[发明专利]基于全并行嵌套BBDF的电力系统暂态稳定仿真并行计算方法

说明书

本发明公开了一种基于全并行嵌套对角加边形式的电力系统暂态稳定仿真并行计算方法。嵌套BBDF方法中，各层BBDF结构求解的顺序性，限制了嵌套BBDF方法并行加速比的提高。本发明在嵌套BBDF方法中，引入全并行BBDF方法的思想，对嵌套BBDF方法的各层子系统的计算做了并行化处理，提高了方法的理论效率。同时引入子网‑核心映射与MPI‑OpenMP混合编程，在网络拓扑、并行通讯拓扑以及CPU芯片结构之间形成了高效率的映射，降低了并行开销。

技术领域

本发明属于电力系统自动化领域，尤其涉及一种基于全并行嵌套对角加边形式的电力系统暂态稳定仿真并行计算方法。

背景技术

电力系统暂态稳定时域仿真是电力系统分析的重要工具，被广泛应用于电力行业的研究与工程领域。随着网络规模的不断增大，内部元件日趋复杂，其计算量增长明显，计算非常耗时。并行计算能够显著提高暂态稳定仿真的计算速度。多年来，研究者们在电力系统并行暂态稳定仿真方面做出了许多成果。

电力系统暂态稳定仿真需要求解一组高维非线性微分-代数方程组，其并行方法主要可以分为三类，分别是空间并行方法，时间并行方法，以及时空间并行方法。空间并行方法将微分代数方程组进行变换或者划分，并行求解微分代数方程组。空间并行方法可被分为粗颗粒与细颗粒两种。粗颗粒空间并行方法，着眼于方程组的分块并行求解。细颗粒空间并行方法，着眼于矩阵的元素操作。时间并行方法则同时求解多个仿真时步。时空间并行方法则综合了空间并行和时间并行的特点。

BBDF方法作为一种空间并行方法，被广泛应用于电力系统并行暂态稳定仿真领域。电力网络高度稀疏，可基于道路树对其进行划分形成子系统与联络系统，形成了一种“叶-根”的拓扑结构，其网络方程可被构造成对角加边形式(BBDF)。

为进一步提高加速比，发展了嵌套BBDF(NBBDF)方法，将BBDF方法中随着并发数上升而增大的根系统进一步分解，形成“叶-枝-根”的拓扑结构，并行求解原BBDF方法的根系统，提高方法加速比。但是，嵌套BBDF方法本质上加强了方法的串行性，即必须按照叶-枝-根的顺序求解，嵌套层数不宜过多，不利于进一步提高并行加速比与效率。

发明内容

本发明目的是针对嵌套BBDF方法存在的不足，提出一种基于全并行嵌套对角加边形式的电力系统暂态稳定仿真并行计算方法。嵌套BBDF方法中，各层BBDF结构求解的顺序性，限制了嵌套BBDF方法并行加速比的提高。本发明在嵌套BBDF方法中，引入全并行BBDF方法的思想，对嵌套BBDF方法的各层子网的计算做了并行化处理，提高了方法的理论效率。同时引入子网-核心映射与MPI-OpenMP混合编程，在网络拓扑、并行通讯拓扑以及CPU芯片结构之间形成了高效率的映射，降低了并行开销。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于全并行嵌套对角加边形式的电力系统暂态稳定仿真并行计算方法，该方法基于因子表道路树将电力网络划分为3层，分别为叶系统、枝系统以及根系统，构造嵌套BBDF结构。叶系统-枝系统，枝系统-根系统分别构成典型的 BBDF结构。此时，电力网络方程将具有如下嵌套BBDF形式：

其中，对角块Y′_ii、Y′_jj、Y′_cc分别表示叶系统、枝系统、根系统的节点导纳矩阵；边界块Y′_ij和Y′_ji表示叶系统i与枝系统j之间的联系部分；边界块Y′_ic和Y′_ci表示叶系统i与根系统c之间的联系部分；边界块Y′_jc和Y′_cj表示枝系统j和根系统c之间的联系部分；V_i、V_j、V_c分别为叶系统、枝系统、根系统的节点电压向量；I′_i、I′_j、I′_c分别为叶系统、枝系统、根系统的虚拟注入电流向量。