CN117217002A - 一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统，本申请以贝瑞隆传输线解耦法作为大规模电力系统的划分算法，通过选取不同解耦步长的长传输线作为分网传输线，实现了仿真过程中利用计算时间来掩盖通信时间的目的，从而减少了并行仿真中通信耗时，提高了并行仿真的计算效率。

Description

一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统

技术领域

本发明属于电磁暂态仿真技术领域，具体涉及一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统。

背景技术

近年来，随着“双高”新型电力系统的发展，海量电力电子设备、可再生能源发电单元接入传统交直流电网，电力系统的规模迅速扩张，其电磁暂态仿真模型维数亦迅速提升。以我国西北新能源发电基地为例，西北交直流输电网网架全电磁暂态仿真模型电气节点数约为10万单相节点；单台典型风机发电单元的平均化模型单相电气节点数量在50-100之间，控制节点数量在300-500之间；若考虑2000台风机接入我国西北交直流电网，其整体电磁暂态仿真模型的电气节点总数可达20-30万，控制节点总数可达60-100万，总体节点数在80-130万之间。若考虑华北、华中及华东电网联网计算规模，其模型节点总数更远超过百万节点规模。

面对超大规模的电磁暂态仿真模型，单个计算核心难以满足实际的仿真需求，必然会采用多核心和多节点的计算框架，即集群来实现多核或者众核架构下的加速计算。集群是一组独立计算机的集合体，节点之间通过互联网进行连接；各节点间可以协同工作，表现为一个集中的计算资源来实现并行计算。同时商业硬件能紧密追踪最新硬件发展趋势，系统易扩展，性价比高。基于集群系统的电磁暂态并行仿真已经得到了研究界的关注，随着硬件技术的发展，有希望成为高性能计算的一项重要技术。

对于需要并行仿真的大规模电力系统，首先需要对各计算系统任务分配，其中贝瑞隆传输线解耦法是最经典的接口解耦方法之一，其等效模型如图1所示。以单相无损传输线的Bergeron模型为例，介绍Bergeron模型的建模过程，对于图1所示的单相线路，L'和C'为单位电感和单位电容，线路的波动方程可以表示为：

式中，x为传输线中行波所处的位置。对波动方程进行求解，可得线路两端端电流的解析表达式为：

式中，d为线路长度。

进一步，可以推得有损传输线的Bergeron模型:

i_km(t)＝G_linev_k(t)+i_hk(t-τ)

i_mk(t)＝G_linev_m(t)+i_hm(t-τ)

式中，r为线路单位电阻。节点等效注入电流源i_hk(t-τ)、i_hm(t-τ)可以表示为：

利用移频电磁暂态建模方法，得到单相有损传输线的移频Bergeron模型：

式中，

通过该模型可以看出，贝瑞隆传输线中一侧的变化在某端的变化被另一端在传播时间的延时后感知到，两侧天然耦合。因此在电磁暂态仿真的计算过程中可以使用该模型进行分区解耦计算，各分区在仿真的每一时步计算开始前获得分区的接口电压电流，然后各自进行仿真计算。

传输线解耦混合接口解决了大规模电力系统划分问题，使得不同子系统可以运行在不同仿真器上面。为了保证集群系统的顺利工作，实现电磁暂态仿真的并行计算，需要对多处理器之间数据传递机制进行设置。常见的并行编程标准有MPI、PVM等，其中MPI(Message Passing Interface)的移植性好，功能强大，效率高，已经成为了目前最重要的消息传递接口的标准。在电磁暂态仿真进程中，不同的仿真器之间需要实时地进行数据通信，交互对侧的电气量信息，从而会产生通信耗时，以两个处理器节点i和j之间的一次通信过程为例，设通信方向为节点i到节点j，则通信耗时为从节点i的第一个字节进入传输通道开始，到节点j收到消息包的最后一个字节为止所需的通信时间，如图2所示。处理节点越多，通信耗时越长，这会影响电磁暂态并行仿真效率，特别是在大规模电力系统中影响更甚。

发明内容

为了解决现有电磁暂态并行仿真技术由于不同仿真器之间通信会产生通信耗时，从而影响电磁暂态并行仿真效率的问题，本发明提供了一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法和系统，本发明以贝瑞龙传输线解耦法为大规模电力系统的划分算法，通过选取不同解耦补偿的长传输线作为分网传输线，实现了仿真过程中利用计算时间来掩盖通信时间的目的，减少了并行仿真中通信耗时，提高了并行仿真效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，该方法包括：

查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量满足预设条件；

查找分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量满足预设条件；以此类推，查找第k级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第k级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第k+1级子网络，合并过程中确保两个第k+1级子网络的计算负载基本相同，同时两个第k+1级子网络间传输线的数量满足预设条件；

