交流牵引供电系统并行潮流计算方法、介质及设备与流程

1.本发明属于铁路牵引供电系统技术领域，具体涉及一种交流牵引供电系统并行潮流计算方法、介质及设备。


背景技术：

2.计算机技术对交流牵引供电系统仿真发挥着重要作用。潮流计算是电气化铁路牵引供电仿真中的一个重要组成部分，是所有电气参数计算和系统设计的基础，其结果为工程设计的系统方案研究提供可行参考，重现运行中的非正常状况可避免工程上的浪费或措施的不足。
3.连续线性潮流算法虽然收敛性好、易于编程，被绝大部分牵引供电系统仿真软件开发所青睐，但它的求解速度很慢，急需一种方法提升该算法的计算速度。具体地，矩阵求逆的处理速度直接影响了上述算法的执行速度，而矩阵求逆往往是非常费时的。现有的矩阵求逆大多是在cpu上通过库函数实现的，能够满足较低数据传输速率的要求，但仍没有办法高数据传输速度。


技术实现要素：

4.为了克服上述技术缺陷，本发明第一个方面提供了一种交流牵引供电系统并行潮流计算方法，包括步骤：
5.s1、以牵引变电所为单位采用多导体传输线理论对线路进行建模，形成全部采样仿真时刻的节点导纳矩阵；
6.s2、采用gpu批量求逆技术，计算所形成节点导纳矩阵的逆矩阵；
7.s3、在cpu端开启多个线程，每一个线程计算一个运行图采样仿真时刻的迭代计算；
8.s4、对并行计算结果整理并保存。
9.作为本发明的进一步改进，所述步骤s1具体为：
10.将包含分区所、横连线、牵引变电所、电力牵引自耦变压器所的供电设施布置参数作为第一已知条件，将包含时间、列车位置、取流和功率信息的行车运行图作为第二已知条件，第一已知条件形成的固定切面和第二已知条件形成的动态切面将全线牵引网切割为多个小分段，以牵引变电所为单位采用多导体传输线理论对线路进行建模，形成全部采样仿真时刻的节点导纳矩阵。
11.作为本发明的进一步改进，所述步骤s2，包括如下步骤：
12.s21、为形成的节点导纳矩阵y
1，1
,
…
,y
t,s
,
…
,y
t,s
分配显存，其中t表示采样仿真时刻，t表示仿真时长，s表示牵引变电所序号，s表示牵引变电所总数量；
13.s22、将数据从cpu传入gpu；
14.s23、调用gpu批量处理函数，在gpu中进行批量求逆矩阵；
15.s24、将数据从gpu传入cpu。
16.作为本发明的进一步改进，所述步骤s3，包括如下步骤：
17.s31、给cpu分配多个线程，每一个线程分别对应一个仿真时刻的迭代计算，cpu多核依次处理这些线程任务；
18.s32、在每一个线程对应的迭代计算中，都包含相同的计算步骤，形成初始电流矩阵计算初始电压矩阵
19.s33、采用公式对列车节点处的电流矩阵元素进行更新，形成新的电流矩阵，k表示迭代次数，p表示有功功率，u表示电压，i表示电流，q表示无功功率；
20.s34、采用公式u
(k+1)
＝y-1i(k)
计算电压矩阵；
21.s35、当电压满足|u
(k+1)-u
(k)
|≤ε时，本线程下迭代结束，保存数据，ε为收敛精度。
22.作为本发明的进一步改进，若存在不收敛的情况，则终止计算，返回所述步骤s1，检查供电设施布置或改变列车发车对数，重新进行。
23.本发明的第二个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现上述的交流牵引供电系统并行潮流计算方法。
24.本发明的第三个方面，提供了一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述的交流牵引供电系统并行潮流计算方法。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所提方法同时考虑gpu加速和cpu并行计算同时对算法加速，让cpu和gpu分别做擅长的计算任务，能够显著提高交流牵引供电动态潮流计算速度，提高计算机核心使用率，增大内存占用率，在一般个人电脑上均可实现，减少仿真计算时间。
附图说明
26.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：
27.图1为实施例1所述交流牵引供电系统并行潮流计算方法的流程图；
28.图2为实施例1中一个线程控制的一个仿真时刻下的迭代计算流程图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
30.实施例1
31.本实施例公开了一种交流牵引供电系统并行潮流计算方法，如图1所示，包括步骤：
32.s1、将包含分区所、横连线、牵引变电所、电力牵引自耦变压器所的供电设施布置参数作为第一已知条件，将包含时间、列车位置、取流和功率信息的行车运行图作为第二已知条件，第一已知条件形成的固定切面和第二已知条件形成的动态切面将全线牵引网切割为多个小分段，以牵引变电所为单位采用多导体传输线理论对线路进行建模，形成全部采
样仿真时刻的节点导纳矩阵；
33.s2、采用gpu批量求逆技术，计算所形成节点导纳矩阵的逆矩阵；
34.具体地，步骤s2包括如下步骤：
35.s21、为形成的节点导纳矩阵y
1，1
,
…
,y
t,s
,
…
,y
t,s
