CN108646587B - 一种emtdc并行仿真方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种EMTDC并行仿真方法及系统，将仿真模型中的控制保护模块进行分组成至少一个控制保护仿真工程，在其中一个控制保护仿真工程中加入一次系统模块；在各控制保护仿真工程中设置仿真步长开始模块、步长运行模块，仿真步长开始模块用于同步所有控制保护仿真工程，步长运行模块用于放置分组后的控制保护仿真工程；设置分组后的各控制保护仿真工程的仿真步长和仿真时间，开始仿真；仿真步长开始模块判断仿真工程是否仿真结束。本发明将控制保护模块和一次系统模块并行仿真，该方法不依赖于ENI接口划分子网的方式，可以任意将直流输电仿真模型中的控制保护模块分组，大大提高了直流输电仿真模型的仿真速度。

Description

一种EMTDC并行仿真方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统离线仿真技术领域，特别涉及一种EMTDC并行仿真方法及系统。
背景技术
在高压直流输电工程中，为了研究系统特性，经常需要使用PSCAD/EMTDC软件建立详细的离线仿真模型。PSCAD/EMTDC(全称Power System Computer Aided Design)是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，EMTDC是其仿真计算核心，PSCAD为EMTDC(Electromagnetic Transients including DC)提供图形操作界面。其中，一次系统模型使用PSCAD自带模型库搭建，二次控制保护系统由用户使用自定义模块方式搭建。如公开号为“CN106208127A”，名称为“用于次同步振荡分析的高压直流输电系统仿真建模方法”的中国专利，该专利具体涉及到采用电磁暂态仿真工具PSCAD/EMTDC，尤其涉及一种用于次同步振荡分析的高压直流输电系统仿真建模方法，通过建立高压直流输电系统精细化的电磁暂态仿真模型，包括高压直流输电系统换流站一次系统建模和高压直流输电控制保护系统仿真建模。
为了准确模拟实际控制保护系统特性，需要对每一个控制保护系统建模。以一个特高压双阀组直流输电工程为例，需要对多达46个控制保护系统建模。按照此方式搭建的直流输电系统仿真模型运行速度缓慢，运行1s通常需要20s的仿真时间。
由于单个EMTDC工程模型通过一个可执行文件运行，且不支持多线程，只能分配到1个CPU核运行。对于单个工程模型来说使用多核CPU无法提高仿真速度。为了提高仿真速度，可以通过使用高主频的CPU来加速仿真，但CPU主频提升的空间有限，目前CPU的主频上限为4GHz。
PSCAD软件从4.6版本开始支持并行计算。其采用的并行计算策略主要是基于长输电线路解耦法。其原理是：当仿真步长小于电磁波在该段线路上的传输时间时，可以将电气网络自然分割，并在此基础上分块并行计算。使用ENI模块可以通过传输线，将一个大的电力网络分解为子网络，每个子网络在单独的工程模型(可执行文件)中运行。每个可执行文件是一个进程，分别被分配到单独的CPU上执行，这样就可以充分利用多核CPU的性能，提高仿真速度。这种并行仿真的方式如图1所示。
使用ENI模块划分子网的方式，仅仅针对于一次系统电气网络的分核并行仿真，且必须通过一段一定长度的传输线来分成多个仿真工程来分核执行。在特高压直流输电系统详细仿真模型中，计算负荷最大的倒不是一次系统模型。通常一次系统模型在2倍仿真时间内即可执行完毕，而二次控制保护系统模型需要20倍左右时间才能执行完毕。在这种情形下，使用ENI模块划分子网方式，无法提高整个直流输电系统模型的仿真速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种EMTDC并行仿真方法及系统，用于解决现有技术中直流输电系统模型的仿真速度慢的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种EMTDC并行仿真方法，包括如下步骤：
1)按照直流输电仿真模型中非一次系统元件的计算负荷将仿真模型中的控制保护模块分组成至少一个控制保护仿真工程，在其中一个控制保护仿真工程中加入一次系统模块，各控制保护仿真工程中包括至少一个控制保护模块；