利用2^k+1台计算机对第k+1级子网络进行电磁暂态仿真；

其中，k为正整数。

相较于现有电磁暂态并行仿真技术会产生通信耗时，特别是超大规模的电磁暂态仿真模型，总的通信耗时长，这会严重影响电磁暂态并行仿真效率。而本申请提出的电磁暂态仿真方法，其以贝瑞隆传输线解耦法作为分网算法，通过查找不同传输时间的传输线，实现了通过计算时间来掩盖通信时间的目的，从而减少了并行仿真过程中的通信耗时，提高了大电网并行仿真的计算效率。

作为优选实施方式，本发明的k由参与并行计算的计算机台数来确定。

作为优选实施方式，本发明在网络合并过程中，需满足两个子网络间传输线的数量应保证单次数据传输量小于带宽数。

作为优选实施方式，本发明在电磁暂态并行仿真过程中，子网络间通信原则为：

当仿真时间为2^pΔt的整数倍时，p为整数且0≤p≤k，则同属一个第k-p级子网络的两个第k-p+1级子网络间需要进行一次通信；

当任意两个第q级子网络之间进行通信时，q为整数且0≤q≤k，实际上是每个第q级子网络中包含的编号最小的第k+1级子网络之间进行通信。

作为优选实施方式，本发明在电磁暂态并行仿真过程中，奇数次仿真步长时刻网络进行一次串行通信，偶数次仿真步长时刻网络进行2n+1次通信，其中n的个数由下式确定：

其中，n₁是当前的仿真时刻。

作为优选实施方式，本发明在电磁暂态并行仿真过程中每个时步的平均通信次数为：

另一方面，本发明提出了一种基于多步长的电磁暂态并行仿真系统，该系统包括：

网络划分单元，查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量满足预设条件；查找分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量满足预设条件；以此类推，查找第k级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第k级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第k+1级子网络，合并过程中确保两个第k+1级子网络的计算负载基本相同，同时两个第k+1级子网络间传输线的数量满足预设条件；

仿真单元，利用2^k+1台计算机对第k+1级子网络进行电磁暂态仿真；

其中，k为正整数。

作为优选实施方式，本发明的k由参与并行计算的计算机台数来确定。

作为优选实施方式，本发明在网络合并过程中，需满足两个子网络间传输线的数量应保证单次数据传输量小于带宽数。

作为优选实施方式，本发明在电磁暂态并行仿真过程中，子网络间通信原则为：

当仿真时间为2^pΔt的整数倍时，p为整数且0≤p≤k，则同属一个第k-p级子网络的两个第k-p+1级子网络间需要进行一次通信；

当任意两个第q级子网络之间进行通信时，q为整数且0≤q≤k，实际上是每个第q级子网络中包含的编号最小的第k+1级子网络之间进行通信。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本申请以贝瑞隆传输线解耦法作为大规模电力系统的划分算法，通过选取不同解耦步长的长传输线作为分网传输线，实现了仿真过程中利用计算时间来掩盖通信时间的目的，从而减少了并行仿真中通信耗时，提高了并行仿真的计算效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为传输线示意图((a))及其Bergeron模型((b))。

图2为点到点通信过程示意图。

图3为本发明实施例的网络划分示意图。

图4为本发明实施例的子网络通信时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

现有电磁暂态并行仿真技术中，不同的处理节点之间需要实时地进行数据通信，交互对侧的电气量信息，这会产生通信耗时，通信耗时是从一个节点的第一个字节进入传输通道开始到另一个节点收到信息包的最后一个字节为止所需的通信时间，同时系统中处理节点越多，总的通信耗时越长，这会严重影响电磁暂态并行仿真效率。因此，为了提高电磁暂态并行仿真效率，本实施例提出了一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，本实施例以贝瑞隆传输线解耦法为大规模电力系统的划分算法，通过选取不同解耦步长的长传输线作为分网传输线，实现了仿真过程中利用计算时间来掩盖通信时间的目的，进而减少并行仿真中通信耗时，提高并行仿真效率。

本实施例提出的方法包括以下步骤：

步骤1，查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载基本相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量尽可能少(即子网络的传输线数目应保证单次数据传输量需要少于带宽数)；查找第1级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k-1倍仿真步长的传输线，分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载基本相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量尽可能少(即跨子网络的传输线数目应保证单次数据传输量需要少于带宽数)；以此类推，查找第k级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第k级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第k+1级子网络，合并过程中确保两个第k+1级子网络的计算负载基本相同，同时两个第k+1级子网络间传输线的数量尽可能少(即跨子网络的传输线数目应保证单次数据传输量需要少于带宽数)；网络划分具体如图3所示。其中，k为正整数，其可由参与并行计算的计算机台数来确定。

