大规模电力系统潮流计算的分布式GESP算法

并行计算已成为大规模电力系统潮流计算的主要解决手段之一。为取得良好的加速比和并行效率,基于GESP算法提出牛顿法潮流迭代计算中修正方程组求解的分布式算法。根据方程组系数矩阵非零元主要集中于对角带及高度稀疏等特点确定系数矩阵的超节点,并基于超节点的边界将潮流修正方程组的系数矩阵划分为若干个2维分块矩阵以实现分块存储;在LU分解过程中,采用基于流水线技术的并行分解以提高计算速度。本文设计了分布式存储的并行算法,并应用于3000、12000节点等不同规模电力系统。算例分析表明:在网络达到2000节点及以上时,本文分布式GESP法相对串行计算和分布式牛顿法具有明显的速度优势。     

基于预处理共轭梯度法的电力系统机电暂态仿真

把基于不完全LU分解的预处理共轭梯度法(ILUCG)用于电力系统暂态稳定仿真计算,提出了一种与矩阵方程直接求解法相结合的混合算法.该方法采用不完全LU分解对暂态稳定计算中的雅可比矩阵进行预处理,以改善其条件数;对预处理之后的方程组,采用改进的共轭梯度法进行迭代求解,在系统收敛困难的情况下,改用直接求解法求解矩阵方程;在迭代过程中,充分利用当前已有的预处理后的等价雅可比矩阵进行迭代计算,而当雅可比矩阵及相关变量变化较大时,重新计算雅可比矩阵并进行相应的预处理操作,以提高算法的效率和计算速度;多个算例表明,对于电力系统暂态仿真的计算,本文算法的计算速度明显优于直接分解求解法和单纯的ILUCG,并易于在并行计算平台上实现,具有一定的实际应用前景.     

最优潮流的原对偶内点法矢量化实现

为提高计算速度,采用矢量化技术实现最优潮流计算.通过将同类型的优化变量集中排列,建立最优潮流模型的矢量化表达形式.采用原对偶内点算法求解该模型,建立梯度矩阵及海森矩阵线性组合的矢量化计算公式.求解修正方程时,对系数矩阵进行近似处理,对修正方程系数矩阵采用LDLT算法进行分解.采用近似最小度(AMD)算法对系数矩阵进行排序,减少分解所产生的注入元.基于C/C++开发电力系统矢量运算支持库,设计动态稀疏存储策略进一步提升最优潮流程序的计算速度.对多个测试系统进行仿真计算表明:矢量化可简化最优潮流的程序逻辑并提高程序运行速度.     

基于多进程的电力系统频域特征值并行搜索算法

对大规模电力系统进行小干扰稳定分析时,特别是在线动态安全预警系统中,由于系统线性化矩阵的规模庞大,求解特征值的串行算法难以满足计算速度的要求.近年来,多核CPU技术发展迅速,充分利用多核CPU的计算机硬件资源,采用并行计算技术是大幅提高小干扰稳定计算速度的有效途径.提出了基于多进程的电力系统频域特征值并行搜索算法,并应用于国内广泛使用的电力系统小干扰稳定性分析程序(PSD-SSAP)中.该算法具有计算准确、实现简单、并行计算效率高等优点.实际大规模电力系统的算例测试和分析验证了该算法的正确性和有效性.     

电力系统负荷裕度的并行计算方法研究

为实现电力系统负荷裕度的快速、准确计算,该文以直接法为基础,提出一种基于CPU-GPU混合架构的电力系统负荷裕度并行求解方法。首先,根据电压稳定临界点处潮流雅可比矩阵奇异,且零特征值对应的特征向量不为0的特点,构造一组表征电压稳定临界点性质的非线性方程组;然后,在采用牛顿法求解该非线性方程组过程中,为减少计算量和计算复杂度,将修正方程降阶变换为4组同系数矩阵的低维线性方程组;在此基础上,采用雅可比预处理器和不完全LU分解预处理器(incompleteLUdecomposition preconditioner,ILU)相结合的两阶段预处理方法对降维后的线性方程组的系数矩阵进行预处理,改善系数矩阵特征值分布,进而采用基于GPU加速的双共轭梯度稳定法(biconjugategradientstabilizedmethod,BICGSTAB)实现降维线性方程组求解的并行化,提高负荷裕度的计算效率;最后,通过多组测试系统算例对所提算法的准确性、有效性和快速性进行分析、验证。结果表明,文中所提算法可实现电力系统负荷裕度的快速、准确计算。     

基于半张量理论的电力系统稳定域边界逼近:（一）理论基础

电力系统稳定域边界的逼近一直是应用能量函数方法分析电力系统暂态稳定的难点.基于半张量理论,文中给出了逼近电力系统稳定域边界的矩阵方程.通过矩阵运算,可以获得电力系统稳定域边界的高阶逼近表达式.所提出的算法没有对系统进行任何形式的非线性变换,不需要求解系统所有的特征根与特征向量,也无需进行时域积分;算法充分保留了系统的非线性结构,形式简洁.由于该算法完全基于矩阵运算,因此非常适于计算机实现.     

