電力體系暫態(tài)穩(wěn)固并行異步算法分析

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1、電力體系暫態(tài)穩(wěn)固并行異步算法分析第1章緒論1.1國內(nèi)外研究情況和發(fā)展趨勢電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多變量非線性大系統(tǒng)，對其進行計算分析時常常因計算時間長而不能滿足工程實際要求。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，并行處理為解決電力系統(tǒng)領(lǐng)域的問題提供了有力的工具。電力系統(tǒng)并行處理的研究是從20世紀(jì)70年代后期開始的，目的是為了加快電力系統(tǒng)分析的計算速度，提高實時性。由于硬件技術(shù)的限制，80年代及以前的研究工作大多是在串行計一算機上模擬并行計算機的條件進行的。90年代初，并行計算機逐漸被電力系統(tǒng)所采用，開始了在并行計算機上進行電力系統(tǒng)并行處理的研究。雖然電力系統(tǒng)并行計算研究的歷史不長，但卻

2、為解決電力系統(tǒng)的計算難題提供了機會。近十幾年來，用于電力系統(tǒng)并行計算的算法被不斷提出。目前的并行策略大致可分為空間并行、時間并行及波形松弛3類。由于電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，相對于其他2類，時間并行類方法在計算效率上不占優(yōu)勢。文獻[3]討論了幾種機電暫態(tài)并行算法:網(wǎng)絡(luò)分割、線性方程組并行求解、牛頓類算法和一些時間并行算法在PC集群上實現(xiàn)的有利和不利條件。文獻[4]在IBM-sPZ并行計算機上采用基于因子表路徑樹的網(wǎng)絡(luò)分割方法并行求解電力網(wǎng)絡(luò)稀疏矩陣方程。文獻[5]基于多TransPuter并行計算機，對分塊算法的并行性能進行了研究。文獻提出了一種利用電力系統(tǒng)區(qū)域特性的多重

3、化網(wǎng)絡(luò)劃分方案，然后將邊界塊計算放置在集群系統(tǒng)的同一個共享存儲的多CPU節(jié)點上，采用動態(tài)多線程技術(shù)并行實現(xiàn)。文獻[7，8]提出了基于區(qū)域迭代的分布式仿真算法，通過區(qū)域間交接少量邊界信息實現(xiàn)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定仿真。此類方法的共同特點是對線性方程組并行求解，比較適合于將已有的串行計算程序并行化。按照劃分后子任務(wù)的計算量還可以把并行算法分為細(xì)粒度并行算法和粗粒度并行算法。一般來說，細(xì)粒度并行算法的通信次數(shù)較多，適應(yīng)于矢量并行機和共享內(nèi)存的并行機;粗粒度并行計算的通信次數(shù)較少，適應(yīng)于消息傳遞型的并行機。無論哪種類型的并行算法，通信次數(shù)和通信量越少，其并行效率越高。PC集群為消息

4、傳遞型并行機，適合采用粗粒度并行算法。2008年，經(jīng)中國電力科學(xué)研究院3年多的研制，•開發(fā)出基于高速PC集群的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真裝置(ADPsS)，實現(xiàn)了大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實時和超實時仿真。該裝置成功實現(xiàn)了機電暫態(tài)的分網(wǎng)并行計算，使得超大規(guī)模電網(wǎng)的實時和超實時仿真成為可能;也實現(xiàn)了電磁暫態(tài)的分網(wǎng)并行計算，使其做到了實時和超實時仿真。同時成功實現(xiàn)了大電網(wǎng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)仿真的接口，使之既能對直流輸電、電力電子裝置等做詳細(xì)的電磁暫態(tài)仿真模擬，又能保證大電力系統(tǒng)的整體仿真計算速度。電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真裝置的成功推出，標(biāo)志著并行計

5、算已經(jīng)開始初步實用化，并發(fā)揮出它加快計算速度的巨大作用。1.2空間并行算法空間并行是把系統(tǒng)分割為若干子系統(tǒng)及邊界系統(tǒng)，然后每一個處理機計算一個子系統(tǒng)，再找一臺處理機計算邊界系統(tǒng)。按照規(guī)模均勻分割網(wǎng)絡(luò)，并盡量保持新增注入元最少是是其主要目標(biāo)?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)分割法包括:模擬退火法、邊界點表法、道路樹法和動態(tài)分割法等。因為發(fā)電機機組僅通過發(fā)電機母線與系統(tǒng)其它元件相聯(lián)系，系統(tǒng)中各發(fā)電機組方程的求解是獨立的，因而動態(tài)元件方程，即微分方程組的并行是很容易的，難點在線性方程組的并行求解上。對此人們己經(jīng)提出了很多算法，如因子法、RE總的不精確牛頓法暫態(tài)仿真2.1概述電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性問

6、題是指系統(tǒng)受到大擾動后，各同步電機保持同步運行并過渡到新的平衡狀態(tài)或者恢復(fù)到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，我國互聯(lián)電力網(wǎng)絡(luò)變得越來越大。國家電網(wǎng)公司提出了西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略原則，重點加強電網(wǎng)建設(shè)，發(fā)展跨省、跨區(qū)輸電線路，充分發(fā)揮跨區(qū)送電和聯(lián)網(wǎng)的效益。如此的發(fā)展趨勢在給電力系統(tǒng)以巨大的技術(shù)和經(jīng)濟效益的同時，也使得穩(wěn)定性破壞事故所波及的范圍更加廣泛，對國計民生造成的破壞更加嚴(yán)重，這就提出了新的挑戰(zhàn):(l)電源建設(shè)與電網(wǎng)建設(shè)的不同步，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性較弱，嚴(yán)重制約了電力的供給。(2)電力市場的日益開放會使運行方式更加靈活多變，對穩(wěn)定性的實時判斷

7、要求更高。因此，準(zhǔn)確、快速地分析電力系統(tǒng)在大擾動下的暫態(tài)穩(wěn)定行為，必要時采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，以保證系統(tǒng)對暫態(tài)穩(wěn)定性的要求，是電力系統(tǒng)設(shè)計及運行人員最重要也是最復(fù)雜的任務(wù)之一。本章對電力系統(tǒng)的時域仿真計算方法進行研究。時域仿真法要形成一組表示全系統(tǒng)模型的微分代數(shù)方程組，然后在仿真的每一時步對這組方程進行求解。其中動態(tài)元件的微分方程是各自獨立的，可以單獨求解，關(guān)鍵在于代數(shù)方程組的并行求解。使用隱式梯形積分法將動態(tài)元件的微分方程差分化，變成代數(shù)方程，然后與網(wǎng)絡(luò)方程組交替迭代求解。交替求解的每一部分都是非線性方程組。對于非線性方程組的求解，目前常用的求解方法是Nean.