一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统，本申请以贝瑞隆传输线解耦法作为大规模电力系统的划分算法，通过选取不同解耦步长的长传输线作为分网传输线，实现了仿真过程中利用计算时间来掩盖通信时间的目的，从而减少了并行仿真中通信耗时，提高了并行仿真的计算效率

【技术实现步骤摘要】
一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统


[0001]本专利技术属于电磁暂态仿真
，具体涉及一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统
。

技术介绍

[0002]近年来，随着“双高”新型电力系统的发展，海量电力电子设备
、
可再生能源发电单元接入传统交直流电网，电力系统的规模迅速扩张，其电磁暂态仿真模型维数亦迅速提升
。
以我国西北新能源发电基地为例，西北交直流输电网网架全电磁暂态仿真模型电气节点数约为
10
万单相节点；单台典型风机发电单元的平均化模型单相电气节点数量在
50
‑
100
之间，控制节点数量在
300
‑
500
之间；若考虑
2000
台风机接入我国西北交直流电网，其整体电磁暂态仿真模型的电气节点总数可达
20
‑
30
万，控制节点总数可达
60
‑
100
万，总体节点数在
80
‑
130
万之间
。
若考虑华北
、
华中及华东电网联网计算规模，其模型节点总数更远超过百万节点规模
。
[0003]面对超大规模的电磁暂态仿真模型，单个计算核心难以满足实际的仿真需求，必然会采用多核心和多节点的计算框架，即集群来实现多核或者众核架构下的加速计算
。
集群是一组独立计算机的集合体，节点之间通过互联网进行连接；各节点间可以协同工作，表现为一个集中的计算资源来实现并行计算
。
同时商业硬件能紧密追踪最新硬件发展趋势，系统易扩展，性价比高
。
基于集群系统的电磁暂态并行仿真已经得到了研究界的关注，随着硬件技术的发展，有希望成为高性能计算的一项重要技术
。
[0004]对于需要并行仿真的大规模电力系统，首先需要对各计算系统任务分配，其中贝瑞隆传输线解耦法是最经典的接口解耦方法之一，其等效模型如图1所示
。
以单相无损传输线的
Bergeron
模型为例，介绍
Bergeron
模型的建模过程，对于图1所示的单相线路，
L'
和
C'
为单位电感和单位电容，线路的波动方程可以表示为：
[0005][0006][0007]式中，
x
为传输线中行波所处的位置
。
对波动方程进行求解，可得线路两端端电流的解析表达式为：
[0008][0009][0010]式中，
d
为线路长度
。
[0011]进一步，可以推得有损传输线的
Bergeron
模型
:
[0012]i
km
(t)
＝
G
line
v
k
(t)+i
hk
(t
‑
τ
)
[0013]i
mk
(t)
＝
G
line
v
m
(t)+i
hm
(t
‑
τ
)
[0014]式中，
r
为线路单位电阻
。
节点等效注入电流源
i
hk
(t
‑
τ
)、i
hm
(t
‑
τ
)
可以表示为：
[0015][0016][0017]利用移频电磁暂态建模方法，得到单相有损传输线的移频
Bergeron
模型：
[0018][0019][0020]式中，
[0021][0022][0023]通过该模型可以看出，贝瑞隆传输线中一侧的变化在某端的变化被另一端在传播时间的延时后感知到，两侧天然耦合
。
因此在电磁暂态仿真的计算过程中可以使用该模型进行分区解耦计算，各分区在仿真的每一时步计算开始前获得分区的接口电压电流，然后各自进行仿真计算
。
[0024]传输线解耦混合接口解决了大规模电力系统划分问题，使得不同子系统可以运行在不同仿真器上面
。
为了保证集群系统的顺利工作，实现电磁暂态仿真的并行计算，需要对多处理器之间数据传递机制进行设置
。
常见的并行编程标准有
MPI、PVM
等，其中
MPI(Message Passing Interface)
的移植性好，功能强大，效率高，已经成为了目前最重要的消息传递接口的标准
。
在电磁暂态仿真进程中，不同的仿真器之间需要实时地进行数据通信，交互对侧的电气量信息，从而会产生通信耗时，以两个处理器节点
i
和
j
之间的一次通信
过程为例，设通信方向为节点
i
到节点
j
，则通信耗时为从节点
i
的第一个字节进入传输通道开始，到节点
j
收到消息包的最后一个字节为止所需的通信时间，如图2所示
。
处理节点越多，通信耗时越长，这会影响电磁暂态并行仿真效率，特别是在大规模电力系统中影响更甚
。

技术实现思路

[0025]为了解决现有电磁暂态并行仿真技术由于不同仿真器之间通信会产生通信耗时，从而影响电磁暂态并行仿真效率的问题，本专利技术提供了一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统，本专利技术以贝瑞龙传输线解耦法为大规模电力系统的划分算法，通过选取不同解耦补偿的长传输线作为分网传输线，实现了仿真过程中利用计算时间来掩盖通信时间的目的，减少了并行仿真中通信耗时，提高了并行仿真效率
。
[0026]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0027]一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，该方法包括：
[0028]查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2k
倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量满足预设条件；
[0029]查找分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量满足预设条件；以此类推，查找第
k
级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第
k
级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第
k+1
级子网络，合并过程中确保两个第
k+1
级子网络的计算负载基本相同，同时两个第
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，该方法包括：查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2k
倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量满足预设条件；查找分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量满足预设条件；以此类推，查找第
k
级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第
k
级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第
k+1
级子网络，合并过程中确保两个第
k+1
级子网络的计算负载基本相同，同时两个第
k+1
级子网络间传输线的数量满足预设条件；利用2k+1
个台计算机对第
k+1
级子网络进行电磁暂态仿真；其中，
k
为正整数
。2.
根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，
k
由参与并行计算的计算机台数来确定
。3.
根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，网络合并过程中，需满足两个子网络间传输线的数量应保证单次数据传输量小于带宽数
。4.
根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，电磁暂态并行仿真过程中，子网络间通信原则为：当仿真时间为2p
Δ
t
的整数倍时，
p
为整数且
0≤p≤k
，则同属一个第
k
‑
p
级子网络的两个第
k
‑
p+1
级子网络间需要进行一次通信；当任意两个第
q
级子网络之间进行通信时，
q
为整数且
0≤q≤k
，实际上是每个第
q
级子网络中包含的编号最小的第
k+1
级子网络之间进行通信
。5.
根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，电磁暂态并行仿真过程中，奇数次仿真步长时刻网络进行一次串行通信，偶数次仿真步长时刻网络进行
2n+1
次通信，其中
n
的个数由下...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏巍，周波，陈颖，徐韵扬，于智同，孙昕炜，黄少伟，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：