多核并行计算技术在电力系统短路计算中的应用

考虑到大型电力系统分析计算耗时过多,提出一种适用于电力系统分析计算的多核并行技术.以短路计算为例,详细给出了如何采用多核并行计算将节点矩阵分解后求解的基本流程.通过仿真分析验证了所述方法,对算法使用前后的效果进行了对比.在此基础上,针对华中电网的节点模型,进行了故障计算的测试,并比较了多核并行计算方法与基于集群计算方法...     

大规模电网并行潮流算法

提出了一种大规模电力系统并行潮流算法。该算法将电力网络划分成若干个子网,以子网为计算节点、联络线为支路构造浓缩网格,进行潮流计算时通过双向迭代方法交替实现对网格和网格中计算节点的牛顿法线性增量方程的求解。该算法有效提高了电力系统潮流方程联立求解的效率,为大规模电力系统并行潮流计算提供了方法。在新英格兰测试系统和我国东北电网上进行了验算,结果验证了算法的有效性和合理性。     

基于预处理共轭梯度迭代法的电力系统状态估计算法

随着中国电网省地一体化和输配一体化的不断发展,电力系统计算的维度越来越高.状态估计作为电力系统态势感知中的基础环节,需要保证其实时性,而加权最小二乘法是电力系统运用最广泛的状态估计方法.为此,针对加权最小二乘法在牛顿迭代过程中矩阵乘法和线性方程组求解耗时较长的特点,根据Krylov子空间方法中共轭梯度法的思想,设计了一种基于预处理共轭梯度迭代法的电力系统状态估计算法.该方法采用不完全LU分解法对原始线性方程组进行预处理,并采用图形处理器(GPU)并行加速技术对矩阵乘法、线性方程预处理和共轭梯度法迭代进行加速.算例分析表明了文中方法加速效果明显,内存和显存占用较低,经过不完全LU分解法预处理的线性方程组迭代次数少,能够满足大规模电力系统状态估计的实时性要求.     

基于二维链表的稀疏矩阵在潮流计算中的应用

介绍了一种基于二维链表的稀疏矩阵存储方法,并将该方法应用到潮流计算中.通过改进二维链表的存储结构、用LU扩展的方法计算LU分解过程中的注入元位置、在稀疏矩阵中预先增加冗余元素存储注入元、针对LU分解的特点优化潮流方程的结构等技术,实现了对稀疏矩阵技术和潮流方程的优化,从而进一步提高了潮流计算的效率.对大系统的潮流计算证明,与传统的潮流算法相比,采用改进二维稀疏矩阵技术的潮流算法的计算速度显著提高,特别适合大规模电力系统的潮流计算.     

提高预处理共轭梯度法计算大型电网潮流时并行性能的方法

研究了如何提高预处理共轭梯度(preconditioned conjugate gradient,PCG)法计算大网络交流潮流时的并行性能,提出了一种新的并行处理方法——并行节点分配法,即将节点导纳矩阵和节点出力的数据以节点为单位分派给各个处理器,在各个处理器中完成余下的计算处理部分。算例分析表明,在使用PCG法进行大网络交流潮流计算时,并行节点分配法在并行性能上具有一定的优势,进而为PCG法在大网络交流潮流并行计算中的应用提供了可借鉴的经验。     

基于Beowulf集群的大电力系统可靠性评估蒙特卡罗并行仿真

研究了大电力系统可靠性评估并行仿真问题:分别采用状态采样法和系统状态转移采样法进行Monte-Carlo并行仿真。建立了与收敛判据相结合的任务分配拓扑结构,并根据2种采样方法的不同需要采用了不同的伪随机数生成方式,详细地分析了配合收敛控制的异步模拟过程,最后基于构建的Beowulf集群环境进行测试系统的可靠性评估计算。2种Monte-Carlo并行仿真方法均得到较高的加速比和并行效率,其可靠性指标的计算结果亦与串行环境下得到的结果基本保持一致。该文所做工作是对国外若干电力系统可靠性评估并行仿真研究的深入和发展。     

一种基于OpenMP和MPI的非序贯蒙塔卡罗暂态稳定评估的动态混合并行化方法

为了提高暂态稳定性分析中非序贯蒙塔卡罗串行算法的计算效率,提出并实现了一种基于OpenMP和MPI的风险评估混合动态并行算法。利用动态规划规则将蒙塔卡罗抽样样本点以MPI方法分配给计算机集群上的多个PC进程,再在各进程内采用多线程的并行计算模式对系统故障的分析处理的循环部分进行OpenMP并行分解。大量实验模型的测试和数据分析表明,在保证准确度的前提下,算法取得了理想的并行效率,普通集群最高达到了3.28倍的加速比,混合集群最高达到了5.06倍的加速比。     

