CN110783897A - 基于gpu加速的电网短路电流并行计算的方法和系统 - Google Patents

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和敬涵
王小君
陈颖
尚博阳
林龙
徐春雷
余璟
张宸赓
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Beijing Jiaotong University
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Abstract

本发明提供了基于GPU加速的电网短路电流并行计算的方法和系统，用于大型电力系统批量三相对称节点短路电流并行计算，首先根据大电网数据网络信息同时对各节点短路时节点短路电流计算，然后同时对各节点短路后各节点电压进行批量计算，最后同时对各节点短路后各支路电流进行批量并行求解，有效克服了现有考虑三相对称节点短路情况下各节点短路电流计算时间较长的不足，进一步为大电网设计及整定提供实时有效数据。

Description

基于GPU加速的电网短路电流并行计算的方法和系统
技术领域
本发明涉及电网安全领域，尤其涉及一种用于大型电力系统批量三相对称节点短路电流并行计算的基于GPU加速的短路电流并行计算的方法和系统。
背景技术
短路电流计算是影响电力系统安全运行的最重要的计算任务之一。随着大容量发电机组和变电站设备的大量使用，电力系统变得越来越复杂，用于短路电流计算的方程具有相当大的规模。更重要的是，在求取不同节点短路时大电网各支路电流，通常需要依次求解线性方程，这导致大规模电网系统的顺序计算可能非常耗时。目前，图形处理单元(GPU)技术迅速发展。与标准中央处理器(CPU)相比，GPU在浮点计算和内存带宽方面具有卓越的性能，并以低成本提供高性能计算。
近年来，大多数关于短路电流的研究都集中在模型构建和预测方法上。X Xu,《Anovel method for predicting short circuit current of 220kV sub-transmissionnetwork and its application》Automation of Electric Power Systems,2007,31(16):103-106.提出了一种用于预测独立220kV区域的短路电流的计算模型。这些方法主要为电网设备选择和电网结构设计提供参考，但不能有效地实时计算电网实际运行过程中的短路电流。此外，传统的短路电流计算方法只能针对单个故障。但是，在许多场景中，需要考虑所有短路故障。如果同时计算所有故障短路电流，则传统方法耗时且费力。J Liu,Z Ma,JYan,《Online real-time calculation of short-circuit current based on improvedgradient estimation algorithm》Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(10):65-70.提供了实时计算故障后与短路电流相关的基波参数，主要用于单个短路的设计和实际操作。但是，在应用到大规模电网中它没有达实时计算和评估的效率。MWang,Y Chen,S Huang,《Power flow computation method for large-scale ill-conditioned systems applied to CPU and GPU coordination architecture》Automation of Electric Power Systems,vol.42,no.10,May 25,2018.是基于CPU-GPU架构来解决大规模病态潮流计算，而连续牛顿法结合GPU在潮流解决方法中具有一定的参考意义。在求解结果的过程中，前代回代部分仍然基于CPU，而不是在GPU上进行，这降低了GPU在大电网中的应用效率。
发明内容
本发明的实施例提供了一种基于GPU加速的电网短路电流并行计算的方法和系统，用以解决现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
基于GPU加速的电网短路电流并行计算的方法，包括如下步骤：
根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流；
根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压；
根据节点短路后各节点电压计算所有单个节点短路下各支路电流。
优选地，根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流还包括：
通过公式
Figure BDA0002214758510000021
计算获得单个节点短路电流；其中，Zff为单个节点短路时的自阻抗。
优选地，通过公式计算单个节点短路电流包括如下子步骤：
将单个节点短路时自阻抗Zff进行处理，获得数组Z＝[Z11，Z22，...，Znn]，求解该数组Z获得单个节点短路电流。
优选地，求解数组Z获得单个节点短路电流包括：
对数组Z中各个元素求逆运算，获得数组I＝[I11，I22，...，Inn]；其中，第i个元素表示节点i短路后其节点短路电流。
优选地，根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压包括：
通过公式
Figure BDA0002214758510000023
计算获得各节点短路后各节点电压；其中，为节点i短路后其节点短路电流。
优选地，通过公式计算获得各节点短路后各节点电压包括：
将单个场景的各节点短路后各节点电压组成n维向量；
将n种场景链接在一起，生成n维电压矩阵V，
Figure BDA0002214758510000031
求解该电压矩阵V，获得各节点短路后各节点电压。
优选地，生成n维电压矩阵V包括：
设置单个线程计算单个节点电压；
分配n*n个线程数；
上述两个子步骤同时执行，获得电压矩阵V。
优选地，根据节点短路后各节点电压计算所有单个节点短路下各支路电流包括：
对n个场景m条支路的电流进行链接，获得矩阵I；
对m条支路起始节点和终止节点进行链接，获得两个矩阵Vf和Vt；
对m条线路的阻抗进行处理，获得m维对角线矩阵Z′；
