基于优化分网策略的有源配电网多速率并行暂态仿真分析EI北大核心CSCD

随着配电网元件种类日益丰富和分布式电源渗透率不断提高,网络动态过程更加多样化,配电网暂态仿真的难度进一步加大。针对目前有源配电网并行暂态仿真方法未考虑元件动态响应速度对仿真计算量的影响和仿真步长需求的问题,提出了一种基于优化分网策略的自适应变步长多速率并行仿真方法。考虑不同元件暂态响应速度和计算量的差异,提出了以CPU多核心计算均衡和核心间交互数据量最小为目标的有源配电网优化分网策略;在此基础上建立了元件接口等效模型和子任务协调模型,提出了CPU子任务间多速率并行、子任务内部仿真步长自适应调整的并行仿真方法,达到加速暂态仿真的目的。通过对变电站同一母线的12条出线进行仿真测试,验证了所提并行仿真方法能够满足配电网暂态的仿真需求,在保证仿真精度的同时大幅提高计算速度。     

基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究(二):系统架构与算例验证

有源配电网暂态实时仿真需要较强的计算能力作为支持,因此提出基于现场可编程门阵列的有源配电网暂态实时仿真中系统级并行、模块级并行以及底层并行的多层级并行架构,并研究了各层级并行的实现方式。利用模块级并行以及底层并行的设计思想,使用Verilog HDL语言开发了基于浮点数运算的配电网暂态实时仿真系统。为验证该实时仿真系统的有效性,选取典型配电网络并以2?s的仿真步长进行了实时仿真测试,充分验证了所提配电网暂态实时仿真系统在仿真速度、仿真规模方面的优势,通过与Matlab/SimPowerSystems的计算结果进行比较,验证了该系统的仿真精度。     

基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究(二):系统架构与算例验证EI北大核心CSCD

有源配电网暂态实时仿真需要较强的计算能力作为支持,因此提出基于现场可编程门阵列的有源配电网暂态实时仿真中系统级并行、模块级并行以及底层并行的多层级并行架构,并研究了各层级并行的实现方式。利用模块级并行以及底层并行的设计思想,使用Verilog HDL语言开发了基于浮点数运算的配电网暂态实时仿真系统。为验证该实时仿真系统的有效性,选取典型配电网络并以2?s的仿真步长进行了实时仿真测试,充分验证了所提配电网暂态实时仿真系统在仿真速度、仿真规模方面的优势,通过与Matlab/SimPowerSystems的计算结果进行比较,验证了该系统的仿真精度。     

基于FPGA-CPU的双馈风电系统异步协同仿真

为实现双馈风电系统的并网及暂态实时仿真，研究了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)与CPU协同仿真的多速率并行实时仿真方法。使用开关函数法对双馈风电系统中“背靠背”换流器建模并进行资源优化，基于PWM均值化原理完成不同步长系统之间的模型分割。利用FPGA运行速率高的优点，以200 ns的步长实现了“背靠背”换流器的小步长仿真。面向有源配电网实时仿真的需求，实现了FPGA与自主研发的实时仿真机(universal real-time experimental platform, UREP)的200 ns/50 并行协同仿真。通过与Simulink离线仿真结果对比，同时分析模型优化前后的FPGA资源消耗情况，验证了协同仿真的实时性与准确性，可为各类风电系统的并网及暂态研究提供技术参考。     

有源配电网典型暂态模型及区域分割并行仿真方法研究

随着分布式电源(distributed generation,DG)逐渐接入配电网,配电网动态过程更为复杂,为准确了解其动态特性及对配电网的影响,需借助相关暂态仿真工具,但串行仿真的计算性能受限,限制了其应用。以有源配电网实时仿真系统(active distribution network simulator,ADN-SIM)为基础,提出一种基于节点分裂适用于含DG配电网的并行暂态仿真计算方法,对含DG配电网进行暂态详细建模,提出改进区域分割配电网并行仿真方法,并在IEEE 33节点系统中验证了并行仿真方法的正确性。基于此方法,在某62节点实际网络中详细分析配电网中故障和暂态过程。所提方法适用于多种有源配电网暂态过程,且能实现仿真速度提升。     