2)在各控制保护仿真工程中设置仿真步长开始模块、步长运行模块，所述仿真步长开始模块用于同步所有控制保护仿真工程，所述步长运行模块用于放置分组后的控制保护仿真工程；
3)设置分组后的各控制保护仿真工程的仿真步长和仿真时间，开始仿真；
4)仿真步长开始模块判断仿真工程是否仿真结束，若仿真已经结束，则由仿真步长开始模块更新当前仿真时间。
进一步地，还设置了仿真步长结束模块，所述仿真步长结束模块用于通知所有工程当前步长仿真计算已经结束；在仿真结束后，仿真步长结束模块在所有工程及模块均执行完当前步长的仿真计算后，控制进行下一个步长的仿真计算。
进一步地，仿真步长开始模块中需设置参数，所述参数包括与各控制保护仿真工程对应的序号，以及控制保护仿真工程的总个数。
进一步地，各分组后的控制保护仿真工程中设置有至少一个通信模块，所述通信模块用于分组后的各控制保护仿真工程之间的通信以及各控制保护仿真工程中的各控制保护模块、各控制保护模块及一次系统模块之间的通信。
本发明还提供了一种EMTDC并行仿真系统，包括分组模块、仿真步长开始模块、步长运行模块及仿真模块，所述分组模块用于按照直流输电仿真模型中非一次系统元件的计算负荷将仿真模型中的控制保护模块分组成至少一个控制保护仿真工程，在其中一个控制保护仿真工程中加入一次系统模块，各控制保护仿真工程中包括至少一个控制保护模块；所述仿真模块用于在各控制保护仿真工程中设置仿真步长开始模块、步长运行模块，所述仿真步长开始模块用于同步所有控制保护仿真工程，所述步长运行模块用于放置分组后的控制保护仿真工程，并设置分组后的各控制保护仿真工程的仿真步长和仿真时间，开始仿真；仿真步长开始模块判断仿真工程是否仿真结束，若仿真已经结束，则由仿真步长开始模块更新当前仿真时间。
进一步地，还设置了仿真步长结束模块，所述仿真步长结束模块用于通知所有工程当前步长仿真计算已经结束；在仿真结束后，仿真步长结束模块在所有工程及模块均执行完当前步长的仿真计算后，控制进行下一个步长的仿真计算。
进一步地，仿真步长开始模块中需设置参数，所述参数包括与各控制保护仿真工程对应的序号，以及控制保护仿真工程的总个数。
进一步地，各分组后的控制保护仿真工程中设置有至少一个通信模块，所述通信模块用于分组后的各控制保护仿真工程之间的通信以及各控制保护仿真工程中的各控制保护模块、各控制保护模块及一次系统模块之间的通信。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种可以使直流输电仿真模型中的控制保护模块或一次系统模块并行执行的方法，该方法不依赖于ENI模块划分子网的方式，可以任意将直流输电仿真模型中的控制保护模块分组成至少两个控制保护仿真工程，其中一个控制保护仿真工程中放置有一次系统模块，在各控制保护仿真工程中中设置仿真步长及仿真时间，开始并行仿真，大大提高了直流输电仿真模型的仿真速度。
各分组后的控制保护仿真工程中设置有至少一个通信模块，通信模块用于分组后的各控制保护仿真工程之间的通信以及各控制保护仿真工程中的各控制保护模块、各控制保护模块及一次系统模块之间的通信，各工程、各模块之间通过共享内存通信交换数据，大大增强了通信效率。
附图说明
图1为使用ENI模块实现并行仿真的原理示意图；
图2为StepStart模块的主要实现流程图；
图3为新建工程中加入StepStart、StepRun、StepEnd模块示意图；
图4为在StepRun模块中加入控制保护仿真工程的示意图；
图5为把所有仿真工程加入放置集的示意图；
图6为设置仿真步长和仿真时间的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
一种EMTDC并行仿真系统，包括分组模块、仿真步长开始模块、步长运行模块及仿真模块，分组模块用于按照直流输电仿真模型中非一次系统元件的计算负荷将仿真模型中的控制保护模块进行分组，分组后包括至少一个控制保护仿真工程，在其中一个控制保护仿真工程中加入一次系统模块，各控制保护仿真工程中包括至少一个控制保护模块；仿真模块用于在各控制保护仿真工程中设置仿真步长开始模块、步长运行模块，仿真步长开始模块用于同步所有控制保护仿真工程，步长运行模块用于放置分组后的控制保护仿真工程，并设置分组后的各控制保护仿真工程的仿真步长和仿真时间，开始仿真；仿真步长开始模块判断仿真工程是否仿真结束，若仿真已经结束，则由仿真步长开始模块更新当前仿真时间。