对矩阵I、矩阵Vf、矩阵Vt和矩阵Z′进行转换，获得计算式
Figure BDA0002214758510000033
Figure BDA0002214758510000034
求解上述计算式，获得所有单个节点短路下各支路电流。
第二方面，本发明提供基于GPU加速的电网短路电流并行计算的系统，包括：
第一解析计算子系统，用于根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流；
第二解析计算子系统，用于根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压；
第三解析计算子系统，用于根据节点短路后各节点电压计算所有单个节点短路下各支路电流。
优选地，第一解析计算子系统通过公式
Figure BDA0002214758510000041
计算获得单个节点短路电流；其中，Zff为单个节点短路时的自阻抗。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的短路电流并行计算的方法和系统，首先根据大电网数据网络信息同时对各节点短路时节点短路电流计算，然后同时对各节点短路后各节点电压进行批量计算，最后同时对各节点短路后各支路电流进行批量并行求解，有效克服了现有考虑三相对称节点短路情况下各节点短路电流计算时间较长的不足。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于GPU加速的电网短路电流并行计算的方法的流程图；
图2为执行本发明提供的方法的测试系统的计算结果示意图；
图3为本发明提供的基于GPU加速的电网短路电流并行计算的系统的逻辑框图。
图中：
1至39节点；G.发电机；
301.第一解析计算子系统 302.第二解析计算子系统 303.第三解析计算子系统。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
参见图1，本发明提供的基于GPU加速的电网短路电流并行计算的方法，用于大型电力系统批量三相对称节点短路电流并行计算，包括如下步骤：
根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流；
根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压；
根据节点短路后各节点电压批量同时计算所有单个节点短路下各支路电流。
本发明提供的短路电流并行计算的方法，首先根据大电网数据网络信息同时对各节点短路时节点短路电流计算，然后同时对各节点短路后各节点电压进行批量计算，最后同时对各节点短路后各支路电流进行批量并行求解，有效克服了现有考虑三相对称节点短路情况下各节点短路电流计算时间较长的不足。
进一步的，在一些优选的实施例中，计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流的方式为根据大电网节点导纳矩阵的逆矩阵并求解；例如
通过公式计算获得单个节点短路后短路电流；其中，Zff为单个节点短路时的自阻抗。
若同时计算大电网系统所有节点n分别短路后各自节点短路电流，则需要进行运算此公式n次，但是，在每一次公式计算中，其数据没有相关性，故该部分具有优良并行性，因此，在更进一步的计算方式中将单个节点短路时自阻抗Zff进行处理，获得数组Z＝[Z11，Z22，...，Znn]，求解该数组Z获得单个节点短路电流；
进而，对数组Z中各个元素求逆运算，获得数组I＝[I11，I22，...，Inn]；其中，第i个元素表示节点i短路后其节点短路电流。
进一步的，对于每一个场景支路电流计算，其关键在于节点短路后各节点的电压值计算，需要根据f节点短路电流和Z矩阵对应列元素进行计算。在一些优选实施例中，根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压的方式为通过公式计算获得各节点短路后各节点电压；其中，
Figure BDA0002214758510000062
为节点i短路后其节点短路电流；
假设系统有n个非参考节点、m条支路，则每一个场景各节点电压需要进行n次不相关计算，而在n种场景下短路后节点电压计算并不相关，因此，将一个场景中各节点每个节点电压组成n维向量，再将n种场景链接在一起，生成n维电压矩阵V，故批量节点电压计算可转化为：
Figure BDA0002214758510000063
在GPU计算矩阵时，可将每一个线性方程安排到一个线程进行计算，即一个线程计算单个节点电压，分配n*n线程数同时计算便可以得到矩阵V。
得到矩阵V后，重新安排线程。每一个场景各支路电流需要根据短路后各节点电压进行计算。对于n个场景m条支路求解时，需要对该公式进行计算n*m次，现对n个场景m条支路的电流链接成矩阵I，m支路起始节点和终止节点进行链接组成两个矩阵Vf和Vt，m条线路阻抗处理为m维对角线矩阵Z′。故可将n*m次计算转换成公式进行矩阵运算。
Figure BDA0002214758510000065
Figure BDA0002214758510000066
可得到最终短路后各支路电流计算结果I。对于每一个场景需要m个线程计算，共配置数目为m*n个线程即可完成。
本发明提供一个实施例，用于示例性地展示一个完整的计算流程：
S1通过公式
Figure BDA0002214758510000071
将单个节点短路时自阻抗Zff进行处理，获得数组Z＝[Z11，Z22，...，Znn]；
S2对数组Z中各个元素求逆运算，获得数组I＝[I11，I22，...，Inn]并求解，获得第i个元素表示节点i短路后其节点短路电流；
S3基于公式
Figure BDA0002214758510000072
将单个场景的各节点短路后各节点电压组成n维向量；
S4设置单个线程计算单个节点电压；
S5分配n*n个线程数；
上述两个子步骤同时执行，获得电压矩阵V
Figure BDA0002214758510000073
S6求解该电压矩阵V，获得各节点短路后各节点电压；
S7对n个场景m条支路的电流进行链接，获得矩阵I；
S8对n个场景m条支路起始节点和终止节点进行链接，获得两个矩阵Vf和Vt；
S9对n个场景m条线路的阻抗进行处理，获得m维对角线矩阵Z′；
S10对矩阵I、矩阵Vf、矩阵Vt和矩阵Z′进行转换，获得计算式
