一種基于gpu的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，該方法包括：對(duì)配電網(wǎng)上的發(fā)電站節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，形成配電網(wǎng)原始接圖；根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系構(gòu)建十字鏈表；通過(guò)電壓互感器檢測(cè)配電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的電壓，根據(jù)配電網(wǎng)的原始接圖以及配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電流流向關(guān)系，構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣；根據(jù)十字鏈表判斷配電網(wǎng)中是否含有環(huán)網(wǎng)，若是，則破壞該環(huán)網(wǎng)處的閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，增加一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)；通過(guò)十字鏈表和關(guān)聯(lián)矩陣，構(gòu)建除了發(fā)電站之外的配電網(wǎng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的阻抗矩陣，通過(guò)GPU迭代求解配電網(wǎng)潮流，并將計(jì)算結(jié)果在相關(guān)儀表中顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有運(yùn)算速度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】—種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)潮流計(jì)算與分析的方法，具體來(lái)說(shuō)涉及一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在實(shí)際的電力系統(tǒng)維修、檢修或運(yùn)行人員執(zhí)行調(diào)度方案過(guò)程中對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行開關(guān)合閘等操作時(shí)必然引起聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)儀表讀數(shù)的變化，相應(yīng)地在虛擬仿真系統(tǒng)中對(duì)此等操作事件的仿真也必須能夠給予正確的模擬響應(yīng)，從而反映出此等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備儀表讀數(shù)值的正確變化，否則仿真意義將大打折扣。
[0003]“潮流計(jì)算”是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的關(guān)鍵核心，它的任務(wù)就是根據(jù)給定的運(yùn)行條件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)確定整個(gè)系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)，如各母線上的電壓(幅值和相角)、網(wǎng)絡(luò)中的功率分布以及功率損耗等。其計(jì)算結(jié)果是電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行分析的基礎(chǔ)，可為電力系統(tǒng)運(yùn)行人員進(jìn)行電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、故障處理、無(wú)功優(yōu)化和狀態(tài)估計(jì)提供參考依據(jù)，在電網(wǎng)調(diào)度、運(yùn)行分析、操作模擬和設(shè)計(jì)規(guī)劃中都發(fā)揮著重要的作用，是電力系統(tǒng)中最基本的、應(yīng)用最為廣泛的一種電氣計(jì)算。
[0004]基于潮流計(jì)算的重大應(yīng)用價(jià)值，眾多國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)其開展了深入研究。早期主要面向環(huán)狀結(jié)構(gòu)的高壓輸電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算分析。主要經(jīng)歷了高斯-賽德爾迭代算法、牛頓拉夫遜算法和國(guó)內(nèi)外廣泛使用的PQ分解算法三個(gè)研究發(fā)展階段。
[0005]90年代開始面向結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算研究。因配電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)、開環(huán)運(yùn)行的特性，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)多呈輻射狀，在發(fā)生故障或倒換負(fù)荷時(shí)，則呈短時(shí)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)；且在線路參數(shù)上R/X比值較大，網(wǎng)絡(luò)的PQ節(jié)點(diǎn)多、PV節(jié)點(diǎn)較少等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的牛頓拉夫遜算法、快速解耦法出現(xiàn)病態(tài)收斂、不再有效。
[0006]為此，許多學(xué)者針對(duì)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特性一方面對(duì)牛頓法、快速解耦法進(jìn)行了改進(jìn)，但使之求解復(fù)雜化，犧牲了原有算法的收斂性和穩(wěn)定性；另一方面陸續(xù)提出了前推回代類算法、回路阻抗法等新配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法。
[0007]其中前推回代類算法具有線性收斂、魯棒性好、求解速度快、內(nèi)存占用少等優(yōu)異特性，適用于輻射狀配電網(wǎng)的潮流計(jì)算。但在應(yīng)用于環(huán)狀或含有PV節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)潮流計(jì)算分析時(shí)，需進(jìn)行特殊處理從而增加了求解難度，通用性、收斂性不強(qiáng)。
[0008]S.K.Goswani等人提出的回路阻抗法，與上述算法相比，具有網(wǎng)孔處理能力強(qiáng)、收斂性好、穩(wěn)定性高，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但在計(jì)算機(jī)求解過(guò)程中存在下述問(wèn)題:(I)為利用稀疏矩陣技術(shù)簡(jiǎn)化回路阻抗矩陣的LU分解，王守相等人將配電網(wǎng)樹狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)二叉樹形式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化，加大了算法復(fù)雜度，限定了中間節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的求解順序，改變了配電網(wǎng)原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不便于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；王丹提出鄰接表與二叉樹結(jié)合的方式進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號(hào)優(yōu)化便于網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)但也無(wú)法進(jìn)行有環(huán)配電網(wǎng)阻抗矩陣的自動(dòng)化生成。(2)CPU對(duì)阻抗矩陣進(jìn)行LU分解時(shí)，劉耀年等人采用一定的技巧對(duì)對(duì)角線元素和相鄰元素進(jìn)行了優(yōu)化，但因阻抗矩陣為對(duì)稱滿秩矩陣在計(jì)算過(guò)程中矩陣元素仍將占用大量?jī)?nèi)存，計(jì)算速度會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù) 目的大量增加而大幅下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種運(yùn)算速度高、適用范圍廣的基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法。