步骤2，利用2^k+1台计算机对第k+1级子网络进行电磁暂态仿真。

其中，仿真步长为电磁暂态仿真算例的步长，即每计算该时间步长后各计算节点间的电气量进行信息同步(即进行电气量信息传输)。

本实施例以电磁暂态仿真步长为Δt，8个计算节点(即计算机)为例对上述方法进行示例性说明，则需要将电力网络划分为8个子网络，即2³，则k＝2，网络中传输线最大传输时间为2²Δt。分网过程中，首先查找网络中符合解耦长度，且传输时间大于4Δt的传输线，并将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载基本相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量尽可能少(即跨分区的传输线数目应保证单次数据传输量需要少于带宽数)；然后查找第1级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于2Δt的传输线，并将解耦后的小网络进行合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载基本相等，同时两个第2级子网络间传输线的数量尽可能少；最后查找第2级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于Δt的传输线，按照上述过程解耦、合并，从而得到8个第3级子网络，基于8个第3级子网络进行电磁暂态仿真。

通常情况下大电网的仿真步长Δt为50us，则4Δt为200us，考虑光的传播速度为每秒300000km，此时对应的传输线长度为60km。对于一个大型配电网来说，大于该长度的传输线仍有很多。较多的传输线可以确保电力网络在经过贝瑞隆传输线初步解耦后子网较多，从而方便在计算节点的任务分配中实现负载均衡。

电磁暂态并行仿真过程中，子网络需要进行通信。其通信原则为：

(1)当仿真时间为2^pΔt的整数倍时(p为整数且0≤p≤k)，则同属一个第k-p级子网络的两个第k-p+1级子网络间需要进行一次通信。

(2)当任意两个第q级子网络之间进行通信时(q为整数且0≤q≤k)，为减少通信次数，实际上是每个第q级子网络中包含的编号最小的第k+1级子网络之间进行通信。

以上述示例进行说明，即当k＝2时，电力系统被划分为8个第3级子网络，当电磁暂态仿真时间为4Δt时，G_1,1和G_1,2间需要通信，实际上是G_3,1和G_3,5之间进行通信。详细的通信时序如图4所示。

网络平均通信次数计算：

奇数次仿真步长时刻网络进行一次串行通信，偶数次进行2n+1次通信，其中n的个数可以由以下公式计算而来：

其中n₁是当前的仿真时刻，即当n₁＝2时，n＝1，通信次数为3；n₁＝4时，n＝2，通信次数为5；当n₁＝6时，n＝1，通信次数为3；当n₁＝8时，n＝2，通信次数为5，符合图4所示结果。

若仿真中计算机(即计算节点)的个数为2^k+1，网络划分的个数也为2^k+1，网络中传输线的最大传输时间为2^kΔt，则电磁暂态并行仿真过程中每个时步的平均通信次数为：

在实际划分中，由于各个子网之间可能存在着拓扑依赖关系，主节点处存在着数据汇集和分发的问题，总的通信耗时最坏情况下是该数字的2倍(需要一个时步将数据收集，还需要一个时步将数据分发，从而增加一倍的数据量)。

基于相同的技术构思，本实施例还提出了一种基于多步长的电磁暂态并行仿真系统，该系统包括：网络划分单元和仿真单元。

其中，该网络划分单元查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载基本相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量尽可能少(即子网络的传输线数目应保证单次数据传输量需要少于带宽数)；查找第1级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k-1倍仿真步长的传输线，分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载基本相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量尽可能少(即跨子网络的传输线数目应保证单次数据传输量需要少于带宽数)；以此类推，查找第k级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第k级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第k+1级子网络，合并过程中确保两个第k+1级子网络的计算负载基本相同，同时两个第k+1级子网络间传输线的数量尽可能少(即跨子网络的传输线数目应保证单次数据传输量需要少于带宽数)。其中，k为正整数，其可由计算节点数来确定。

该仿真单元，利用2^k+1台计算对第k+1级子网络进行电磁暂态仿真。

本实施例还提出了一种计算机设备，用于执行本实施例的上述方法。

计算机设备包括处理器、内存储器和系统总线；内存储器和处理器在内的各种设备组件连接到系统总线上。处理器是一个用来通过计算机系统中基本的算术和逻辑运算来执行计算机程序指令的硬件。内存储器是一个用于临时或永久性存储计算程序或数据(例如，程序状态信息)的物理设备。系统总线可以为以下几种类型的总线结构中的任意一种，包括存储器总线或存储控制器、外设总线和局部总线。处理器和内存储器可以通过系统总线进行数据通信。其中内存储器包括只读存储器(ROM)或闪存，以及随机存取存储器(RAM)，RAM通常是指加载了操作系统和计算机程序的主存储器。

