电力系统暂态稳定性分布式并行仿真研究

论文摘要

跨大区互连以及市场化的运营机制是现代电力系统的特点,这一方面有利于电力资源的共享,另一方面也为保证系统的安全、稳定运行带来了新的挑战。如何实现大规模复杂系统的稳定性实时仿真分析,是当前的研究热点。原有的全网串行仿真难以实现此目的。近年来,随着高性能PC集群并行计算机的出现以及各种并行计算算法的提出,为这一目标的实现带来了希望。本文首先提出了一种基于预处理GMRES的不精确牛顿法暂态仿真新算法。该算法用Newton-GMRS内外两层迭代对表示系统暂态过程的微分代数方程组进行求解。在迭代的每一时步求解雅可比方程时,该算法先对其系数矩阵进行ILU分解预处理,形成等价的线性方程组,再用GMRES方法对等价方程组进行迭代求解。该算法结合了伪牛顿策略,即只有在时步Newton迭代次数较多情况下,才对雅可比矩阵进行更新,否则继续使用之前形成的雅可比矩阵,以达到加速仿真的目的。算例结果表明,该算法是有效的。本文对基于MPI的通信进行了研究。为了实现机电暂态的并行仿真,本文在介绍MPI的基本概念以及基本通信方式,即点对点通信和组通信的基础上,详细比较了点对点通信模式中的阻塞通信和非阻塞通信的各自特点,并利用非阻塞通信可以实现通信和计算同时进行的优点,实现了基于MPI的异步通信。最后,本文对机电暂态并行仿真进行了研究,提出了一种基于等值的机电暂态仿真并行异步新算法。其主要思想为:将原始网络分割为若干互联的子系统,这些子系统在仿真的每一时步进行相互等值,各个子系统利用其他子系统传递来的等值信息进行独立迭代计算,直至收敛。在等值信息传递过程中,该算法使用了异步策略,即子系统在迭代计算过程中,随时监听其他子系统是否有新的等值信息传来,从而能够及时更新等值信息,以达到加速迭代收敛的目的。算例结果表明,该算法不仅具有较高的等值精度,而且具有较快的计算速度,已能够实现实时在线仿真计算。本文的研究成果进一步丰富了电力系统机电暂态并行仿真计算方法,促进了电力系统机电暂态并行仿真计算的实用化进程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的和研究意义
• 1.2 电力系统暂态稳定性及其分析方法
• 1.2.1 电力系统暂态稳定性
• 1.2.2 暂态稳定性分析方法
• 1.3 线性方程组迭代求解新方法及其发展趋势
• 1.3.1 Krylov 子空间算法介绍
• 1.3.2 预处理过程介绍
• 1.4 暂态稳定并行计算的研究现状和发展趋势
• 1.4.1 暂态稳定并行算法介绍
• 1.4.2 并行计算机发展现状及其趋势
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 基于预处理GMRES 的不精确牛顿法暂态仿真
• 2.1 概述
• 2.2 不精确Newton 法及GMRES 法简介
• 2.2.1 不精确Newton 法
• 2.2.2 GMRES 算法
• 2.3 加速仿真过程的策略
• 2.3.1 基于伪牛顿法的迭代处理策略
• 2.3.2 基于ILU 预处理技术
• 2.3.3 结合不完全LU 分解预处理的GMRES 算法
• 2.4 结合伪牛顿策略的Newton-GMRES 算法的电力系统暂态仿真
• 2.5 算例及结果分析
• 2.5.1 预处理效果
• 2.5.2 计算精度
• 2.5.3 仿真速度
• 2.6 本章小结
• 第三章 MPI 介绍及其应用
• 3.1 概述
• 3.2 MPI 消息传递及其相关概念
• 3.2.1 MPI 消息的组成
• 3.2.2 消息标识
• 3.2.3 MPI 通信域
• 3.3 MPI 通信方式
• 3.3.1 点对点通信方式
• 3.3.2 组通信方式
• 3.4 提高通信效率的方法
• 3.4.1 自定义数据类型
• 3.4.2 数据的打包与解包
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于等值的电力系统机电暂态仿真并行异步算法
• 4.1 概述
• 4.2 并行算法的实现原理
• 4.2.1 系统分区策略
• 4.2.2 并行算法的实现
• 4.3 基于等值的机电暂态仿真并行异步算法
• 4.3.1 相邻子系统的等值处理策略
• 4.3.2 等值信息的传递和更新以及其中的异步策略
• 4.4 基于等值的机电暂态仿真并行异步算法的实现
• 4.5 算例及结果分析
• 4.5.1 算法的等值精度
• 4.5.2 算法的计算速度
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