本发明专利技术公开了一种微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展方法及装置，属于电力系统仿真技术领域。本发明专利技术对于分布在相同的节点机上的计算单元，通过MPI支持的共享内存进行通信，通信抖动非常小，对于分布在不同节点机上的计算单元，设计了一种全新的基于守护进程归并信号传输的跨节点机通信方案，并设计了与该跨节点机通信方案对应的电磁暂态实时仿真算法，保证了数据传输的稳定性和连续性，整体上实现了跨节点机的全电磁暂态实时仿真线性可扩展仿真。解决了随着仿真规模增加，仿真底层通讯技术对大规模电磁暂态实时仿真的主要制约的技术问题。题。题。
【技术实现步骤摘要】
一种微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展方法及装置
[0001]本专利技术涉及电力系统仿真
，并且更具体地，涉及一种微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展方法及装置。
技术介绍
[0002]传统能源的短缺以及环保意识的增强正推动着全球能源格局发生改变。随着我国风电、光伏等新能源的跨越式发展，电力系统中新能源装机容量占比日益提高。与此同时，我国大型新能源基地与负荷中心呈逆向分布，要大力发展可再生能源发电，建设大容量跨大区特高压交、直流远距离输电通道尤为重要。新能源发电、高压直流输电的快速发展，驱使电力系统“源
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网
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荷”各部分电力电子化程度逐年提高，电力系统逐步向高比例新能源发电和高比例电力电子设备趋势发展。“双高”电力系统的复杂运行特性对安全稳定运行带来了挑战。新能源运行实践中的安全稳定问题如过电压、故障穿越、惯量与频率动态、次同步及超同步振荡等问题不断出现，同时直流输电可能会出现换相失败等新问题。电力电子装备的快速暂态过程通过大电网交织耦合，不同问题相互交织使得系统动态问题持续复杂化。受电力电子器件开关过程和快速控制保护逻辑影响，暂态过程的时间范围覆盖微秒级到秒级，传统机电暂态仿真、机电
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电磁混合仿真难以准确刻画，必须使用微秒级的全电磁暂态建模和仿真技术。
[0003]但是由于全电磁暂态的设备模型的精细度大幅提升，又采用了分相描述，同时，全电磁暂态的仿真步长数十个微秒，仿真计算规模比现有机电暂态仿真增加了上千倍。
[0004]如此庞大的计算规模，只有依靠大规模的并行仿真才能实现微秒级的电磁暂态实时仿真。基于子网的并行是并行仿真的主要技术路线。子网并行就是把整个需要进行电磁暂态实时仿真的网络分为多个不同的子网，子网与子网间通过输电线路连接，不同的子网可以并行的进行单步内的计算，同时在仿真的单步迭代计算结束后子网与子网交互输电线路上的电压、电流及其他需要的信息。从理想数学方法上，基于子网的仿真可以实现完全地并行计算，大幅提升仿真效率。
[0005]但是，这些子网是需要承载在具体的仿真硬件基础上的。随着仿真计算规模的不断扩大，子网的数量从原有的几个快速提升到几百个，上千个，这些子网都需要承载在真实的物理CPU硬件上计算，整个仿真任务的物理CPU的数量也达到了成百上千个。在如此庞大的并行硬件计算体系下，不同位置的CPU之间的通讯同步时间大幅增加，导致了并行的同步效率大幅下降。经过测试，30个CPU的场景下，每一个子网的相同通信量花费的通信时间是双CPU场景下的4
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5倍。而不同节点主机之间的最大通信延迟甚至达到了节点主机内通信的100倍以上。
[0006]因此，亟需提出基于跨节点机的微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展方法及装置，解决随着仿真规模增加，仿真底层通讯技术对大规模电磁暂态实时仿真的主要制约。
[0007]现有方案提出了一种基于MPI的PC Cluster的大规模电磁暂态实时仿真通讯方法。MPI是一个跨语言的通讯协议，用于编写并行计算机。支持点对点和广播。MPI的目标是
高性能，大规模性，和可移植性。MPI在今天仍为高性能计算的主要模型。同时，MPI是一种消息传递编程模型，并成为这种编程模型的代表和事实上的标准。MPI虽然很庞大。但是它的最终目的是服务于进程间通信这一目标。
[0008]例如，专利申请CN101794993A，公开了一种基于MPI的电网仿真实时并行计算平台，在引入实时操作系统RTLinux的基础上，本专利技术通过对上层电网仿真计算应用模块、MPICH并行环境和GM软件的进行实时改造，提供一种构建电网仿真实时并行计算平台的方法，从而为大规模电力系统提供严格步长的实时并行仿真计算，减少了步长时间抖动次数和幅度，保证可对电力系统进行超实时和硬实时动态仿真。
[0009]但是，不同节点机上的进程任务通过直接调用MPI的点对点通信函数，MPI_Send()和MPI_Recv()完成跨节点的通信和算法的同步。
[0010]电磁暂态仿真的不同子网之间的信号的交互和同步也是在需要的时候，直接调用MPI_Send()和MPI_Recv()完成的，当远端的机器调用MPI_Send()时必须等待对侧的机器完成MPI_Recv()以后才能跳出继续后面的计算任务。
