基于CUDA并行计算实现电力系统电磁暂态实时仿真测试方法

摘要

本发明公开了一种基于CUDA并行计算实现电力系统电磁暂态实时仿真测试方法，电磁暂态仿真测试主机采用CPU+GPU方式，GPU应用CUDA平台并行计算架构，仿真测试主机通过千兆以太网和各路信号采集设备连接；主要针对数字化变电站的仿真而不是全网或全系统的仿真，模型可以大大简化，能够将传统仿真速度提高几十至几百倍，实现变电站电磁暂态实时仿真计算要求；由于CUDA并行计算平台的成本相对于大型并行计算机或专业并行计算机的成本大大降低，本发明提出的方法在电力系统电磁暂态实时仿真上性能大幅提高、成本巨幅降低，具有广泛推广的价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电力控制领域，具体涉及基于CUDA并行计算实现电力系统电磁暂态实时仿真测试方法。 

背景技术

电力系统电磁暂态过程和机电暂态过程，是两个用不同数学模型表征、具有不同时间常数的物理过程。在传统的电力系统分析工具中，通常对这两个过程分别进行数字仿真。其中，相对于机电暂态仿真，电磁暂态模型的非线性和参量变化的瞬时性，大大增加了仿真的计算量和计算时间，实现一定规模系统的实时数字仿真要困难得多。随着区域电网的互联和直流输电的发展以及FACTS、SVC等电力电子装备在电力系统中的大量应用，使得电网在规模上不断扩展，元件构成上日趋复杂，不同物理特性的动态过程-电磁暂态和机电暂态过程交织并行，成为现代电力系统的主要特征，使得电力系统分析和仿真技术面临新的挑战。如何将大规模复杂电力系统的机电暂态仿真和对于局部系统的电磁暂态仿真集成在一个进程中，并进一步使数字模拟和实际发生的物理过程同步，实现大规模电力系统的电磁暂态和机电暂态混合实时仿真是近年来电力系统数字仿真研究领域的前端课题。这一问题的解决，对分析研究电力系统动态特性，改善电力系统控制和保护水平，提高电力系统运行的稳定性和可靠性，有着重要的理论价值和现实意义。 

目前电力系统的电磁暂态实时仿真平台均由大型计算机组成的并行计算仿真平台，动辄数百万甚至上千万人民币。比如，世界上应用最广的电力系统实时数字仿真仪是由加拿大曼尼托巴RTDS公司开发制造的RTDS，是一种专门 设计用于研究电力系统中电磁暂态现象的装置。但由于其昂贵的售价，让用户对其望而却步。 

发明内容

本发明提供了一种处理速度快，造价低廉的实现电力系统电磁暂态实时仿真方法。 

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：基于数字化变电站电磁暂态实时仿真测试系统，其实现包括以下步骤： 

a、电磁暂态仿真测试主机采用CPU+GPU方式，GPU应用CUDA平台并行计算架构，仿真测试主机通过千兆以太网和各路信号采集设备连接； 

b、所述CUDA把计算分解成一个一个的线程(kernel)：kernel_1，kernel_2……kernel_M，每一个线程(kernel)就交给每一个网格(Grid)来完成，网格(Grid)又把任务划分为一个个的块(Block)，这里每一个网格(Grid)管理的块(Block)是有限的，块(Block)这个层直接管理每一个线程(Thread)； 

c、在进行电力系统电磁暂态实时仿真的时候，就是将2k次的计算分配到不同的线程(Thread)中去，由于CUDA计算核的数量非常多，当2k小于这个数量时，在每一个2k的计算中可以将计算分解成更多的并行计算，通过开发适合CUDA程序执行模型的算法，并合理设置块(Block)和线程(Thread)数目，可充分利用GPU强大的并行处理能力，解决电磁暂态海量数据的处理问题。 

d、具体计算方法采用线性常微分方程组，经过简单变换，可以写成如下形式： 

dX/dt＝F(X)+G(U)        (1) 

X为系统状态变量矩阵 

采用两点欧拉法(其它方法原理相同)，即 

X_iⁿ⁺¹＝X_i^n-1+(2h)(dX_iⁿ/dt)        (2) 

将(1)代入(2)，得 

X_iⁿ⁺¹＝X_i^n-1+(2h)(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ))     (3) 