采用EMTDC并行仿真系统对直流输电仿真模型进行仿真，包括以下步骤：
步骤1：根据原有直流输电仿真模型中非一次系统元件的计算负荷，将直流输电仿真模型中的各控制保护模块进行分组成至少一个控制保护仿真工程，在其中一个控制保护仿真工程中加入一次系统模块，各控制保护仿真工程中包括至少一个控制保护模块。
步骤2：在分组后的控制保护仿真工程中，加入仿真步长开始模块StepStart、步长运行模块StepRun、仿真步长结束模块StepEnd；仿真步长开始模块用于同步所有分组后的仿真工程，步长运行模块用于放置分组后的控制保护仿真工程，仿真步长结束模块用于通知其他仿真后的工程仿真计算已经完成。
步骤3：在步长运行模块StepRun内放置各控制保护仿真工程，使用ShrM_RW模块添加必要的数据交换逻辑，ShrM_RW模块为数据交换模块，通信模块用于分组后的各控制保护仿真工程之间的通信以及各控制保护仿真工程中的各控制保护模块、各控制保护模块及一次系统模块之间的通信，可以设置为读或写。该模块需要设置读写的起始位置号Start和数据维数Dim，当为读模式时，还需要设置从哪个仿真工程读。该模块写数据时写入自己的数据区，读数据时需要从读数据区读入，读数据区的同步由StepStart模块完成。在这里，各参与分组的模块在写数据时，写入自身的数据区，在读数据时从其他模块的数据区读入。
步骤4：把分组后的各控制保护仿真工程加入到一个新建仿真集中。
步骤5：统一设置分组后的各控制保护仿真工程的仿真步长和时间，运行仿真集开始仿真。
上述步骤2中，StepStart模块是当前步长第一个执行的模块，用于分组后的多个控制保护仿真工程间的同步，确保在所有的工程都执行完当前步长的计算后，再进行下一个步长的计算。StepEnd模块为当前步长最后一个执行的模块，用于向公共数据区写入当前工程的计算完成标志位。StepRun为页面式子模块(module)，用于放置仿真模型中的控制保护仿真工程。StepStart模块需要设置参数NodeID和TotalUsedNodes。NodeID为分组后工程的序号，TotalUsedNodes为分组后工程的个数，NodeID设置为1的仿真工程为主仿真工程，非1的仿真工程为从仿真工程。
主仿真模块中的仿真步长开始模块判断当前步长下所有分组后的控制保护仿真工程的仿真是否已经结束，若仿真计算已经结束，各控制保护仿真工程在自身当前步长计算完成后置位自身的计算完成标志位，且由主仿真模块的仿真步长开始模块更新当前仿真时间，更新数据读写模块中的数据，清除所有分组后的工程仿真结束标志，置位所有分组后的工程的步长开始标志位，否则拆分后的各工程等待自身的步长开始标志，若步长开始标志已置位，则程序继续执行。然后分组后的各工程判断当前步长时间与自身的时间是否相等，若相等则程序继续执行，否则进入等待状态。
具体的，仿真步长开始模块StepStart实现的主要流程如附图2所示。NodeID设置为1的模块判断当前步长是否都计算完毕，若都计算完毕后置All Node StepEnd信号为1，并更新当前步长的时间StepTime。NodeID非1的工程检测到All Node StepEnd信号后，判断步长时间StepTime和自身的时间NodeTime是否相等，若不相等则一直等待。
下面以一个具体的实例说明EMTDC并行仿真方法，包括以下步骤：
1)根据原有仿真模型XZ_P1_GC1_0819中非一次系统元件的计算负荷，确定仿真模型中控制保护模块的分组方式。
按照站、极、控制、保护的方式共分为9个工程：
XZ_P1_GC1_0819_Elec、
XZ_P1_GC1_0819_Ctrl_S1P1、
XZ_P1_GC1_0819_Ctrl_S1P2、
XZ_P1_GC1_0819_Ctrl_S2P1、
XZ_P1_GC1_0819_Ctrl_S2P2、
XZ_P1_GC1_0819_Prot_S1P1、
XZ_P1_GC1_0819_Prot_S1P2、
XZ_P1_GC1_0819_Prot_S2P1、
XZ_P1_GC1_0819_Prot_S1P2。