基于集群机的大规模电力系统暂态过程并行仿真

由于传统的串行计算方法无法满足互联电力系统在线动态安全分析和实时仿真的要求，研究高效的电力系统暂态并行仿真算法及其软件已成为电力系统动态实时仿真的关键。该文基于集群系统，提出一种利用电力系统区域特性的多重化网络划分方案，弥补了传统网络划分算法在计算规模和划分质量上的不足；并提出了一种基于分块思想、消息传递与动态多线程相结合的网络方程分层算法及其实现策略，缩短了网络方程的计算时间，解决了暂态仿真中计算量突增的问题，提高了算法的并行效率和整体性能。同时，文中还简化了暂态稳定算法迭代流程，改进了全局收敛判定方法，有效地减少了算法计算量和通信损耗。实际电网的数值计算结果表明，文中提出的算法计算加速比高，实时性好，因此研制的电力系统动态并行仿真程序能够满足大规模电力系统暂态过程实时仿真、甚至超实时仿真的要求。     

大规模交直流电力系统并行计算数字仿真综述

论述了大规模交直流电力系统并行计算数字仿真方法。首先,介绍了4种可并行计算的电力系统数字仿真工具,对各自特点和适用性进行了分析。其次,对比研究了基于频率响应的等值方法、Ward等值方法以及基于物理等效的动态等值方法等3种电力系统等值方法,并分析了各自的优缺点。然后,从模型转换与对应、元件布局与连接以及子系统划分与分核3个方面,详细研究了基于PSCAD/EMTDC仿真工具的交直流大系统并行计算方法。同时,全面分析了基于RT LAB的大规模交直流电力系统并行计算方法,并对系统的初始化进行了详细分析。     

含大量继保和安自装置的连锁故障并行仿真软件研发

基于MPI实现了一种基于用户自定义建模思想的含有大量继电保护和安全自动装置的连锁故障并行仿真软件。软件首先采用面向对象的用户自定义建模方法,完成大量继电保护和安全自动装置建模;然后采用分网并行和分组并行计算技术,将大规模电网进行网络分割,分配给子网进程;将大量继电保护和安全自动装置模型进行分组划分,分配给外接进程。任务分配后的数据被提交到并行集群上,执行连锁故障的并行仿真。由于子网进程和外接进程由不同的CPU并行计算,程序效率得以提高,能在用户可接受的时间内完成大电网的连锁故障仿真。     

一种暂态稳定约束TTC评估的分布式并行计算方法

在预想故障集下,针对大规模互联电力系统的暂态稳定约束最大输电能力（TTC）评估问题,提出了一种基于任务级的分布式并行计算方法———优化的工作站群的计算方法。该分布式并行计算方法把异构分布式计算资源加以融合,实现有效的动态负载均衡,从而最大化利用系统的整体计算性能,具有良好的动态扩展性与容错性。应用所提出的方法对具有1 101个母线和97台发电机的中国某实际电网进行了测试。测试结果表明,该分布式并行计算方法是实用有效的。     

基于PSCAD/EMTDC的大规模新能源并网电磁暂态并行仿真

随着大规模新能源并网,大量电力电子元器件的接入使传统电网电磁暂态特性发生了很大改变,无论从算法还是计算规模上都对电网仿真提出了新要求。在PSCAD（电力系统计算机辅助设计）上搭建了含新能源接入的内蒙古电网电磁暂态模型,实现全网的电磁暂态精确仿真;基于集群并行仿真技术,解决了因计算规模过大导致无法计算或仿真效率低的问题;进一步提出了基于节点矩阵规模的网络均衡整合方法,减少了计算资源的占用率。仿真结果表明,集群并行技术可有效提升新能源并网电磁暂态模型的仿真效率;同时,在保证仿真速度的前提下创新研究的网络均衡整合方法,可实现计算资源的利用效率优化。     

基于PSCAD/EMTDC的大规模新能源并网电磁暂态并行仿真

随着大规模新能源并网,大量电力电子元器件的接入使传统电网电磁暂态特性发生了很大改变,无论从算法还是计算规模上都对电网仿真提出了新要求。在PSCAD（电力系统计算机辅助设计）上搭建了含新能源接入的内蒙古电网电磁暂态模型,实现全网的电磁暂态精确仿真;基于集群并行仿真技术,解决了因计算规模过大导致无法计算或仿真效率低的问题;进一步提出了基于节点矩阵规模的网络均衡整合方法,减少了计算资源的占用率。仿真结果表明,集群并行技术可有效提升新能源并网电磁暂态模型的仿真效率;同时,在保证仿真速度的前提下创新研究的网络均衡整合方法,可实现计算资源的利用效率优化。