[0011]由于采用了封装的MPI_Send()和MPI_Recv()的点对点通信函数，MPI库封装了点对点的消息，当跨节点机传输时，每一个点对点通信任务都会调用操作系统内核的Socket通信函数，需要对Socket通信的进程进行优先执行，如果消息密度大，数量多时，这种优先执行会严重干扰操作系统正常的用户态的线程的计算，产生不可消除的通信抖动和同步抖动，从而无法实现大规模的跨节点机的电磁暂态实时仿真。
技术实现思路
[0012]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展方法及装置。
[0013]根据本专利技术的一个方面，提供了一种微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展方法，包括：将整个电网划分为多个局部电网，每一个局部电网包括多个节点机，节点机上的每一个对象都是一个进行电磁暂态仿真计算的计算单元，节点机上的计算单元需要与同属于一个局部电网内的其他节点机上的计算单元交互端口的电流数据和电压数据；在每个节点机上部署一个守护进程，其中守护进程为每一个具有跨节点机通信需求的计算单元建立两片共享内存端口数据区，第一片共享内存端口数据区用于存储计算单元向外部计算单元发送的数据，第二片共享内存端口数据区用于存储计算单元接收的外部计算单元发送的数据；设计一条仿真步长大于1的传输线路作为具有跨节点机通信需求的两个计算单元的传输线端口，传输线端口的仿真步长用于将其中一个具有跨节点机通信需求的计算单元端口的电压数据和电流数据传输至另一个具有跨节点机通信需求的计算单元上；在守护进程中启动发送线程和接收线程，当前节点机的计算单元将数据写入第一片共享内存端口数据区后，通过发送线程收集当前节点机的所有计算单元写入第一片共享内存端口数据区的目标数据，通过传输线端口将目标数据传输至另一节点机上；通过接收线程收集当前节点机接收的数据报文，并把收集到的数据报文存储至第二片共享内存端口数据区。
[0014]可选地，所述传输线端口的方程如下：；式中，为n时刻的从A端口的对端端口而来的反射电压，为n时刻的从B端口的对端端口而来的反射电压，为A端口的入射电压，为从A端口的对端端口而来的反射电压，为B端口的入射电压，为从B端口的对端端口而来的反射电压，m为延迟步长，为B端口的流入电流，Z0为传输线路的自然阻抗。
[0015]可选地，该方法还包括：在守护进程中启动主线程，其中主线程用于承担守护进程环境启动，读取通信信息，并启动管理工作。
[0016]可选地，该方法还包括：根据传输线路两侧的信号延时时间，设计传输线路的缓冲区。
[0017]可选地，该方法还包括：针对缓冲区设计用户态管道算法，用户态管道一端用于读数据，用户态管道另本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展方法，其特征在于，包括：将整个电网划分为多个局部电网，每一个局部电网包括多个节点机，节点机上的每一个对象都是一个进行电磁暂态仿真计算的计算单元，节点机上的计算单元需要与同属于一个局部电网内的其他节点机上的计算单元交互端口的电流数据和电压数据；在每个节点机上部署一个守护进程，其中守护进程为每一个具有跨节点机通信需求的计算单元建立两片共享内存端口数据区，第一片共享内存端口数据区用于存储计算单元向外部计算单元发送的数据，第二片共享内存端口数据区用于存储计算单元接收的外部计算单元发送的数据；设计一条仿真步长大于1的传输线路作为具有跨节点机通信需求的两个计算单元的传输线端口，传输线端口的仿真步长用于将其中一个具有跨节点机通信需求的计算单元端口的电压数据和电流数据传输至另一个具有跨节点机通信需求的计算单元上；在守护进程中启动发送线程和接收线程，当前节点机的计算单元将数据写入第一片共享内存端口数据区后，通过发送线程收集当前节点机的所有计算单元写入第一片共享内存端口数据区的目标数据，通过传输线端口将目标数据传输至另一节点机上；通过接收线程收集当前节点机接收的数据报文，并把收集到的数据报文存储至第二片共享内存端口数据区。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传输线端口的方程如下：；式中，为n时刻的从A端口的对端端口而来的反射电压，为n时刻的从B端口的对端端口而来的反射电压，为A端口的入射电压，为从A端口的对端端口而来的反射电压，为B端口的入射电压，为从B端口的对端端口而来的反射电压，m为延迟步长， 为B端口的流入电流，Z0为传输线路的自然阻抗。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：在守护进程中启动主线程，其中主线程用于承担守护进程环境启动，读取通信信息，并启动管理工作。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：根据传输线路两侧的信号延时时间，设计传输线路的缓冲区。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：针对缓冲区设计用户态管道算法，用户态管道一端用于读数据，用户态管道另一端用于写数据，使得缓冲区内的数据流具备先入先出的特征。6.一种微秒级全电磁暂态实时仿真线性可扩展装置，其特征在于，包括：划分模块，用于将整个电网划分为多个局部电网，每一个局部电网包括多个节点机，节点机上的每一个对象都是一个进行电磁暂态仿真计算的计算单元，节点机上的计算单元需要与同属于一个局部电网内的其他节点机上的计算...
【专利技术属性】
技术研发人员：穆清，张星，李壮，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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