分配显存，其中t表示采样仿真时刻，t表示仿真时长，s表示牵引变电所序号，s表示牵引变电所总数量；
36.s22、将数据从cpu传入gpu；
37.s23、调用gpu批量处理函数，在gpu中进行批量求逆矩阵；
38.s24、将数据从gpu传入cpu。
39.s3、在cpu端开启多个线程，每一个线程计算一个运行图采样仿真时刻的迭代计算；若存在不收敛的情况，则终止计算，返回所述步骤s1，检查供电设施布置或改变列车发车对数，重新进行。
40.具体地，步骤s3包括如下步骤：
41.s31、给cpu分配多个线程，每一个线程分别对应一个仿真时刻的迭代计算，cpu多核依次处理这些线程任务；
42.s32、在每一个线程对应的迭代计算中，都包含相同的计算步骤，形成初始电流矩阵计算初始电压矩阵
43.s33、采用公式对列车节点处的电流矩阵元素进行更新，形成新的电流矩阵，k表示迭代次数，p表示有功功率，u表示电压，i表示电流，q表示无功功率；
44.s34、采用公式u
(k+1)
＝y-1i(k)
计算电压矩阵；
45.s35、当电压满足|u
(k+1)-u
(k)
|≤ε时，本线程下迭代结束，保存数据，ε为收敛精度。
46.s4、对并行计算结果整理并保存。
47.接下来结合具体实施过程对本实施例做进一步解释，如下：
48.在某仿真时刻t时，首先搭建基于牵引所的链式网络模型，根据列车分布位置和牵引网上的元件分布，将牵引网分割位n个切面，根据第i个切面与第i+1个切面间的距离li，计算出相应的电抗矩阵zli和导纳矩阵yli/2，矩阵维数由牵引网所含的导线数目m决定。
49.牵引变电所处电分相和分区所处电分相可用相应的串联元件zn表示；一次系统阻抗矩阵可等效到牵引变电所次边的计算，牵引变压器漏阻抗可等效到牵引变电所次边矩阵的计算，最终形成牵引变电所次边总的等效阻抗zα、zβ和zγ。
50.由zli、yli/2、zn、zα、zβ和zγ按照错位叠加法，形成整条电气化铁路第t秒下第s个牵引变电所的导纳矩阵ys,t。
51.如此，总共重复t次，可以形成全部仿真时刻下全部牵引所的导纳矩阵y
s,t
的组合{y
s,t
}。
52.结合gpu内存的大小和矩阵组合{y
s,t
}的大小，用cudamalloc()函数分配gpu数据存放空间和结果存放空间，用cudamemcpy()函数将矩阵组数据{y}从cpu端传入gpu端。
53.采用cublaszgetrfbatched()和cublaszgetribatched()函数对{y}进行批量求逆，获得每1秒下每一个牵引变电所的导纳矩阵
54.用cudamemcpy()函数将从gpu端传入cpu端。
55.若占用空间过大，则需要将数据分批次传入gpu进行计算，或者采用多块gpu进行预计算。
56.在cpu端开启多线程，采用多核进行每一秒的迭代计算。采用并行循环自动处理cpu核心与线程的过程。
57.以下只分析如图2所示的一个线程控制的一个仿真时刻下的迭代计算。
58.令迭代次数k为零，牵引所序数s为1，初始化网压u(k)为牵引变电所端口电压，列车视为功率源。
59.由每一辆车的功率p
t,traini
+jq
t,traini
与初始网压u(0)计算初始列车电流，计算左右供电臂馈线电流并形成初始电流矩阵
60.令k＝k+1，根据公式得到新的节点电压值u
(k)
。
61.由每一辆车的功率与其对应的节点网压u
(k)
计算新的列车电流，计算得到新的馈线电流，并形成电流矩阵i
(k)
。
62.根据公式得到新的节点电压值u
(k+1)
。
63.迭代收敛条件为若满足则该仿真时刻计算结束。
64.令s＝s+1，重复以上步骤进行下一个牵引所的仿真计算。直到最后一个牵引所s计算完成，则该线程下仿真计算完成。
65.其他线程下计算步骤与上述步骤相同，在此不再一一赘述。
66.实施例2
67.本实施例提供了一种计算机可读存储介质，可读存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现实施例1的交流牵引供电系统并行潮流计算方法。
68.可选地，该计算机可读存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取记忆体(ram，random access memory)、固态硬盘(ssd，solid state drives)或光盘等。其中，随机存取记忆体可以包括电阻式随机存取记忆体(reram,resistancerandomaccess memory)和动态随机存取存储器(dram，dynamic random access memory)。
69.实施例3
70.本实施例提供了一种计算机设备，包括处理器和储存器，储存器中储存有程序代码，处理器执行程序代码以执行实施例1的交流牵引供电系统并行潮流计算方法。
71.本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本技术实施例所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
72.以上仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。