[发明专利]一种电力潮流雅克比阵计算的GPU线程设计方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统高性能计算应用领域，尤其涉及一种电力潮流雅克比阵计算的GPU线程设计方法。

背景技术

潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本和最重要的一种电气运算。在电力系统运行方式和规划方案的研究中，都需要进行潮流计算以比较运行方式或规划供电方案的可行性、可靠性和经济性。同时，为了实时监控电力系统的运行状态，也需要进行大量而快速的潮流计算。因此，在系统规划设计和安排系统的运行方式时，采用离线潮流计算；在电力系统运行状态的实时监控中，则采用在线潮流计算。

而实际生产过程中，无论离线潮流和在线潮流计算都对潮流的计算速度有这比较高的要求。在涉及规划设计和安排运行方式的离线潮流中，因设备落地方案等情况复杂，需要仿真运行的种类多，潮流计算量大，单个潮流计算时间影响整体仿真时长；而在电力系统运行中进行的在线潮流计算对计算时间敏感度高，需要实时给出潮流计算结果，如在预想事故、设备退出运行对静态安全的影响的潮流计算中，系统需要计算大量预想事故下潮流分布，并实时地做出预想的运行方式调整方案。

传统的牛顿拉夫逊法潮流计算中，雅克比矩阵的计算时间占潮流总计算时间30％，雅克比矩阵的计算速度影响程序的整体性能。而随着CPU计算速度提升的放缓，现阶段的单个潮流计算计算时间已经达到一个瓶颈。目前对潮流计算的加速方法主要集中在使用集群和多核服务器对多潮流进行粗粒度加速，实际成产中对单个潮流内部运算加速的研究较少。

GPU是一种众核并行处理器，在处理单元的数量上要远远超过CPU。传统上的GPU只负责图形渲染，而大部分的处理都交给了CPU。现在的GPU已经法阵为一种多核，多线程，具有强大计算能力和极高存储器带宽，可编程的处理器。在通用计算模型下，GPU作为CPU的协处理器工作，通过任务合理分配分解完成高性能计算。

雅克比矩阵计算具有并行性，其中每一个非零元素的计算相互独立，没有依赖关系，天然可以被并行的计算处理，适合GPU加速。因此通过CPU和GPU之间合理的调度可以快速完成雅克比矩阵的计算，国内外学者已经开始对GPU进行雅克比加速的方法进行了研究，但是没有深入的优化线程设计，单纯从计算量的分配上研究计算线程设计，对线程计算方式，数据索引方式没有进行深入研究，无法使程序充分发挥GPU的优势。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种能大幅减少雅克比矩阵计算时间并能提升潮流计算速度的一种电力潮流雅克比阵计算的GPU线程设计方法。

技术方案：本发明提出一种利用映射关系分配计算资源的基于GPU的一种电力潮流雅克比矩阵计算的GPU线程设计方法。

潮流计算：电力学名词，指在给定电力系统网络拓扑、元件参数和发电、负荷参量条件下，计算有功功率、无功功率及电压在电力网中的分布。

并行计算：相对于串行运算，是一种一次可执行多个指令的算法，目的是提高计算速度，及通过扩大问题求解规模，解决大型而复杂的计算问题。

GPU：图形处理器(英语：GraphicsProcessingUnit，缩写：GPU)。

导纳矩阵：以系统元件的等值导纳为基础所建立的、描述电力网络各节点电压和注入电流之间关系的矩阵。

本发明公开了一种电力潮流雅克比阵计算的GPU线程设计方法，所述方法包括：

(1)输入电网数据，预处理节点导纳阵Y；

(2)CPU分别计算H、N、J、L四个子矩阵非零元素与节点导纳阵Y非零元素位置映射关系表M_H2Y、M_N2Y、M_J2Y、M_L2Y；

(3)CPU分别计算H、N、J、L四个子矩阵非零元素与雅克比矩阵非零元素位置映射关系表M_H2Ja、M_N2Ja、M_J2Ja、M_L2Ja；

(4)GPU中节点注入功率核函数S计算所有节点注入功率；

(5)GPU中雅克比子矩阵计算核函数H、M、N、L分别计算H、N、J、L四个子矩阵中非零元素并存入雅克比矩阵中。

其中，所述步骤(1)中电网的节点数为n，电网的节点导纳阵Y{i，j，G，B}以行号i、列号j、电导G、电纳B的Coordinate稀疏格式存储，将节点导纳阵每行数据在Y中的相对偏移位置存放在行偏移向量R中，定义节点电压相角向量为θ，电压幅值向量为V。