电力系统暂态稳定并行异步计算研究

摘要

全国联网的实现使得机电暂态实时仿真变得更加困难。单一计算机的串行仿真难以实现这一目的，只有寄希望于并行计算。
　　 本文首先用Newton-GMRES法求解电力系统暂态稳定计算的超大规模非线性方程组。该方法的外迭代为经典牛顿法，内迭代为用GMRES法不精确求解雅可比方程。在内迭代的每步只需用有限差分替代雅可比矩阵与向量的乘积运算，从而无需显式形成雅可比矩阵，且避免了雅可比矩阵的存储，因此能大大节省计算机内存，提高计算效率。在用GMRES法求解内迭代中的线性方程组前，先用稀疏近似逆预处理法对线性方程组的系数矩阵进行预处理，以降低系数矩阵的条件数，加快GMRES迭代收敛速度。
　　 然后，本文提出了一种基于等值的机电暂态仿真并行异步新算法。其主要思想为：将原始网络分割为若干弱耦合的子系统。这些子系统在仿真的每一时步进行相互等值，各个子系统利用其他子系统传递来的等值信息进行独立迭代计算至收敛。在等值信息传递过程中，该算法使用了异步策略，即子系统在迭代计算过程中，随时监听其他子系统是否有新的等值信息传来，从而能够及时更新等值信息，加速迭代收敛。算例结果表明，该算法不仅具有较高的等值精度，而且具有较快的计算速度，已能够实现实时在线仿真计算。利用并行通信软件MPI中非阻塞通信可以将计算与通信重叠的特点实现的异步通信。
　　 本文仿真基于的硬件设施是自己建立的一个6节点的小型PC集群。
　　 本文的研究成果进一步丰富了电力系统机电暂态并行仿真计算方法，促进了电力系统机电暂态并行仿真计算的实用化进程。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究情况和发展趋势

1.2.1 并行计算理论的发展和研究现状

1.2.2 线性方程组求解方法的研究现状和发展趋势

1.2.3 并行计算机的研究现状和发展趋势

1.3 本文的主要研究内容

第2章 基于预处理GMRES的不精确牛顿法暂态仿真

2.1 概述

2.2 电力系统暂态稳定性分析方法

2.2.1 暂态稳定分析的时域仿真法

2.2.2 暂态稳定分析的直接法

2.3 数学理论基础

2.3.1 不精确Newton法

2.3.2 Krylov子空间方法

2.4 GMRES算法

2.4.1 GMRES算法的原理

2.4.2 GMRES算法的基本思想

2.4.3 GMRES算法具体过程

2.4.4 GMRES算法的收敛性控制

2.5 加速仿真过程的策略

2.5.1 基于稀疏近似逆预处理技术

2.5.2 三角矩阵快速求逆法

2.5.3 结合稀疏近似逆预处理的GMRES算法

2.5.4 不连续预处理法

2.6 结合不连续预处理法的Newton-GMRES的电力系统暂态仿真

2.7 算例及结果分析

2.7.1 预处理效果

2.7.2 计算精度

2.7.3 仿真速度

2.8 本章小结

第3章 集群的构建和MPI程序安装

3.1 集群的简单介绍

3.1.1 集群的概念

3.1.2 集群的体系结构

3.2 使用MPICH构建一个六节点的集群系统

3.2.1 LINUX操作系统

3.2.2 所用设备

3.2.3 硬件设置

3.2.4 LINUX下的FORTRAN编译器G95安装

3.2.5 MPICH环境与安装

3.3 本章小结

第4章 MPI介绍及其应用

4.1 概述

4.2 MPI基本概念介绍

4.2.1 消息

4.2.2 通信域

4.3 MPI的通信方式

4.3.1 点对点通信方式

4.3.2 组通信方式

4.4 MPI程序的执行

4.5 MPI提高通信效率的具体措施

4.5.1 数据的打包与解包

4.5.2 用户自定义MPI数据类型

4.6 本章小结

第5章 基于等值的电力系统机电暂态仿真并行异步算法

5.1 概述

5.2 BBDF算法介绍

5.3 暂态稳定空间并行算法与波形松弛法比较

5.4 波形松弛并行算法的实现原理

5.4.1 系统分区策略

5.4.2 并行算法的实现

5.5 基于等值的机电暂态仿真并行异步算法

5.5.1 相邻子系统的等值处理策略

5.5.2 等值信息的传递和更新以及其中的异步策略

5.6 算法实现

5.7 算例及结果分析

5.7.1 算法的等值精度

5.7.1 算法的计算速度

5.8 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A （攻读学位期间发表的学术论文目录）

附录B （攻读学位期间参加的研究课题）