基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究(一):功能模块实现

随着配电网技术的发展,有源配电网及其数字仿真技术受到越来越多的重视。现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)具有高度硬件并行结构、资源丰富、运行频率高、成本低等优点。面向有源配电网的仿真需求,提出基于FPGA的暂态实时仿真器的计算求解框架,并给出基本无源元件、线路、电源、断路器等多个关键功能模块的硬件实现方式。所提暂态实时仿真方法,充分利用FPGA具有的高度并行特性以及流水线结构,采用浮点数运算保证数值精度,为后续基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统的进一步开发奠定了基础。     

基于传输线分网的并行多速率电磁暂态仿真算法

研究基于传输线的并行全隐式多速率电磁暂态仿真算法。建立全隐式多速率电磁暂态仿真的基本理论模型,并结合传输线方程,建立了并行化多速率电磁暂态仿真算法。此算法并行化程度高于现有全隐式多速率算法,计算效率得到提升。同时提出了保证基于传输线的并行多速率算法稳定性的网络判据,并通过数学理论证明了判据的有效性。仿真研究表明,基于传输线的并行全隐式多速率电磁暂态仿真可能不稳定,采用了文中提出的稳定判据对分网进行调整后,仿真稳定。     

基于时间尺度变换的大步长电磁暂态仿真

传统电磁暂态仿真步长小,速度慢,限制了仿真规模。该文通过对解析信号特性的分析,利用欧拉公式提出一种时间尺度变换方法实现大步长仿真,建立RLC基本元件和电压源型换流器(voltage source converter,VSC)在时间尺度旋转坐标系下的模型,基于此方法设计了考虑多频率成分的大规模混联电网的多速率快速电磁暂态仿真框架。对含有电力电子设备或希望详细仿真的部分采用小步长仿真,对其他部分,采用大步长仿真。小步长和大步长按传输线接口。对比分析时间尺度变换和所提仿真框架与传统电磁暂态仿真、dq0变换、动态相量法、频率偏移法、频率自适应法等方法的特点,并用仿真算例验证方法的可行性和有效性。     

宽频时间尺度变换多速率电磁暂态仿真研究

随着直流输电、FACTS以及规模化新能源发电等电力电子装置的接入,电力系统运行发生了重大变化。传统电磁暂态仿真由于步长小、速度慢,大规模交直流混联电网运行分析中不再适用。该文提出一种能够考虑多频率成分的宽频时间尺度变换方法实现电磁暂态的大步长仿真。结合CPU技术的最新发展,研究直流和交流系统在时间尺度变换中仿真步长的合理配置方案;通过对交流系统频率响应特点的分析,研究大步长仿真在宽频时间尺度变换下主导频率的选取问题,设计交直流混联系统宽频时间尺度变换多速率电磁暂态仿真策略;应用经验模态分解法按时–频特性分解和提取信号、计算多时间尺度变换的主导频率。该方法避免了频率相关网络等值(frequencydependentnetworkequivalent,FDNE)复杂的系统辨识、动态相量法无法处理系统频率波动,忽视系统谐振频率存在隐患等问题。仿真算例验证了方法和策略的可行性和有效性。     

基于多FPGA的有源配电网实时仿真器并行架构设计

有源配电网实时仿真是研究系统动态特性、模拟实际运行环境、测试保护控制策略的有效手段。文中利用现场可编程门阵列(FPGA)的固有高并行度、深度流水线、分布式存储资源,设计并开发了基于多FPGA的具有多层级并行架构的有源配电网实时仿真器。面向实时仿真器的可扩展性需求,首先采用物理解耦的方法对有源配电网的数学模型进行粗粒度分割,进而将得到的子系统进行细粒度模型分割。在此基础上将分割后的模型映射到对应的FPGA中,通过协调分配硬件资源,形成系统级—单元级—模块级—元件级多层级并行的实时仿真架构。针对含多个光伏发电单元、储能单元的配电网实现了实时仿真,通过与PSCAD/EMTDC结果的比较,验证了提出的多层级并行架构的有效性。     

