[發(fā)明專利]一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計算方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210431858.4
• 申請日: 2012-11-01
• 公開（公告）號: CN103793590A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李光耀;王文舉;王力生
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)潮流計算與分析的方法，具體來說涉及一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計算方法。

背景技術(shù)

在實際的電力系統(tǒng)維修、檢修或運行人員執(zhí)行調(diào)度方案過程中對相關(guān)設(shè)備進行開關(guān)合閘等操作時必然引起聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測儀表讀數(shù)的變化，相應(yīng)地在虛擬仿真系統(tǒng)中對此等操作事件的仿真也必須能夠給予正確的模擬響應(yīng)，從而反映出此等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備儀表讀數(shù)值的正確變化，否則仿真意義將大打折扣。

“潮流計算”是實現(xiàn)此目標(biāo)的關(guān)鍵核心，它的任務(wù)就是根據(jù)給定的運行條件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來確定整個系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)，如各母線上的電壓(幅值和相角)、網(wǎng)絡(luò)中的功率分布以及功率損耗等。其計算結(jié)果是電力網(wǎng)絡(luò)運行分析的基礎(chǔ)，可為電力系統(tǒng)運行人員進行電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、故障處理、無功優(yōu)化和狀態(tài)估計提供參考依據(jù)，在電網(wǎng)調(diào)度、運行分析、操作模擬和設(shè)計規(guī)劃中都發(fā)揮著重要的作用，是電力系統(tǒng)中最基本的、應(yīng)用最為廣泛的一種電氣計算。

基于潮流計算的重大應(yīng)用價值，眾多國內(nèi)外科研人員對其開展了深入研究。早期主要面向環(huán)狀結(jié)構(gòu)的高壓輸電網(wǎng)進行潮流計算分析。主要經(jīng)歷了高斯-賽德爾迭代算法、牛頓拉夫遜算法和國內(nèi)外廣泛使用的PQ分解算法三個研究發(fā)展階段。

90年代開始面向結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的配電網(wǎng)進行潮流計算研究。因配電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運行的特性，穩(wěn)態(tài)運行時多呈輻射狀，在發(fā)生故障或倒換負(fù)荷時，則呈短時環(huán)網(wǎng)運行結(jié)構(gòu)；且在線路參數(shù)上R/X比值較大，網(wǎng)絡(luò)的PQ節(jié)點多、PV節(jié)點較少等特點，使得傳統(tǒng)的牛頓拉夫遜算法、快速解耦法出現(xiàn)病態(tài)收斂、不再有效。

為此，許多學(xué)者針對配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性一方面對牛頓法、快速解耦法進行了改進，但使之求解復(fù)雜化，犧牲了原有算法的收斂性和穩(wěn)定性；另一方面陸續(xù)提出了前推回代類算法、回路阻抗法等新配電網(wǎng)潮流的計算方法。

其中前推回代類算法具有線性收斂、魯棒性好、求解速度快、內(nèi)存占用少等優(yōu)異特性，適用于輻射狀配電網(wǎng)的潮流計算。但在應(yīng)用于環(huán)狀或含有PV節(jié)點的配電網(wǎng)潮流計算分析時，需進行特殊處理從而增加了求解難度，通用性、收斂性不強。

S.K.Goswani等人提出的回路阻抗法，與上述算法相比，具有網(wǎng)孔處理能力強、收斂性好、穩(wěn)定性高，適用范圍廣等優(yōu)點。但在計算機求解過程中存在下述問題：(1)為利用稀疏矩陣技術(shù)簡化回路阻抗矩陣的LU分解，王守相等人將配電網(wǎng)樹狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)二叉樹形式進行節(jié)點編號優(yōu)化，加大了算法復(fù)雜度，限定了中間節(jié)點狀態(tài)的求解順序，改變了配電網(wǎng)原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不便于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；王丹提出鄰接表與二叉樹結(jié)合的方式進行節(jié)點編號優(yōu)化便于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)但也無法進行有環(huán)配電網(wǎng)阻抗矩陣的自動化生成。(2)CPU對阻抗矩陣進行LU分解時，劉耀年等人采用一定的技巧對對角線元素和相鄰元素進行了優(yōu)化，但因阻抗矩陣為對稱滿秩矩陣在計算過程中矩陣元素仍將占用大量內(nèi)存，計算速度會隨著節(jié)點數(shù)目的大量增加而大幅下降。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種運算速度高、適用范圍廣的基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計算方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計算方法，該方法包括以下步驟：

A、對配電網(wǎng)上的發(fā)電站節(jié)點以及各個負(fù)荷節(jié)點進行編號，形成配電網(wǎng)原始接圖；

B、根據(jù)節(jié)點數(shù)目和節(jié)點間的連接關(guān)系構(gòu)建十字鏈表；

C、通過電壓互感器檢測配電網(wǎng)中各個節(jié)點間的電壓，電壓互感器的二次側(cè)經(jīng)交流插件和A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號輸出至GPU計算處理，根據(jù)配電網(wǎng)的原始接圖以及配電網(wǎng)各個節(jié)點之間的電流流向關(guān)系，構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣；

D、根據(jù)十字鏈表判斷配電網(wǎng)中是否含有環(huán)網(wǎng)，若是，則破壞該環(huán)網(wǎng)處的閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點，增加一個虛擬節(jié)點，相應(yīng)地修改十字鏈表，并在關(guān)聯(lián)矩陣中增加閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點破壞后的虛擬節(jié)點編號的行與列，同時調(diào)整關(guān)聯(lián)矩陣中的元素值，若否，則直接執(zhí)行步驟E；

E、通過十字鏈表和關(guān)聯(lián)矩陣，構(gòu)建除了發(fā)電站之外的配電網(wǎng)中所有負(fù)荷節(jié)點的初始阻抗矩陣Z，通過GPU迭代求解配電網(wǎng)潮流，并將計算結(jié)果在相應(yīng)儀表中顯示。

所述的十字鏈表中包括頂點結(jié)點和邊結(jié)點。