[0010]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0011]一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，該方法包括以下步驟:
[0012]A、對(duì)配電網(wǎng)上的發(fā)電站節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，形成配電網(wǎng)原始接圖；
[0013]B、根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系構(gòu)建十字鏈表；
[0014]C、通過(guò)電壓互感器檢測(cè)配電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的電壓，電壓互感器的二次側(cè)經(jīng)交流插件和A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)輸出至GPU計(jì)算處理，根據(jù)配電網(wǎng)的原始接圖以及配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電流流向關(guān)系，構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣；
[0015]D、根據(jù)十字鏈表判斷配電網(wǎng)中是否含有環(huán)網(wǎng)，若是，則破壞該環(huán)網(wǎng)處的閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，增加一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)地修改十字鏈表，并在關(guān)聯(lián)矩陣中增加閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)破壞后的虛擬節(jié)點(diǎn)編號(hào)的行與列，同時(shí)調(diào)整關(guān)聯(lián)矩陣中的元素值，若否，則直接執(zhí)行步驟E ；
[0016]E、通過(guò)十字鏈表和關(guān)聯(lián)矩陣，構(gòu)建除了發(fā)電站之外的配電網(wǎng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的初始阻抗矩陣Z，通過(guò)GPU迭代求解配電網(wǎng)潮流，并將計(jì)算結(jié)果在相應(yīng)儀表中顯示。
[0017]所述的十字鏈表中包括頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)和邊結(jié)點(diǎn)。
[0018]所述的頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)由verlink指針、info指針、firstin指針和firstout指針?biāo)膫€(gè)部分組成，其中，所述的verlink指針指向下一頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)；所述的info指針中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)Vp負(fù)荷節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)flag、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)阻抗值Zi和閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)破環(huán)后增加的虛擬節(jié)點(diǎn)編號(hào);所述的firstin指針指向第一個(gè)以該點(diǎn)為終點(diǎn)的支路；所述的firstout指針指向第一個(gè)以該點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)的支路；
[0019]所述的邊結(jié)點(diǎn)由bpoint指針、epoint指針、info指針、elink指針和blink指針五個(gè)部分組成，其中，所述的bpoint指示支路的出發(fā)點(diǎn)；所述的epoint指示支路的終點(diǎn)；所述的info指針存儲(chǔ)支路阻抗；所述的elink指針指向終點(diǎn)相同的下一條支路；所述的blink指針指向出發(fā)點(diǎn)相同的下一條支路。
[0020]所述的關(guān)聯(lián)矩陣A為(n-1) X (n_l)階矩陣，對(duì)于關(guān)聯(lián)矩陣中的i行j列元素A(i，j)，當(dāng)存在流入節(jié)點(diǎn)j的電流且流經(jīng)節(jié)點(diǎn)i時(shí)A(i, j) = I,否則A(i, j) = Oo
[0021]所述的步驟D中根據(jù)十字鏈表判斷配電網(wǎng)中是否含有環(huán)網(wǎng)具體為:依次遍歷十字鏈表中頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)，根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)flag Φ O訪問(wèn)其中的負(fù)荷節(jié)點(diǎn),若每一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的firstin指針?biāo)钢返膃link指針均為null,則可判定該配電網(wǎng)無(wú)環(huán)網(wǎng)構(gòu)成；若某一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)vi的firstin指針?biāo)钢返膃link指針不為空,則可判定在該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處形成環(huán)網(wǎng)。
[0022]若配電網(wǎng)無(wú)環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，則根據(jù)下式求解關(guān)于每個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的回路方程系數(shù)，最終生成初始阻抗矩陣Z:
[0023]以每條回路電流為求解變量，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得下述回路阻抗方程組:
【權(quán)利要求】