基于FPGA的变流器并行多速率电磁暂态实时仿真方法

随着电力电子器件越来越多地融入现代电力系统,对微秒级步长实时化电磁暂态仿真的需求不断增加,通过现场可编程门阵列（FPGA）提高仿真系统的计算能力是实现变流器实时化仿真的重要途径。引入FPGA作为硬件加速设备优化仿真系统的实时性能,提出一种变流器多速率实时仿真方法。针对控制系统多速率解耦和并行计算时序产生的误差进行分析,采用结合拉格朗日插值的改进线性插值算法有效降低了控制系统解耦后多速率并行仿真时序下的延迟误差。仿真结果证明,所提出的仿真方法与无插值算法的并行计算相比精度更高。性能分析验证了基于该算法所建立的仿真平台相比于单独基于中央处理器（CPU）或FPGA实现的仿真平台,在实时性能和资源占用率方面具有一定优势。     

基于超算的大电网数字并行仿真系统构建及应用

交直流大电网日趋复杂,仿真计算精细度和作业量大幅增加,为了解决运行仿真分析中"算不快"的问题,国家电网构建了基于超算的数字并行仿真系统。首先介绍了该系统总体架构,包含超算平台、数据平台和协同计算平台3部分,实现了海量机电暂态、电磁暂态、机电–电磁混合仿真作业的任务并行和分网并行处理,并可面向"国–分–省"三级调度提供远程云仿真服务;然后介绍了系统构建中研发的大电网多层级分网并行、厂家直流控保模型联合仿真等关键技术;最后通过暂态故障批量扫描、实际电网故障反演等应用验证了仿真系统的计算效率和精度。     

基于GPU的交直流电力系统暂态稳定双层并行仿真

我国交直流电力系统的日益扩大与复杂化对暂态稳定仿真的速度与精度提出了更高的要求。为此,提出了一种基于图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)计算平台的暂态稳定双层并行算法。第一层为"交-直并行",考虑直流系统动态的独立性,将交流系统与直流系统解耦,分别部署在CPU和GPU上计算。第二层为"直流系统时间并行",直流系统在小步长下采用详细模型仿真,进一步在时间并行算法的框架下,使用GPU模拟实现了流水线计算,可灵活设置流水线条数,对多个直流系统多积分时步并行求解。最后,使用2个算例验证了该算法的有效性与实用性。计算结果表明:该算法可有效提高计算速度,为交直流系统稳定分析提供了新的解决思路。     

新能源高占比电力系统电磁暂态并行仿真的优化分网方法

为提升含大规模多类型电力电子设备的大型电力系统电磁暂态仿真效率，提出基于层次聚类预分网、预分网下的聚合分网优化问题数学建模和基于改进非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)优化求解的并行仿真优化分网框架及方法。首先基于层次聚类网络约减对大型系统进行化简，降低原始系统的复杂程度。然后基于典型仿真耗时实测对元件相对计算量进行统一表征，将预分网后的聚合分网问题转化为多目标优化问题。并通过改进NSGA-Ⅱ得到优化分网的Pareto解集，再基于加权欧氏距离最小值法获得最优分网方案。最后通过对比同一算例系统下不分网、基于Metis工具的分网以及所提方法的分网结果，验证了所提方法的有效性。     

光伏阵列组态优化控制策略分析

我国交直流电力系统的日益扩大与复杂化对暂态稳定仿真的速度与精度提出了更高的要求。为此,提出了一种基于图形处理器（Graphics Processing Unit,GPU）计算平台的暂态稳定双层并行算法。第一层为“交-直并行”,考虑直流系统动态的独立性,将交流系统与直流系统解耦,分别部署在CPU和GPU上计算。第二层为“直流系统时间并行”,直流系统在小步长下采用详细模型仿真,进一步在时间并行算法的框架下,使用GPU模拟实现了流水线计算,可灵活设置流水线条数,对多个直流系统多积分时步并行求解。最后,使用2个算例验证了该算法的有效性与实用性。计算结果表明：该算法可有效提高计算速度,为交直流系统稳定分析提供了新的解决思路。     

