大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定并行計算研究.pdf

1、當(dāng)前是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的重要時期，跨區(qū)域的大規(guī)模互聯(lián)電網(wǎng)正在逐步形成。為滿足互聯(lián)電網(wǎng)分析、規(guī)劃和安全穩(wěn)定運行對高性能暫態(tài)穩(wěn)定仿真工具的迫切需要，本文對大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定并行仿真技術(shù)進行了研究，內(nèi)容涉及暫態(tài)穩(wěn)定串行算法改進、并行算法的構(gòu)造、并行任務(wù)的劃分及算法在高性能并行計算平臺上的實現(xiàn)等方面。論文的主要工作如下:
　　 1)提出了一種基于Shamanskii算法和非誠實牛頓法(VeryDishonestNewtonMetho

2、d，VDHN)的可變步長暫態(tài)穩(wěn)定仿真組合算法。在基本的微分代數(shù)方程組聯(lián)立求解框架下，根據(jù)隱式梯形積分局部截斷誤差理論，對步長進行控制，在保證精度的條件下，減少了積分步數(shù);考慮牛頓類算法的收斂性，使用Shamanskii算法控制雅可比矩陣的更新，減少了不必要的更新計算;應(yīng)用VDHN原理簡化了迭代過程中電壓向量的計算。算法可適應(yīng)不同規(guī)模算例，在不同故障下都能較好提升計算速度，后文工作以此算法為基礎(chǔ)展開。
　　 2)提出了一種基于多核

3、處理器的并行變步長VDHN算法用于暫態(tài)穩(wěn)定仿真。引入α動態(tài)調(diào)度策略，將算法中最耗時的部分——發(fā)電機組的計算配置到多核CPU并行處理，并在仿真中動態(tài)調(diào)整各核心的計算量，以獲得更好的負載平衡性能。進一步，在并行環(huán)境中考慮Newton類算法迭代時間的改變，自適應(yīng)地調(diào)整雅可比矩陣更新策略，減少了并行計算過程中的串行部分和并行開銷。算法復(fù)合加速比達到6.01倍，并可方便靈活地部署在多種軟硬件平臺上，適用性廣。
　　 3)提出了基于CPU-

4、GPU(GraphicsProcessingUnit)異構(gòu)平臺的一種非誠實牛頓-穩(wěn)定雙共軛梯度（BiConjugateGradientStabilizedMethod，BiCGSTAB）暫態(tài)穩(wěn)定并行算法。算法依據(jù)聯(lián)立矩陣的雙層對角加邊結(jié)構(gòu)，將整體計算分解為3部分:1.動態(tài)元件相關(guān)計算;2.子分區(qū)系統(tǒng)計算;3.聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)計算。在異構(gòu)平臺上，第1、2部分被分配到多核CPU上進行處理。第3部分則采用可完全并行化的穩(wěn)定雙共軛梯度法在GPU上計算，

5、并且為了減少迭代次數(shù)使用了稀疏近似逆預(yù)處理技術(shù)。并行任務(wù)的劃分使用了超圖算法，可以對電網(wǎng)進行更精細的描述，并用數(shù)學(xué)語言表示地理區(qū)域信息，顯著提高了劃分效果。算法可對萬級節(jié)點電網(wǎng)進行超實時仿真，仿真時間僅為實際暫態(tài)過程的63.4％。
　　 4)提出了基于CPU-GPU異構(gòu)平臺的一種多速率并行算法，應(yīng)用于交-直流互聯(lián)電網(wǎng)仿真。算法采用雙層并行結(jié)構(gòu):第一層為“交-直并行”，考慮直流系統(tǒng)動態(tài)的獨立性，將交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)解耦，分別部署在

6、CPU和GPU上采用不同速率計算，系統(tǒng)間通過一定的接口時序交換數(shù)據(jù);第二層為“直流系統(tǒng)時間并行”，直流系統(tǒng)在小步長下采用詳細模型仿真，使用GPU實現(xiàn)了基于時間并行算法的流水線計算，可靈活設(shè)置流水線條數(shù)，對多個直流系統(tǒng)多積分時步并行求解。在此基礎(chǔ)上，基于模型，視圖，控制器模式構(gòu)建了適應(yīng)于大規(guī)模交直流互聯(lián)電網(wǎng)暫態(tài)仿真的云計算原型系統(tǒng)，可方便地調(diào)用前文所述多種并行算法，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)請求，分配合適的計算資源供用戶使用。
　　 本文實現(xiàn)的方