虚部，X。和R。分别为整流侧变压 器电抗和电阻，a为整流侧触发角，S为换相重叠角，I；为整流侧变压器基本变比，Para和 Qatt分别为整流侧吸收的有功功率和无功功率，化为功率因数角。
6. 根据权利要求1所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述步骤2中，对建立的交直流系统进行空间解耦具体过程如下： 交流系统动态模型表示为： 其中，xa。和Va。分别为交流系统状态变量和纯交流节点电压向量； 直流系统模型表示为： 女dc = H (xdc,Vadc) 其中，xd。和Vad。分别为直流系统状态变量及直流系统接A交流系统处的节点电压向 量； 交直流电网模型表示为： O = I-YnV 其中，I为交直流系统节点注入电流，其包括V为交直流系统节点电压，Yn为网络导纳 矩阵； 由于交流系统状态变量和直流系统状态变量相互独立，且通过网络方程相关联，按照 交流系统和直流系统空间上的位置关系进行解耦，直流系统采用诺顿等效接入交直流系统 电网网络，在CPU部署交流系统部分计算数据，即交流系统动态方程和网络方程中变量初 始值及参数值，GPU部署直流系统部分计算数据，即直流系统动态方程中变量初始值及参数 值。
7. 根据权利要求1所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述步骤2中，对直流系统进行时间解耦，具体过程如下： 对直流系统动态方程略去下标，可得直流微分方程，有： X = H(XiV) 在交流积分步长ha。中，直流微分方程采用单时步顺序求解的方法，计算hac;/hd。步，其 中hd。为直流积分步长；使用隐式梯形积分法，设下标n表示t时刻，n+1表示t+ha。时刻，直 流微分方程的差分化方程为：
其中，xn为直流系统t时刻的状态变量，Xlri为直流系统t-ha。时刻的状态变量，V n为直 流系统t接入交流系统处的节点电压向量，Vlri为直流系统t-ha。接入交流系统处的节点电 压向量； 定义中间向量Rn，其表示为：
对上式采用牛顿-拉夫逊法，第k次迭代公式为： Rkn-1 ^-JAxkn 其中，k为迭代次数，为两次迭代中直流系统状态变量差值,J为牛顿-拉夫逊法中 第k次迭代的雅克比矩阵，和J分别表示为：
其中，4为第k次迭代中直流系统t时刻的状态变量，为第k-1次迭代中直流系统 t时刻的状态变量； 于是得到。，其中Vtl为上一交流时步所得电压值。
8. 根据权利要求1所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述步骤3具体包括以下步骤： 步骤3-1 :交直流系统进行初始化，采用OpenMP多线程在CPU上开启两个线程，分别为 线程A和线程B，线程A在CPU上完成交流系统相关的计算，线程B用于控制GPU，向GPU分 配任务、发送控制指令；然后交直流系统进入时域仿真过程，按照时间的推进，计算每个时 刻对应的交直流系统状态变量，设置仿真时刻t = 0,设推进步长为一个交流时步ha。； 步骤3-2 :交流系统和直流系统间交换边界点电压和电流值； 步骤3-3 :采用交替迭代的隐式梯形积分方法，在异构平台中的CPU上计算交流系统状 态变量； 步骤3-4 :在异构平台的GPU上完成多个直流系统状态变量的计算，具体包括以下步 骤： 步骤3-4-1 :判断是否有多条直流线路，若是，则开启多个GPU流，每个流计算一条直流 线路；若否，则只使用一个GPU流； 步骤3-4-2 :每个直流线路使用结合移动窗的时间流水线并行方法计算，并结合电压 值，判断流水线的条数； 步骤3-4-3 :计算收敛后，计算直流系统注入交流系统的电流； 步骤3-5 :当获得全部直流线路注入电流之后，设置仿真时刻t = t+ha。，进入下一时 刻； 步骤3-6 :重复步骤3-1至步骤3-4,直到仿真结束。
9. 根据权利要求8所述的大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法，其特征在 于：所述步骤3-4-2中，将本仿真时段划分为多个时间窗口，而每个时间窗口包含^个时 步，多个时间窗口按顺序计算，但是在每个时间窗口内，将多个时步的计算任务装配为流水 线的形式，实现并行计算； 对于时间窗口 l，nw个时步对应的差分方程为：
对于时间窗口中的nw个时步，在第一次迭代中，流水线Pl进行时步1的第一次迭代求 解，获得时步1的状态变量^ ;在第二次迭代中，流水线P2进行时步2的第一次迭代求解以 及时步1的第二次迭代求解；依次类推，实现对当前时间窗口中全部时步的并行求解；求解 公式为：
【文档编号】G06F17/50GK104361159SQ201410601827
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】江涵, 张爽, 陈德扬, 张星, 徐得超, 李亚楼, 高峰, 张军 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网宁夏电力公司电力科学研究院