电力系统电磁暂态实时仿真中并行算法的研究

该文从软件开发的角度出发,提出了一种解决电磁暂态实时仿真问题的分网并行算法.算法中采用"节点分裂"进行网络分割,采用子网内部节点电压方程与子网之间边界点电压相等的关系联合求解网络,并结合长输电线解耦法,在电科院开发的实时仿真器ADPSS中实现了电磁暂态分网并行计算,使网络中任意点都可以作为边界点进行网络分割.该算法不但能保持长输电线解耦法并行计算的较高并行效率,还能提高分网并行的灵活性.实际系统的计算结果表明:文中所提出的网络并行算法是正确和有效的;节点分裂法即可用于交直流电力系统实时仿真分网并行计算,以实现交直流系统实时仿真.也可应用于电力系统电磁暂态仿真与机电暂态仿真接口计算中,实现电力系统电磁暂态仿真与机电暂态仿真的混合仿真.     

基于同构有向图的电网多场景仿真GPU批量并行加速方法

针对交直流电网复杂动态过程的分析离不开准确高效的批量电磁暂态仿真工具。为解决批量电磁暂态仿真效率低的问题,设计了基于同构有向图的电磁暂态仿真GPU批量并行加速方法。首先,提出了用以描述电磁暂态仿真流程的双层并行模型,并进一步提出了面向多场景电磁暂态仿真的同构有向图计算模型。最终,设计了面向多场景批量计算的线程体结构和GPU计算内核。测试结果表明,在NVIDIA P100平台上,针对风机网侧变流器的扫频分析与PSCAD相比加速可达400倍;针对13节点光储微电网的1024个场景批量相比多核CPU可加速80倍。本文算法通过深入发掘场景之间的同构计算特性和指令级并行特性,实现了显著的加速效果。     

基于状态变量分析的有源配电网电磁暂态仿真自动建模方法

状态变量分析法是电力系统电磁暂态仿真中的一类重要方法,但复杂的建模过程限制了其在实际研究中的应用,对于配电网等大规模系统而言必须考虑易于程序实现的一般性建模方法。提出了一种面向有源配电系统电磁暂态仿真的状态空间自动建模方法,与传统方法相比充分考虑了当前配电网络的实际结构特点与元件特性,并通过选取适当的状态变量保证了模型规模较小、模型性质满足分析需要,同时特别易于算法的程序自动实现,为各种基于状态变量分析的电力系统电磁暂态仿真、分析、计算方法的研究奠定了基础。     

基于PSCAD/EMTDC的特高压直流输电系统并行仿真研究与应用

为提升特高压直流输电系统仿真效率,提出了基于PSCAD/EMTDC的多核并行仿真方法。通过模型拆分和多进程并行运算,该方法解决了大规模直流系统离线电磁暂态仿真无法运行或者效率低的问题。首先,介绍了一次系统和控制保护装置的高精度建模方法和原则。然后,针对一次系统,在长线路自然解耦的基础上,提出一种基于主回路现有元件的等效短线路解耦方法,解决了在无线路或者短线路情况下分网并行的接口问题,并制定了一次系统解耦分网方案。最后,为解决多仿真进程并行之间的通信和同步问题,设计了基于共享内存的多进程并行方法。以雁门关-淮安特高压直流工程为例搭建多核并行模型,通过对比试验验证了该并行方法可大大提升仿真效率,且不会影响仿真精度。     

考虑变换器损耗特性的小步长实时仿真方法

小步长实时仿真是开展电力电子变换器硬件在环测试亟需的关键技术。考虑损耗特性可使实时仿真器响应特性更贴近实际,有效评估控制和调制策略效率。现有基于电感/电容等效的小步长模型存在虚拟损耗,无法精确计算仿真损耗。为此,文章提出考虑损耗特性的小步长模型,采用物理元件等效和构造离散系统相结合的方法,基于响应匹配的思想求解模型参数并给出稳定域。针对器件开关暂态损耗不易实时仿真的问题,通过推广冲量定理,提出具有较高通用性的暂态损耗等效算法。算例表明,相较于LC模型,所提算法有效抑制开关失真震荡并消除关断状态损耗,大幅提高动态特性和稳态特性,具有较高的仿真精度。