面向GPU的电力系统电磁暂态并行计算方法研究结题摘要

现代电力系统正面临动态过程日益复杂和仿真规模迅速扩大的严峻挑战。GPU（Graphic Process Unit）自进入科学计算领域以来，展示出了巨大的计算潜力。为此，研究面向GPU的电磁暂态并行计算方法，在理论和工程两方面均具有重要意义。 本项结合GPU 并行计算的特点，从效率分析、模型研究、算法设计和平台构建方面将并行计算理论加以发展并应用于电力系统电磁暂态仿真分析。在效率分析方面，提出了适用于电磁暂态计算的GPU基本运算耗时评估模型，研究影响GPU 并行计算效率的关键因素，在此基础上为分配GPU计算任务提供理论支撑。在模型研究方面，面向变流器外特性研究，提出了PWM变流器的分段平均化模型，使开关过程的处理并行化；面向变流器内部特性研究，提出了小步长开关模型的参数配置方法，消除了小步长模型带来的数值震荡问题。在算法设计方面，提出了面向GPU的电磁暂态细粒度仿真算法，并设计了兼容分段平均模型的EMTP算法，利用GPU实现了电磁暂态仿真的并行加速。最后，本项目设计了基于GPU的电磁暂态仿真平台。所设计的风电场算例仿真结果表明，该仿真平台对于大规模电力系统电磁暂态仿真具有极高的加速比。 本项目研究，系统地建立面向GPU 的并行计算研究框架，并为满足未来电力系统日益增长的仿真计算需求提供理论基础和技术支撑。 2100433B

现代电力系统正面临动态过程日益复杂和仿真规模迅速扩大的严峻挑战。GPU（Graphic Process Unit）自进入科学计算领域以来，展示出了巨大的计算潜力。为此，研究面向GPU的电磁暂态并行计算方法，在理论和工程两方面均具有重要意义。.本项目拟结合GPU并行计算的特点，将并行计算理论加以发展并应用于电力系统电磁暂态仿真分析。首先，研究影响GPU并行计算效率的关键因素，在此基础上建立面向GPU的并行计算效率分析模型。进一步，从并行网络切分，分解协调计算和计算负载均衡三个方面研究适合于GPU体系架构的多层次细粒度并行算法。最后，以模型和算法研究成果为依据，构建基于GPU的高性能电磁暂态并行仿真平台。.开展本项目研究，有望系统地建立面向GPU的并行计算研究框架，对电力系统并行计算的理论和实践带来重大变革，为满足未来电力系统日益增长的仿真计算需求提供理论基础和技术支撑。

电磁暂态程序简介

电磁暂态程序（EMTP，Electro-Magnetic Transient Program）是用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件。它包含通过现场测试证实的用于变压器相传输线的模型、各种电机、二极管、晶闸管和开关、控制器等模型，是电力系统中高压电力网络和电力电子仿真应用最广泛的程序，侧重于系统的运行情况而不是个别开关的细节。

电磁暂态程序历史

在1984年以前的十多年里，属于美国能源部的邦维尔电管局(BPA)主导了EMTP程序的开发工作，它在人力和财力上对EMTP程序的开发工作给予了极大的支持。当时的工作属于公共域内（public domain work），其成果可以免费提供给任何一个感兴趣的团体。1984年以后，EMTP程序主要分为两支，一支以DCG（EMTP Development Coordination Group,1982年由北美6个大型电力机构组成）/EPRI（美国电力科学研究院）为代表，试图将EMTP程序商业化(以下称其为商业化的EMTP)；另一支即ATP-EMTP，它继续保持EMTP程序的可免费使用性，但为了防止其成果被商业化的EMTP所利用，ATP-EMTP不属于公共域内。 有几种EMTP版本以用于个人计算机，如Micro Tran、ATP等。所有版本的程序都具有BPA（美国邦纳维尔电力局，Bonneville Power Administration）的EMTP原版的大部分功能。

1984年初，DCG的工作已对免费使用EMTP构成威胁，原BPAEMTP的开发者之一Dr.W.Scott Meyer为了维护EMTP的可免费使用性，于1984年2～3月份，终止了12年的EMTP开发合同，并将他所有的业余时间用来开发一个富有生命力的替代程序即ATP，ATP正式诞生于1984年秋。 ATP程序（The Alternative Transients Program）是世界上电磁暂态分析程序（EMTP)最广泛使用的一个版本，ATP-EMTP程序几乎可为世界上的每一个人所免费使用，并可在大多数类型的计算机上运行。

本项目研究面向并行工程的产品建模方法，包括研究集成的产品多领域模型，能够同时支持特征设计和特征识别的库特征表示，能够并行建立产品多领域模型的混合特征建模方法，产品多领域模型的有效性和一致性维护方法等。本项研究对显著提高现有产品建模技术的功能使其能够有效地支持并行工程具有重要意义，对在我国顺利实施并行工程将起到积极作用。 2100433B

《电力系统电磁暂态仿真》准确了解电磁暂态问题对于在不影响供电可靠性和供电质量的情况下保持电力系统的经济、高效和环保运行至关重要。仿真已逐步成为电力系统电磁暂态分析的普遍工具，尽管目前它很少深入涵盖本科生课程，但在未来它很可能成为核心课程。

本书的主要目的是描述高效地应用计算技术用于求解包含线性或非线性元件的任意规模和拓扑结构的电磁暂态问题。书中展示了如何采用不同的技术仿真含有各种元件的电力网络电磁暂态过程、建立完善的数学模型，以及比较不同模型的准确性和计算需求等内容。

本书主要面向电气工程的高年级本科生或硕士、博士研究生，文中包含了阐明较难理解的概念（或方法）的基本示例。鉴于目前缺乏该领域的相关培训，电力工业各领域与之相关的工程师也能够在该书中找到有助于其专业工作的巨大价值所在。|