專利名稱：基于cuda并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力控制領(lǐng)域，具體涉及基于CUDA并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真測試方法。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程和機(jī)電暫態(tài)過程，是兩個用不同數(shù)學(xué)模型表征、具有不同時間常數(shù)的物理過程。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析工具中，通常對這兩個過程分別進(jìn)行數(shù)字仿真。其中，相對于機(jī)電暫態(tài)仿真，電磁暫態(tài)模型的非線性和參量變化的瞬時性，大大增加了仿真的計(jì)算量和計(jì)算時間，實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)字仿真要困難得多。隨著區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)和直流輸電的發(fā)展以及FACTS、SVC等電力電子裝備在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，使得電網(wǎng)在規(guī)模上不斷擴(kuò)展，元件構(gòu)成上日趨復(fù)雜，不同物理特性的動態(tài)過程-電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)過程交織并行，成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的主要特征，使得電力系統(tǒng)分析和仿真技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。如何將大規(guī)模復(fù)雜電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真和對于局部系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真集成在一個進(jìn)程中，并進(jìn)一步使數(shù)字模擬和實(shí)際發(fā)生的物理過程同步，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)混合實(shí)時仿真是近年來電力系統(tǒng)數(shù)字仿真研究領(lǐng)域的前端課題。這一問題的解決，對分析研究電力系統(tǒng)動態(tài)特性，改善電力系統(tǒng)控制和保護(hù)水平，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，有著重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。目前電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)實(shí)時仿真平臺均由大型計(jì)算機(jī)組成的并行計(jì)算仿真平臺，動輒數(shù)百萬甚至上千萬人民幣。比如，世界上應(yīng)用最廣的電力系統(tǒng)實(shí)時數(shù)字仿真儀是由加拿大曼尼托巴RTDS公司開發(fā)制造的RTDS，是一種專門設(shè)計(jì)用于研究電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)現(xiàn)象的裝置。但由于其昂貴的售價，讓用戶對其望而卻步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種處理速度快，造價低廉的實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):基于數(shù)字化變電站電磁暫態(tài)實(shí)時仿真測試系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)包括以下步驟:a、電磁暫態(tài)仿真測試主機(jī)采用CPU+GPU方式，GPU應(yīng)用CUDA平臺并行計(jì)算架構(gòu)，仿真測試主機(jī)通過千兆以太網(wǎng)和各路信號采集設(shè)備連接；b、所述 CUDA 把計(jì)算分解成一個一個的線程(kernel):kernel_l, kerne 1_2......kernel_M,每一個線程(kernel)就交給每一個網(wǎng)格(Grid)來完成，網(wǎng)格(Grid)又把任務(wù)劃分為一個個的塊(Block)，這里每一個網(wǎng)格(Grid)管理的塊(Block)是有限的，塊(Block)這個層直接管理每一個線程(Thread)；C、在進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真的時候，就是將2k次的計(jì)算分配到不同的線程(Thread)中去，由于CUDA計(jì)算核的數(shù)量非常多，當(dāng)2k小于這個數(shù)量時，在每一個2k的計(jì)算中可以將計(jì)算分解成更多的并行計(jì)算，通過開發(fā)適合CUDA程序執(zhí)行模型的算法，并合理設(shè)置塊(Block)和線程(Thread)數(shù)目，可充分利用GPU強(qiáng)大的并行處理能力，解決電磁暫態(tài)海量數(shù)據(jù)的處理問題。