Figure BDA0002214758510000074
Figure BDA0002214758510000075
Figure BDA0002214758510000076
S11求解上述计算式，获得所述的所有单个节点短路下各支路电流。
图2所显示的内容为将上述流程装入测试系统进行解析输出的结果，在该测试系统中，一共有39个节点，46条支路和10台发电机。测试目的为同时计算出39个节点分别单次三相对称节点短路时，其39节点短路电流和39个场景46条支路电流；从图中可以明显地看出各支路电流强度，由此可知，当某节点出现短路时，能够快速知晓短路节点的位置，方便快速查找短路原因，并进一步为大电网设计及整定提供实时有效数据。
本领域技术人员应能理解上述短路电流并行计算的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的短路电流并行计算应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
第二方面，本发明提供一种执行前述方法的基于GPU加速的电网短路电流并行计算的系统，包括：
第一解析计算子系统301，用于根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流；
第二解析计算子系统302，其与第一解析计算子系统301通信连接，用于根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压；
第三解析计算子系统303，其与第二解析计算子系统302通信连接，用于根据节点短路后各节点电压批量同时计算所有单个节点短路下各支路电流。
进一步的，在一些优选实施例中，第一解析计算子系统301通过公式
Figure BDA0002214758510000081
计算获得单个节点短路电流；其中，Zff为单个节点短路时的自阻抗。
更进一步的，第一解析计算子系统301将单个节点短路时自阻抗Zff进行处理，获得数组Z＝[Z11，Z22，...，Znn]，求解该数组Z获得单个节点短路电流。
综上所述，本发明提供的电网短路电流并行计算的方法和系统，具有以下优点：
(1)有效克服了现有考虑三相对称节点短路情况下各节点短路电流计算时间较长的不足；
(2)配置了实现本发明计算方法的系统能够快速显示短路节点的位置，方便查找短路原因；
(3)进一步为大电网设计及整定提供实时有效数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于GPU加速的电网短路电流并行计算的方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流；
根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压；
根据节点短路后各节点电压计算所有单个节点短路下各支路电流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流还包括：
通过公式
Figure FDA0002214758500000011
计算获得单个节点短路电流；其中，Zff为单个节点短路时的自阻抗。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的通过公式
Figure FDA0002214758500000012
计算单个节点短路电流包括如下子步骤：
将单个节点短路时自阻抗Zff进行处理，获得数组Z＝[Z11，Z22，…，Znn]，求解该数组Z获得单个节点短路电流。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的求解数组Z获得单个节点短路电流包括：
对数组Z中各个元素求逆运算，获得数组I＝[I11，I22，…，Inn]；其中，第i个元素表示节点i短路后其节点短路电流。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压包括：
通过公式
Figure FDA0002214758500000013
计算获得各节点短路后各节点电压；其中，
Figure FDA0002214758500000014
为节点i短路后其节点短路电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的通过公式
Figure FDA0002214758500000015
计算获得各节点短路后各节点电压包括：
将单个场景的各节点短路后各节点电压组成n维向量；
将n种场景链接在一起，生成n维电压矩阵V，
求解该电压矩阵V，获得各节点短路后各节点电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的生成n维电压矩阵V包括：
设置单个线程计算单个节点电压；
分配n*n个线程数；
上述两个子步骤同时执行，获得电压矩阵V。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的根据节点短路后各节点电压计算所有单个节点短路下各支路电流包括：
对n个场景m条支路的电流进行链接，获得矩阵I；
对m条支路起始节点和终止节点进行链接，获得两个矩阵Vf和Vt；
对m条线路的阻抗进行处理，获得m维对角线矩阵Z′；
对矩阵I、矩阵Vf、矩阵Vt和矩阵Z′进行转换，获得计算式
Figure FDA0002214758500000022
Figure FDA0002214758500000023
求解上述计算式，获得所述的所有单个节点短路下各支路电流。
9.基于GPU加速的电网短路电流并行计算的系统，其特征在于，包括：
第一解析计算子系统，用于根据大电网数据网络信息计算各节点三相对称节点短路时的节点短路电流；
第二解析计算子系统，用于根据各节点短路电流计算各节点短路后各节点电压；
第三解析计算子系统，用于根据节点短路后各节点电压计算所有单个节点短路下各支路电流。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一解析计算子系统通过公式
Figure FDA0002214758500000024
计算获得单个节点短路电流；其中，Zff为单个节点短路时的自阻抗。
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