2)在新建的工程XZ_P1_GC1_0819_Elec中，加入StepStart、StepRun、StepEnd3个模块，并设置好StepStart模块的参数，如附图3所示。其它工程也要按照类似方法处理。
3)打开程XZ_P1_GC1_0819_Elec中StepRun模块，放置原仿真模型中的一次系统模块，使用ShrM_RW模块添加必要的数据交换逻辑，并设置好参数，如附图4所示。所不同的是，在其他控制保护仿真工程中放置的控制保护模块。
4)把各控制保护仿真工程加入到一个新建仿真集XZ_SIM中，如附图5所示。
5)统一设置分组后的工程的仿真步长和仿真时间，如附图6所示，运行仿真集即可开始并行仿真。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种EMTDC并行仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按照直流输电仿真模型中非一次系统元件的计算负荷将仿真模型中的控制保护模块分组成至少两个控制保护仿真工程，在其中一个控制保护仿真工程中加入一次系统模块，各控制保护仿真工程中包括至少一个控制保护模块；
2）在各控制保护仿真工程中设置仿真步长开始模块、步长运行模块和仿真步长结束模块，所述仿真步长开始模块用于同步所有控制保护仿真工程，确保在所有的控制保护仿真工程都执行完当前仿真步长的计算后，再进行下一个仿真步长的计算；所述步长运行模块用于放置分组后的控制保护仿真工程；所述仿真步长结束模块用于通知所有控制保护仿真工程当前仿真步长的仿真计算已经结束；
3）设置分组后的各控制保护仿真工程的仿真步长和仿真时间，开始仿真；主仿真模块中的仿真步长开始模块判断所有的控制保护仿真工程是否仿真结束，若所有的控制保护仿真工程的仿真已经结束，则主仿真模块中的仿真步长开始模块更新当前仿真时间；
4）各控制保护仿真工程的仿真步长开始模块检测到所有的控制保护仿真工程的仿真已经结束后，判断到更新后的仿真时间与自身的时间相等时，开始下一个仿真步长的仿真计算。
2.根据权利要求1所述的EMTDC并行仿真方法，其特征在于，仿真步长开始模块中需设置参数，所述参数包括与各控制保护仿真工程对应的序号，以及控制保护仿真工程的总个数。
3.根据权利要求2所述的EMTDC并行仿真方法，其特征在于，各分组后的控制保护仿真工程中设置有至少一个通信模块，所述通信模块用于分组后的各控制保护仿真工程之间的通信以及各控制保护仿真工程中的各控制保护模块、各控制保护模块及一次系统模块之间的通信。
4.一种EMTDC并行仿真系统，其特征在于，包括分组模块、仿真步长开始模块、步长运行模块及仿真模块，所述分组模块用于按照直流输电仿真模型中非一次系统元件的计算负荷将仿真模型中的控制保护模块分组成至少两个控制保护仿真工程，在其中一个控制保护仿真工程中加入一次系统模块，各控制保护仿真工程中包括至少一个控制保护模块；所述仿真模块用于在各控制保护仿真工程中设置仿真步长开始模块、步长运行模块和步长结束模块，所述仿真步长开始模块用于同步所有控制保护仿真工程，确保在所有的控制保护仿真工程都执行完当前仿真步长的计算后，再进行下一个仿真步长的计算，所述步长运行模块用于放置分组后的控制保护仿真工程，所述仿真步长结束模块用于通知所有控制保护仿真工程当前仿真步长的仿真计算已经结束，并设置分组后的各控制保护仿真工程的仿真步长和仿真时间，开始仿真，主仿真模块中的仿真步长开始模块判断所有的控制保护仿真工程是否仿真结束，若所有的控制保护仿真工程的仿真已经结束，则主仿真模块中的仿真步长开始模块更新当前仿真时间；各控制保护仿真工程的仿真步长开始模块检测到所有的控制保护仿真工程的仿真已经结束后，判断到更新后的仿真时间与自身的时间相等时，开始下一个仿真步长的仿真计算。
5.根据权利要求4所述的EMTDC并行仿真系统，其特征在于，仿真步长开始模块中需设置参数，所述参数包括与各控制保护仿真工程对应的序号，以及控制保护仿真工程的总个数。
6.根据权利要求5所述的EMTDC并行仿真系统，其特征在于，各分组后的控制保护仿真工程中设置有至少一个通信模块，所述通信模块用于分组后的各控制保护仿真工程之间的通信以及各控制保护仿真工程中的各控制保护模块、各控制保护模块及一次系统模块之间的通信。
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