[发明专利]一种大规模电力系统暂态稳定时间空间并行仿真方法

说明书

技术领域

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

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：

1、负荷的突然变化，比如大容量用户的投入和切出；

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；

3、发生短路故障。

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：

1、直流系统建模计算方法；

2、直流系统和交流系统之间的接口；

3、并行计算软硬件平台。

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。

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 Processing Unit)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。

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。

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。

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。

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

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。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

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：

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。

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。