[發(fā)明專利]一種基于GPU的大規(guī)模電力系統(tǒng)潮流并行計(jì)算的系統(tǒng)及其方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310588919.2
• 申請(qǐng)日: 2013-11-19
• 公開（公告）號(hào): CN103617150B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳德?lián)P;江涵;徐得超;李亞樓
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 國家電網(wǎng)公司;中國電力科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G06F17/16
• 分類號(hào): G06F17/16
• 代理公司: 北京安博達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11271
• 代理人: 徐國文

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電網(wǎng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體講涉及一種基于GPU的大規(guī)模電力系統(tǒng)潮流并行計(jì)算的系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)

潮流計(jì)算的任務(wù)是根據(jù)給定的運(yùn)行條件確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。具體地說就是已知電網(wǎng)的接線方式與參數(shù)及運(yùn)行條件，計(jì)算電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行各母線電壓、各支路電流、功率及網(wǎng)損。對(duì)于正在運(yùn)行的系統(tǒng)，通過潮流計(jì)算可以判斷電網(wǎng)母線電壓、支路電流和功率是否越限，如有越限則調(diào)整運(yùn)行方式。對(duì)于正在規(guī)劃的電力系統(tǒng)，潮流計(jì)算可以為選擇電網(wǎng)的供電方法和電氣設(shè)備提供依據(jù)。除此之外，潮流計(jì)算還可以為繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置整定計(jì)算、電力系統(tǒng)故障計(jì)算和穩(wěn)定計(jì)算等等提供潮流初值。

潮流計(jì)算的計(jì)算結(jié)果是進(jìn)行電力系統(tǒng)靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算的基礎(chǔ)。一些故障分析以及優(yōu)化計(jì)算也需要潮流計(jì)算作配合。這些都是潮流計(jì)算在電力系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式分析安排中的應(yīng)用，屬于離線計(jì)算的范疇。隨著現(xiàn)代化的調(diào)度控制中心的建立，為了對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)控，需要根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提供的信息，隨時(shí)判斷系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀況并對(duì)預(yù)想事故進(jìn)行安全分析。這就需要進(jìn)行廣泛的潮流計(jì)算，并且對(duì)計(jì)算速度提出了更高的要求，從而產(chǎn)生了潮流的在線計(jì)算。

潮流計(jì)算作為電力系統(tǒng)計(jì)算的基礎(chǔ)，其方法可以運(yùn)用到很多其他仿真計(jì)算場合，稀疏線性方程組的算法在很多涉及計(jì)算的場合也均有應(yīng)用。潮流計(jì)算的計(jì)算平臺(tái)有CPU、GPU、FPGA等等。GPU和CPU在芯片設(shè)計(jì)上有很大的不同。CPU芯片中將更多的晶體管用于構(gòu)造復(fù)雜的控制單元和緩存，并以此來提高少數(shù)執(zhí)行單元的執(zhí)行效率。GPU芯片中則沒有這些復(fù)雜的控制單元，但是卻擁有大量的執(zhí)行單元。根據(jù)這樣的芯片設(shè)計(jì)，CPU更適合處理邏輯性強(qiáng)的工作，GPU更適合并行度高，基本不需要邏輯，程序分支少的工作。根據(jù)GPU芯片的特點(diǎn)，配合其使用的顯存也和內(nèi)存有比較大的不同。內(nèi)存芯片一般采用DDR SDRAM，而顯存芯片一般采用GDDR SDRAM。盡管GDDR由DDR改進(jìn)而來，采用的是相似的技術(shù)，但是兩者在性能上還是有所不同。顯存的帶寬更高，延遲更高(400到800個(gè)時(shí)鐘周期)；內(nèi)存的帶寬較低，延遲也很低。

并行系統(tǒng)中耗費(fèi)時(shí)間最多的數(shù)值分解模塊在算法上沒有分支，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上全部使用簡單的一維數(shù)組，所以不需要復(fù)雜的邏輯判斷；在計(jì)算過程中沒有額外的指令需求，所以計(jì)算量上沒有增加。性能上唯一的瓶頸指向了存儲(chǔ)器的讀取與寫入。在我們這個(gè)程序數(shù)值分解過程中，整體數(shù)據(jù)量不大，但是數(shù)據(jù)存取寫入次數(shù)頻繁，這導(dǎo)致了程序性能低下。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于GPU的大規(guī)模電力系統(tǒng)潮流并行計(jì)算方法，具體涉及用于加速牛頓-拉夫遜法潮流計(jì)算的基于GPU的潮流計(jì)算雅克比矩陣并行生成模塊，稀疏矩陣并行分解模塊、前代回代算法模塊。潮流計(jì)算的核心是求解潮流方程，從數(shù)學(xué)的角度上講，這是一個(gè)非線性的方程組。牛頓-拉夫遜法是求取非線性方程組近似解的常用辦法，其核心思想是將非線性方程組的求解轉(zhuǎn)化為一系列的線性方程組的求解。由于電力網(wǎng)絡(luò)稀疏的特點(diǎn)，潮流方程轉(zhuǎn)化得到的一系列線性方程組系數(shù)矩陣均為稀疏矩陣。為了減少矩陣分解的數(shù)值計(jì)算量，減少矩陣分解過程中的非零元填充，會(huì)采用MD(最小度)算法或者M(jìn)DML(最小度最小層)算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新編號(hào)。為了解析稀疏矩陣的元素依賴關(guān)系，指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)消去順序，常常引入消去樹結(jié)構(gòu)。矩陣分解通常分為符號(hào)分解、數(shù)值分解幾部分，符號(hào)分解確定矩陣分解過程中的非零元填充位置，隨后的數(shù)值分解確定矩陣分解的數(shù)值結(jié)果。矩陣分解過程完成后，求解過程稱為前代回代過程。其實(shí)質(zhì)為連續(xù)求取系數(shù)矩陣為下三角矩陣和上三角矩陣的兩個(gè)線性方程組。

本發(fā)明在GPU上并行實(shí)現(xiàn)了牛頓-拉夫遜法潮流計(jì)算中的循環(huán)迭代過程，并通過大規(guī)模電網(wǎng)的潮流計(jì)算對(duì)算法正確性、有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)。系統(tǒng)首先將計(jì)算所需數(shù)據(jù)全部傳送到顯存上，然后雅克比矩陣并行生成模塊為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)線程，每個(gè)線程負(fù)責(zé)生成雅克比矩陣中的一行數(shù)據(jù)。生成的雅克比矩陣將按照消去樹分層并行的方式以秩為二的矩陣為最小單位元素進(jìn)行分解。準(zhǔn)備處理消去樹某層節(jié)點(diǎn)時(shí)，矩陣并行LU分解模塊將為該層的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)線程，每個(gè)線程均按照up-looking的節(jié)點(diǎn)消去方法對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消去。雅克比矩陣數(shù)值分解完成之后，同樣按照消去樹分層并行的方式執(zhí)行前代回代過程。其中，

潮流計(jì)算：潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)分析中的一種最基本的計(jì)算，他的任務(wù)是對(duì)給定的運(yùn)行條件確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如各母線上的電壓(幅值及相角)、網(wǎng)絡(luò)中的功率分布及功率損耗等。