d、具體計(jì)算方法采用線性常微分方程組，經(jīng)過簡單變換，可以寫成如下形式:dX/dt = F (X) +G (U)(I) X為系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣采用兩點(diǎn)歐拉法(其它方法原理相同)，即Xi11+1 = Xin^1+ (2h) (dXiVdt)(2)將⑴代入⑵，得Xi11+1 = Xin^1+ (2h) (Fi (Xn) +Gi (Un)) (3)為保證計(jì)算方法的數(shù)值穩(wěn)定性，用預(yù)測-校正的方法解方程組(3)，得到(4)式(這里，xipn+1預(yù)測值，xicn+1為校正值)Xipn+1 = X^+2h (Fi (Xn) +Gi (Un)) (4)Xicn+1 = Xi11+ (h/2) (Fi (Xn) +Gi (Un) +Fi (Xpn+1) +Gi (Un+1)) (5)其中，i= 1,2, k (4) (5)包含2k個等式計(jì)算，但(4)式k個等式必須先計(jì)算，(5)式因需用到Xpn+1，Un+1，所以必須等(4)式全部計(jì)算完才能計(jì)算；為實(shí)現(xiàn)2k個等式同時計(jì)算，將X:1，Un+1用Xpn，Un代替，得到下式:Xicn+1 = Xi11+ (h/2) (Fi (Xn) +Gi (Un) +Fi (Xpn) +Gi (Un)) (6)聯(lián)合(4) (6)即可實(shí)現(xiàn)2k個等式的并行計(jì)算。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):1、主要針對數(shù)字化變電站的仿真而不是全網(wǎng)或全系統(tǒng)的仿真，模型可以大大簡化，能夠?qū)鹘y(tǒng)仿真速度提高幾十至幾百倍，實(shí)現(xiàn)變電站電磁暫態(tài)實(shí)時仿真計(jì)算要求；2、由于CUDA并行計(jì)算平臺的成本相對于大型并行計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)并行計(jì)算機(jī)的成本大大降低，本專利提出的方法在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真上性能大幅提高、成本巨幅降低，具有廣泛推廣的價值。


一下結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細(xì)的舉例說明；圖1為本發(fā)明CUDA并行計(jì)算計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖；圖2為本發(fā)明CUDA并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)流程框圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一圖1所不，CUDA把計(jì)算分解成一個一個的線程kernel:kernel_l, kerne 1_2......kerne 1_M,每一個線程kernel就交給每一個網(wǎng)格Grid來完成，網(wǎng)格Grid又把任務(wù)劃分為一個個的塊Block，這里每一個網(wǎng)格Grid管理的塊Block是有限的，Block這個層直接管理每一個線程T hread，在進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真的時候，就是將2k次的計(jì)算分配到不同的線程Thread中去，由于CUDA計(jì)算核的數(shù)量非常多，當(dāng)2k小于這個數(shù)量時，在每一個2k的計(jì)算中可以將計(jì)算分解成更多的并行計(jì)算，通過開發(fā)適合CUDA程序執(zhí)行模型的算法，并合理設(shè)置Block和Thread數(shù)目，可充分利用GPU強(qiáng)大的并行處理能力，解決電磁暫態(tài)海量數(shù)據(jù)的處理問題。實(shí)施例二圖2所示，電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真要考慮發(fā)電機(jī)定子繞組及線路的電磁暫態(tài)過程，需全部用微分方程描述。這是些線性常微分方程組，經(jīng)過簡單變換，可以寫成如下形式:dX/dt = F (X) +G (U) (I)X為系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣采用兩點(diǎn)歐拉法(其它方法原理相同)，即Xi11+1 = Xin^1+ (2h) (dXiVdt) (2)將(I)代入⑵，得

