[发明专利]一种电力系统小干扰稳定仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统的模拟仿真领域，特别涉及一种电力系统小干扰稳定仿真方法。

背景技术

电力系统小干扰稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到 起始运行状态的能力。电力系统运行过程中总是不可避免地存在小干扰，进行电力系统的 小干扰稳定性仿真分析，判断系统在给定运行方式下是否稳定，是电力系统分析中最基本 和最重要的任务之一。

电力系统小干扰稳定仿真主要涉及发电机及其励磁系统、动态负荷(如感应电动机和 同步电动机)、直流输电系统、电力电子元件(如柔性交流输电系统)等众多动态元件和输 电网络、静态负荷等组成的非线性动态系统。借助于线性系统特征分析的丰富成果，李雅 普诺夫(Lyaponov)线性化方法在电力系统小干扰稳定性分析中获得了广泛的应用。这种 方法建立在分析系统的线性化状态空间方程式的特征根(模式)及其特征向量(模态)的 基础上，将系统动态行为的非线性微分方程在运行点附近线性化，计算线性化系统状态矩 阵的特征值、左右特征向量以及阻尼比、机电回路相关比、参与因子和特征值灵敏度等， 从而分析判断电力系统在小干扰下的行为特征。

然而，随着电力系统规模的不断扩大，小干扰稳定计算分析的规模和计算量也随之大 幅增加。目前对一个一万个仿真母线的电力系统来说，小干扰稳定计算的微分-代数方程组 线性化后求解的稀疏矩阵规模在数万阶以上。使用当前主流配置的微机，串行计算这样规 模的小干扰稳定仿真耗时在5分钟以上，计算效率较低。

并行计算方法是解决电力系统计算机仿真速度的主要方法之一。并行计算基于一个简 单的想法：N台计算机应该能够提供N倍计算能力，不论当前计算机的速度如何，都可以期 望被求解的问题在1/N的时间内完成。显然，这只是一个理想的情况，因为被求解的问题 在通常情况下都不可能被分解为完全独立的各个部分，而是需要进行必要的数据交换和同 步。在现有工艺下，改善CPU性能的传统方法如提升时钟速度和指令吞吐量等在摩尔定律 限制下已经难有大的进展。近年来新型芯片的性能提升将主要从多核和缓存两个方面入手， 其中最为瞩目的当属多核技术。Intel、AMD等主要的处理器厂商均将提高处理器性能的途 径从提高主频转向整合多个处理引擎，多核心处理器已成为未来处理器技术的发展方向。 在采用多核心CPU处理器的微机中，内存为共享式，这种硬件架构与共享内存的多CPU处 理器计算机非常类似。因此，并行算法也是类似的。对于共享内存的多CPU处理器的并行 算法，由于不考虑多台计算机之间的分布式计算，而只考虑同一台计算机内部的并行计算 时，所以，并行算法主要分为多进程和多线程两类。

为了满足小干扰稳定程序在Windows和Linux两种操作系统中并行计算的需要，本方 法选择Linux系统的并行处理函数，并通过cygwin实现跨平台的并行计算。cygwin是一个 在Windows平台上运行的unix模拟环境，是cygnus solutions公司开发的自由软件。Linux 下可执行程序的源码代码通过cygwin编译链接后，也可在Windows下执行，并且执行效率 基本相同。

在Linux操作系统中，一个进程(Process)相当于一个任务(Task)，从操作系统核心的 角度来看，进程是管理系统资源(CPU、内存、文件等)的基本单位，是为正在运行的程序所 提供的运行环境；从用户角度来看，进程是应用程序的一个动态执行过程。进程具有一段 可执行的程序、专用的系统堆栈空间、私有的“进程控制块”(即task_struct数据结构) 和独立的存储空间。内核空间是通过进程模拟线程的，在用户空间用pthread创建线程， 线程是程序执行的最小单位。一个进程至少需要有一个线程来执行指令。线程也具有一段 可执行的程序、专用的系统堆栈空间、私有的“进程控制块”，但是没有自己的存储空间。

线程与进程的主要区别在于：线程不能够单独执行，它必须运行在处于活动状态的进 程中；多个线程共享同一进程除CPU以外的所有资源，各线程间允许任务协作和数据交换。