计算机设备一般包括一个外存储设备。外存储设备可以从多种计算机可读介质中选择，计算机可读介质是指可以通过计算机设备访问的任何可利用的介质，包括移动的和固定的两种介质。例如，计算机可读介质包括但不限于，闪速存储器(微型SD卡)，CD-ROM，数字通用光盘(DVD)或其它光盘存储、磁带盒、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备，或者可用于存储所需信息并可由计算机设备访问的任何其它介质。

计算机设备可在网络环境中与一个或者多个网络终端进行逻辑连接。网络终端可以是个人电脑、服务器、路由器、智能电话、平板电脑或者其它公共网络节点。计算机设备通过网络接口(局域网LAN接口)与网络终端相连接。局域网(LAN)是指在有限区域内，例如家庭、学校、计算机实验室、或者使用网络媒体的办公楼，互联组成的计算机网络。WiFi和双绞线布线以太网是最常用的构建局域网的两种技术。

应当指出的是，其它包括比计算机设备更多或更少的子系统的计算机系统也能适用于发明。

如上面详细描述的，适用于本实施例的计算机设备能执行电磁暂态并行仿真方法的指定操作。计算机设备通过处理器运行在计算机可读介质中的软件指令的形式来执行这些操作。这些软件指令可以从存储设备或者通过局域网接口从另一设备读入到存储器中。存储在存储器中的软件指令使得处理器执行上述的群成员信息的处理方法。此外，通过硬件电路或者硬件电路结合软件指令也能同样实现本发明。因此，实现本实施例并不限于任何特定硬件电路和软件的组合。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，该方法包括：

查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量满足预设条件；

查找分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量满足预设条件；以此类推，查找第k级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第k级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第k+1级子网络，合并过程中确保两个第k+1级子网络的计算负载基本相同，同时两个第k+1级子网络间传输线的数量满足预设条件；

利用2^k+1个台计算机对第k+1级子网络进行电磁暂态仿真；

其中，k为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，k由参与并行计算的计算机台数来确定。

3.根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，网络合并过程中，需满足两个子网络间传输线的数量应保证单次数据传输量小于带宽数。

4.根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，电磁暂态并行仿真过程中，子网络间通信原则为：

当仿真时间为2^pΔt的整数倍时，p为整数且0≤p≤k，则同属一个第k-p级子网络的两个第k-p+1级子网络间需要进行一次通信；

当任意两个第q级子网络之间进行通信时，q为整数且0≤q≤k，实际上是每个第q级子网络中包含的编号最小的第k+1级子网络之间进行通信。

5.根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，电磁暂态并行仿真过程中，奇数次仿真步长时刻网络进行一次串行通信，偶数次仿真步长时刻网络进行2n+1次通信，其中n的个数由下式确定：

其中，n₁是当前的仿真时刻。

6.根据权利要求1所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真方法，其特征在于，电磁暂态并行仿真过程中每个时步的平均通信次数为：

7.一种基于多步长的电磁暂态并行仿真系统，其特征在于，该系统包括：

网络划分单元，查找电力网络中符合解耦长度，且传输时间大于2^k倍仿真步长的传输线，对该电力网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络进行合并成两个第1级子网络，合并过程中确保两个第1级子网络的计算负载相等，同时两个第1级子网络间传输线的数量满足预设条件；查找分别对每个第1级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第2级子网络，合并过程中确保两个第2级子网络的计算负载相同，同时两个第2级子网络间传输线的数量满足预设条件；以此类推，查找第k级子网络中符合解耦长度，且传输时间大于仿真步长的传输线，分别对每个第k级子网络进行贝瑞隆传输线解耦后再将解耦后的小网络合并成两个第k+1级子网络，合并过程中确保两个第k+1级子网络的计算负载基本相同，同时两个第k+1级子网络间传输线的数量满足预设条件；

仿真单元，利用2^k+1个台计算机对第k+1级子网络进行电磁暂态仿真；

其中，k为正整数。

8.根据权利要求7所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真系统，其特征在于，k由参与并行计算的计算机台数来确定。

9.根据权利要求7所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真系统，其特征在于，网络合并过程中，需满足两个子网络间传输线的数量应保证单次数据传输量小于带宽数。

10.根据权利要求7所述的一种基于多步长的电磁暂态并行仿真系统，其特征在于，电磁暂态并行仿真过程中，子网络间通信原则为：

当仿真时间为2^pΔt的整数倍时，p为整数且0≤p≤k，则同属一个第k-p级子网络的两个第k-p+1级子网络间需要进行一次通信；

当任意两个第q级子网络之间进行通信时，q为整数且0≤q≤k，实际上是每个第q级子网络中包含的编号最小的第k+1级子网络之间进行通信。