Xi11+1 = Xin^1+ (2h) (Fi (Xn) +Gi (Un)) (3)為保證計(jì)算方法的數(shù)值穩(wěn)定性，用預(yù)測-校正的方法解方程組(3)，得到(4)式。這里，xipn+1預(yù)測值，xicn+1為校正值Xipn+1 = X^+2h (Fi (Xn) +Gi (Un)) (4)Xicn+1 = Xi11+ (h/2) (Fi (Xn) +Gi (Un) +Fi (Xpn+1) +Gi (Un+1)) (5)其中，i= 1,2,…，k(4) (5)包含2k個等式計(jì)算，但(4)式k個等式必須先計(jì)算，(5)式因需用到Xpn+1，Un+1，所以必須等(4)式全部計(jì)算完才能計(jì)算。為實(shí)現(xiàn)2k個等式同時計(jì)算，將X:1，Un+1用Xpn，Un代替，得到下式:Xicn+1 = Xi11+ (h/2) (Fi (Xn) +Gi (Un) +Fi (Xpn) +Gi (Un))(6)聯(lián)合(4) (6)即可實(shí)現(xiàn)2k個等式的并行計(jì)算。
權(quán)利要求
1.基于CUDA并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真測試方法，基于數(shù)字化變電站電磁暫態(tài)實(shí)時仿真測試系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)包括以下步驟: a、電磁暫態(tài)仿真測試主機(jī)采用CPU+GPU方式，GPU應(yīng)用CUDA平臺并行計(jì)算架構(gòu)，仿真測試主機(jī)通過千兆以太網(wǎng)和各路信號采集設(shè)備連接； b、所述CUDA把計(jì)算分解成一個一個的線程(kernel):kernel_l, kerne 1_2......kernel_M,每一個線程(kernel)就交給每一個網(wǎng)格(Grid)來完成，網(wǎng)格(Grid)又把任務(wù)劃分為一個個的塊(Block)，這里每一個網(wǎng)格(Grid)管理的塊(Block)是有限的，塊(Block)這個層直接管理每一個線程(Thread)； C、在進(jìn)行電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真的時候，就是將2k次的計(jì)算分配到不同的線程(Thread)中去，由于CUDA計(jì)算核的數(shù)量非常多，當(dāng)2k小于這個數(shù)量時，在每一個2k的計(jì)算中可以將計(jì)算分解成更多的并行計(jì)算，通過開發(fā)適合CUDA程序執(zhí)行模型的算法，并合理設(shè)置塊(Block)和線程(Thread)數(shù)目，可充分利用GPU強(qiáng)大的并行處理能力，解決電磁暫態(tài)海量數(shù)據(jù)的處理問題。
d、具體計(jì)算方法采用線性常微分方程組，經(jīng)過簡單變換，可以寫成如下形式: dX/dt = F (X) +G (U)(I) X為系統(tǒng)狀態(tài)變量矩陣 采用兩點(diǎn)歐拉法(其它方法原理相同)，即 Xi11+1 = Xin^1+ (2h) (dXiVdt) (2) 將⑴代人⑵，得Xi11+1 = Xin^1+ (2h) (Fi (Xn) +Gi (Un)) (3) 為保證計(jì)算方法的數(shù)值穩(wěn)定性，用預(yù)測-校正的方法解方程組(3)，得到(4)式(這里，Xipn+1預(yù)測值，Xicn+1為校正值) Xipn+1 = Xin^1+2h (Fi (Xn) +Gi (Un))(4) Xicn+1 = Xi11+ (h/2) (Fi (Xn) +Gi (Un) +Fi (Xpn+1) +Gi (Un+1)) (5)其中，i = I, 2,..., k (4)(5)包含2k個等式計(jì)算，但(4)式k個等式必須先計(jì)算，(5)式因需用到Xpn+1，Un+1，所以必須等(4)式全部計(jì)算完才能計(jì)算； 為實(shí)現(xiàn)2k個等式同時計(jì)算，將Xpn+1，Un+1用Xpn，Un代替，得到下式: Xicn+1 = Xi11+ (h/2) (Fi (Xn) +Gi (Un) +Fi (Xpn) +Gi (Un)) (6) 聯(lián)合(4) (6)即可實(shí)現(xiàn)2k個等式的并行計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于CUDA并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真測試方法，電磁暫態(tài)仿真測試主機(jī)采用CPU+GPU方式，GPU應(yīng)用CUDA平臺并行計(jì)算架構(gòu)，仿真測試主機(jī)通過千兆以太網(wǎng)和各路信號采集設(shè)備連接；主要針對數(shù)字化變電站的仿真而不是全網(wǎng)或全系統(tǒng)的仿真，模型可以大大簡化，能夠?qū)鹘y(tǒng)仿真速度提高幾十至幾百倍，實(shí)現(xiàn)變電站電磁暫態(tài)實(shí)時仿真計(jì)算要求；由于CUDA并行計(jì)算平臺的成本相對于大型并行計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)并行計(jì)算機(jī)的成本大大降低，本發(fā)明提出的方法在電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)實(shí)時仿真上性能大幅提高、成本巨幅降低，具有廣泛推廣的價值。
文檔編號G06F9/38GK103186366SQ201210241410
公開日2013年7月3日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者劉勁, 丁建義, 鄢軍華, 張孝山, 劉正方 申請人:深圳市康必達(dá)控制技術(shù)有限公司