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

1、當(dāng)前是我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展的重要時(shí)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(yùn)行對(duì)高性能暫態(tài)穩(wěn)定仿真工具的迫切需要，本文對(duì)大規(guī)模電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定并行仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，內(nèi)容涉及暫態(tài)穩(wěn)定串行算法改進(jìn)、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(jì)算平臺(tái)上的實(shí)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(chéng)實(shí)牛頓法(VeryDishonestNewtonMetho

2、d，VDHN)的可變步長(zhǎng)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?cái)嗾`差理論，對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)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(jì)算;應(yīng)用VDHN原理簡(jiǎn)化了迭代過(guò)程中電壓向量的計(jì)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(jì)算速度，后文工作以此算法為基礎(chǔ)展開(kāi)。
　　 2)提出了一種基于多核

3、處理器的并行變步長(zhǎng)VDHN算法用于暫態(tài)穩(wěn)定仿真。引入α動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，將算法中最耗時(shí)的部分——發(fā)電機(jī)組的計(jì)算配置到多核CPU并行處理，并在仿真中動(dòng)態(tài)調(diào)整各核心的計(jì)算量，以獲得更好的負(fù)載平衡性能。進(jìn)一步，在并行環(huán)境中考慮Newton類算法迭代時(shí)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(jì)算過(guò)程中的串行部分和并行開(kāi)銷。算法復(fù)合加速比達(dá)到6.01倍，并可方便靈活地部署在多種軟硬件平臺(tái)上，適用性廣。
　　 3)提出了基于CPU-

4、GPU(GraphicsProcessingUnit)異構(gòu)平臺(tái)的一種非誠(chéng)實(shí)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(duì)角加邊結(jié)構(gòu)，將整體計(jì)算分解為3部分:1.動(dòng)態(tài)元件相關(guān)計(jì)算;2.子分區(qū)系統(tǒng)計(jì)算;3.聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)計(jì)算。在異構(gòu)平臺(tái)上，第1、2部分被分配到多核CPU上進(jìn)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(jì)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(duì)電網(wǎng)進(jìn)行更精細(xì)的描述，并用數(shù)學(xué)語(yǔ)言表示地理區(qū)域信息，顯著提高了劃分效果。算法可對(duì)萬(wàn)級(jí)節(jié)點(diǎn)電網(wǎng)進(jìn)行超實(shí)時(shí)仿真，仿真時(shí)間僅為實(shí)際暫態(tài)過(guò)程的63.4％。
　　 4)提出了基于CPU-GPU異構(gòu)平臺(tái)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(dòng)態(tài)的獨(dú)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(jì)算，系統(tǒng)間通過(guò)一定的接口時(shí)序交換數(shù)據(jù);第二層為“直流系統(tǒng)時(shí)間并行”，直流系統(tǒng)在小步長(zhǎng)下采用詳細(xì)模型仿真，使用GPU實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間并行算法的流水線計(jì)算，可靈活設(shè)置流水線條數(shù)，對(duì)多個(gè)直流系統(tǒng)多積分時(shí)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(jì)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(qǐng)求，分配合適的計(jì)算資源供用戶使用。
　　 本文實(shí)現(xiàn)的方