[發明專利]一種基于半隱式松弛的電磁暫態并行仿真方法及系統

在審

• 申請號: 202010981230.6
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112084674A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 姚蜀軍;龐博涵;姚逸凡
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/04
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 崔玥

本發明提供一種基于半隱式松弛的電磁暫態并行仿真方法，所述仿真方法包括如下步驟：以接地電容為邊界將交直流系統劃分為多個第一子網；利用半隱式松弛法對多個所述第一子網中的滿足單個支路形式或耦合支路形式的第一子網進行仿真，獲得半隱式松弛仿真結果；將多個所述第一子網中不滿足單個支路形式或耦合支路形式的第一子網構建成空間分布網絡；利用節點電壓法對所述空間分布網絡進行仿真，獲得空間分布仿真結果。從狀態方程積分格式出發，通過分析采用不同積分格式變量間的時間延遲特性，提出半隱式差分方程，構建基于半隱式松弛法的交直流系統的高效并行計算方法，提高了電磁暫態仿真度的速度。

技術領域

本發明涉及電磁暫態仿真技術領域，特別是涉及一種基于半隱式松弛的電磁暫態并行仿真方法及系統。

背景技術

隨著高壓直流輸電(high-voltage direct current，HVDC)、柔性交流輸電(flexible AC transmission system，FACTS)以及規?；履茉吹陌l展，大量電力電子裝置接入電網，使如今的電力系統呈現出電力電子化趨勢。電力電子裝置具有動作頻率高、暫態過程快的特點，含大量電力電子設備的系統不僅方程階數高，而且為保證數值穩定性需要采用小步長仿真，使得傳統的電磁暫態仿真和現有的商業化產品仿真速度慢，效率低。多速率仿真能夠提高仿真速度，但是當系統規模龐大時，仍然面臨著求解超高階線性代數方程組的問題。采用并行計算，將大規模交直流電網分割成若干個小規模同速率或不同速率的子網，既能實現大電網的降維，減少計算量，又可以借助并行計算技術，提高仿真效率。

傳統電磁暫態并行仿真的方法有很多，具體情況如下：

(1)傳輸線分網方法，當仿真步長小于電磁波在線路中的傳輸時間時，長輸電線路兩端的電磁聯系僅由前一時刻電氣量來反應，兩端無直接拓撲聯系，從而實現自然解耦。但該方法要求網絡分割必須在采用分布參數的長距離輸電線上進行，缺少靈活性，分割得到的子塊規模不一,不能滿足并行計算要求的同步性需要,使得并行計算效率降低。

(2)多區域戴維南等值法(Multiarea Thévénin Equivalent，MATE)，該方法基于節點撕裂或支路分割，將全網分成多個子網，每個子網由其多端口戴維南等值代替，與撕裂節點或分割支路共同構成一個規?？s小后的關聯網絡。子網數目和關聯網絡的規模及求解方法是影響仿真效率的重要因素。計算中需串行求解關聯網絡，計算效率比傳輸線自然分網低。

(3)波形松弛法(waveform relaxation，WR)，通過在變量間人為引入“松弛”，把全網分成多個子網，每個仿真步長內，各子網利用前面的迭代波形作為相關聯子系統的估計值,進而獨立并行求解各子系統的狀態變量波形，波形作為子系統間交互的信息和迭代收斂的判據。為了提高迭代的收斂性，提出了多窗口、重疊分區、多分裂、分步等技術和方法進行改進。波形松弛法子網間沒有關聯網絡，易于并行。但是引入的迭代過程，有時會導致計算量的成倍增加，失去其分網降維提高計算效率的優勢。

(4)延遲插入法(latency insert method，LIM)，通過給系統中的非電感支路附加小電感，給非電容接地節點附加并聯接地小電容，使得全系統的所有支路都成為電感支路，所有節點都通過并聯電容接地。經此處理，并通過在電感支路和電容支路的差分方程中引入“延遲”，使得各支路電流和節點電壓的求解相互解耦，可實現支路級別的細粒度并行。

(5)基于前向歐拉法的并行分網方法，通過將前向歐拉法應用于系統中的電感和電容，與電容并聯或與電感串聯的網絡可拆分為多個子網，端口用電壓源或電流源進行等效，可以不借助于傳輸線實現子網間的自然解耦，但是前向歐拉法較低的計算精度和非A數值穩定性限制了其應用。

此外，隨著硬件技術的發展，GPU計算能力已大大超越CPU，為并行仿真提供了一種低成本高性能的方法。一般來說，GPU更適合“細粒度”計算，而仿真過程中的線性方程組求解屬于“粗粒度”計算。在基于GPU的電磁暫態仿真中，即使采用了稀疏技術，與矩陣相關的計算環節也要占用將近60％的計算時間。