为保证计算方法的数值稳定性，用预测-校正的方法解方程组(3)，得到(4)式(这里，X_ipⁿ⁺¹预测值，X_icⁿ⁺¹为校正值) 

X_ipⁿ⁺¹＝X_i^n-1+2h(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ))   (4) 

X_icⁿ⁺¹＝X_iⁿ+(h/2)(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ)+F_i(X_pⁿ⁺¹)+G_i(Uⁿ⁺¹))     (5) 

其中，i＝1，2，…，k 

(4)(5)包含2k个等式计算，但(4)式k个等式必须先计算，(5)式因需用到X_pⁿ⁺¹，Uⁿ⁺¹，所以必须等(4)式全部计算完才能计算； 

为实现2k个等式同时计算，将X_pⁿ⁺¹，Uⁿ⁺¹用X_pⁿ，Uⁿ代替，得到下式： 

X_icⁿ⁺¹＝X_iⁿ+(h/2)(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ)+F_i(X_pⁿ)+G_i(Uⁿ))     (6) 

联合(4)(6)即可实现2k个等式的并行计算。 

本发明具有以下优点：1、主要针对数字化变电站的仿真而不是全网或全系统的仿真，模型可以大大简化，能够将传统仿真速度提高几十至几百倍，实现变电站电磁暂态实时仿真计算要求；2、由于CUDA并行计算平台的成本相对于大型并行计算机或专业并行计算机的成本大大降低，本专利提出的方法在电力系统电磁暂态实时仿真上性能大幅提高、成本巨幅降低，具有广泛推广的价值。 

附图说明

一下结合附图对本发明做详细的举例说明； 

图1为本发明CUDA并行计算计算机实现框图； 

图2为本发明CUDA并行计算实现流程框图。 

具体实施方式

实施例一 

图1所示，CUDA把计算分解成一个一个的线程kernel：kernel_1，kernel_2……kernel_M，每一个线程kernel就交给每一个网格Grid来完成，网格Grid又把任务划分为一个个的块Block，这里每一个网格Grid管理的块Block是有限的，Block这个层直接管理每一个线程T hread，在进行电力系统电磁暂态实时仿真的时候，就是将2k次的计算分配到不同的线程Thread中去，由于CUDA计算核的数量非常多，当2k小于这个数量时，在每一个2k的计算中可以将计算分解成更多的并行计算，通过开发适合CUDA程序执行模型的算法，并合理设置Block和Thread数目，可充分利用GPU强大的并行处理能力，解决电磁暂态海量数据的处理问题。 

实施例二 

图2所示，电力系统电磁暂态仿真要考虑发电机定子绕组及线路的电磁暂态过程，需全部用微分方程描述。这是些线性常微分方程组，经过简单变换，可以写成如下形式： 

dX/dt＝F(X)+G(U)     (1) 

X为系统状态变量矩阵 

采用两点欧拉法(其它方法原理相同)，即 

X_iⁿ⁺¹＝X_i^n-1+(2h)(dX_iⁿ/dt)     (2) 

将(1)代入(2)，得 

X_iⁿ⁺¹＝X_i^n-1+(2h)(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ))     (3) 

为保证计算方法的数值稳定性，用预测-校正的方法解方程组(3)，得到(4)式。这里，X_ipⁿ⁺¹预测值，X_icⁿ⁺¹为校正值 

X_ipⁿ⁺¹＝X_i^n-1+2h(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ))     (4) 

X_icⁿ⁺¹＝X_iⁿ+(h/2)(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ)+F_i(X_pⁿ⁺¹)+G_i(Uⁿ⁺¹))     (5) 

其中，i＝1，2，…，k 

(4)(5)包含2k个等式计算，但(4)式k个等式必须先计算，(5)式因需用到X_pⁿ⁺¹，Uⁿ⁺¹，所以必须等(4)式全部计算完才能计算。 

为实现2k个等式同时计算，将X_pⁿ⁺¹，Uⁿ⁺¹用X_pⁿ，Uⁿ代替，得到下式： 

X_icⁿ⁺¹＝X_iⁿ+(h/2)(F_i(Xⁿ)+G_i(Uⁿ)+F_i(X_pⁿ)+G_i(Uⁿ))      (6) 

联合(4)(6)即可实现2k个等式的并行计算。