1.一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: A、對(duì)配電網(wǎng)上的發(fā)電站節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，形成配電網(wǎng)原始接圖； B、根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目和節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系構(gòu)建十字鏈表； C、通過(guò)電壓互感器檢測(cè)配電網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)間的電壓，電壓互感器的二次側(cè)經(jīng)交流插件和A/D轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)輸出至GPU計(jì)算處理，根據(jù)配電網(wǎng)的原始接圖以及配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的電流流向關(guān)系，構(gòu)建關(guān)聯(lián)矩陣； D、根據(jù)十字鏈表判斷配電網(wǎng)中是否含有環(huán)網(wǎng)，若是，則破壞該環(huán)網(wǎng)處的閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，增加一個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)地修改十字鏈表，并在關(guān)聯(lián)矩陣中增加閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)破壞后的虛擬節(jié)點(diǎn)編號(hào)的行與列，同時(shí)調(diào)整關(guān)聯(lián)矩陣中的元素值，若否，則直接執(zhí)行步驟E ； E、通過(guò)十字鏈表和關(guān)聯(lián)矩陣，構(gòu)建除了發(fā)電站之外的配電網(wǎng)中所有負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的初始阻抗矩陣Z，通過(guò)GPU迭代求解配電網(wǎng)潮流，并將計(jì)算結(jié)果在相應(yīng)儀表中顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，所述的十字鏈表中包括頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)和邊結(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，所述的頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)由verlink指針、info指針、firstin指針和firstout指針?biāo)膫€(gè)部分組成，其中，所述的verlink指針指向下一頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)；所述的info指針中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)V1、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)flag、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)阻抗值Zi和閉環(huán)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)破環(huán)后增加的虛擬節(jié)點(diǎn)編號(hào);所述的firstin指針指向第一個(gè)以該點(diǎn)為終點(diǎn)的支路；所述的firstout指針指向第一個(gè)以該點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)的支路； 所述的邊結(jié)點(diǎn)由bpoint指針`、epoint指針、info指針、elink指針和blink指針五個(gè)部分組成，其中，所述的bpoint指示支路的出發(fā)點(diǎn)；所述的epoint指示支路的終點(diǎn)；所述的info指針存儲(chǔ)支路阻抗；所述的elink指針指向終點(diǎn)相同的下一條支路；所述的blink指針指向出發(fā)點(diǎn)相同的下一條支路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，所述的關(guān)聯(lián)矩陣A為(n-l)X(n-l)階矩陣，對(duì)于關(guān)聯(lián)矩陣中的i行j列元素A(i，j)，當(dāng)存在流入節(jié)點(diǎn)j的電流且流經(jīng)節(jié)點(diǎn)i時(shí)A(i, j) = I,否則A(i, j) = Oo
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，所述的步驟D中根據(jù)十字鏈表判斷配電網(wǎng)中是否含有環(huán)網(wǎng)具體為:依次遍歷十字鏈表中頂點(diǎn)結(jié)點(diǎn)，根據(jù)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)flag古O訪問(wèn)其中的負(fù)荷節(jié)點(diǎn),若每一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的firstin指針?biāo)钢返膃link指針均為null，則可判定該配電網(wǎng)無(wú)環(huán)網(wǎng)構(gòu)成；若某一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)Vi的firstin指針?biāo)钢返膃link指針不為空,則可判定在該負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處形成環(huán)網(wǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，若配電網(wǎng)無(wú)環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，則根據(jù)下式求解關(guān)于每個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的回路方程系數(shù)，最終生成初始阻抗矩陣Z: 以每條回路電流為求解變量，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得下述回路阻抗方程組:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，若在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)\處有環(huán)網(wǎng)生成，則初始阻抗矩陣Z的對(duì)角線元素Zi, i和非對(duì)角線元素Zi, j的計(jì)算公式為:
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，所述的通過(guò)GPU迭代求解配電網(wǎng)潮流具體為: 1)采用基于right-lookingLU分解法的并行Gauss消去算法對(duì)回路阻抗方程組進(jìn)行求解，獲得配電網(wǎng)中各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電流和各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率； 2)判斷求得的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率是否滿足迭代終止條件，若是，則執(zhí)行步驟3)，若否，則對(duì)Zi, i中的Zi進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)Zi, i重新賦值，然后進(jìn)行下一次的GPU迭代求解，返回步驟I)； 3)利用所得負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電流先后計(jì)算配電網(wǎng)各支路電流ii和節(jié)點(diǎn)電壓Uj，其中1、j為節(jié)點(diǎn)編號(hào):
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于GPU的快速求解配電網(wǎng)潮流的計(jì)算方法，其特征在于，所述的迭代終止條件為 求得的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)功率與給定負(fù)荷功率的差值小于設(shè)定的精度。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK103793590SQ201210431858
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月1日
【發(fā)明者】李光耀, 王文舉, 王力生 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)