面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法技术

本发明专利技术提出了一种面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法。在开关状态频繁改变的电力电子电路的仿真过程中，对于指数积分算法，需要重新对

GPU acceleration method for power electronic circuit transient simulation based on exponential integration

A GPU acceleration method for transient simulation of power electronic circuits is proposed in this paper. In the simulation of power electronic circuits with frequent switch state changes, the exponential integration algorithm needs to be re examined.

【技术实现步骤摘要】
面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法
本专利技术涉及一种电力电子电路暂态仿真GPU加速方法。特别是涉及一种适用于电力系统电磁暂态建模仿真应用的面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法。
技术介绍
近年来，随着可再生能源的大规模接入及交直流互联电网的运行规模不断增加，同时考虑到电力电子化电力系统的发展趋势，电力能源系统正面临着前所未有的复杂动态特性的耦合及其运行控制方面的挑战。而基于元件详细动态特性建模的电力系统电磁暂态仿真因其能够准确刻画微秒级的系统快动态过程，正逐渐在新能源电力系统的分析、设计与运行等方面获得更加广泛的重视与应用。同时，电磁暂态仿真在计算效率方面的矛盾也随着电网规模及复杂性的增加和所关注动态过程时间尺度的延伸而愈发突出，传统的电磁暂态仿真方法已很难满足要求。目前，提高电磁暂态仿真的效率主要从以下两个维度考虑：一是通过仿真算法的改进，如采用模型化简、高效的数值算法等；二是利用并行的硬件环境，如集群计算、FPGA(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)、GPU(GraphicProcessUnit，中央处理器)等并行计算资源提高计算效率。由于电磁暂态仿真的计算量随系统规模迅速增大，单纯依靠算法的改进可能较难取得满意的加速效果。因此，并行计算资源及方法便成为解决电磁暂态仿真效率问题的重要手段。其中，FPGA的灵活性较强，可以适应较为复杂的系统运算求解过程，但与此同时也意味着更加繁复的系统设计方式。对于一个复杂的算法或元件模型，首先要对目标进行分析，再使用高级硬件描述语言设计硬件模块，并对FPGA中大量的硬件电路进行组合连接。而GPU的计算单元更丰富、峰值性能更强大，更适合处理规模较大但流程简单的计算问题。此外，GPU的软件开发可以基于C/C++等成熟的编程语言，设计方式更加灵活简单。近年来，图形处理器GPU的性能得到了飞速的发展，支持的运算也越来越复杂，可编程性和功能都得到极大地扩展，已不仅仅局限于图形处理领域的应用。GPU由于拥有数量众多的计算核心，在通用科学计算方面展示出了强大的计算潜力，其性能已超越同时期的CPU。此外，CUDA(ComputeUnifiedDeviceArchitecture)的问世也推动了GPU在一般通用计算中的应用。GPU提供的并行计算资源是当前及未来高性能计算的重要发展方向之一。本专利技术采用的是CPU/GPU异构计算。程序的计算速度是由CPU与GPU共同决定的，对二者合理的分配任务以提高计算效率是非常必要的。根据CPU和GPU的结构特点，一般将计算密度较高、逻辑分支简单的大规模并行任务交给GPU处理，而复杂逻辑和事物处理等串行计算由CPU解决，并在此基础上考虑尽可能减少二者之间的数据传递，从而最大限度的利用计算机的计算能力。程序根据编程者的设计在CPU与GPU上交替运行，并互相传输数据。现代电力系统中，随着系统模型复杂程度的增加，动态过程的多时间尺度特性更加明显，系统模型表现出较强的刚性。随着电磁暂态仿真的复杂程度不断提升，更多高效的数值算法不断被提出并获得应用。不同于EMTP类程序，指数积分方法主要基于状态分析框架，此时系统的仿真模型可以用以下状态方程描述：对于该非线性微分方程，一种典型的指数积分方法——指数欧拉法将其推导为如下形式：其中指数欧拉公式在时间间隔[tn,tn+1]内，对式(2)中随时间变化的非线性部分g(t,x(t))近似处理为不变量g(tn,xn)，并将族函数引入积分公式。其中xn∈RN是精确值x(tn)的数值近似。hn＝tn+1-tn为该步的仿真步长，是族函数的第一函数，定义如下：其中，族函数的递推关系如式(4)所示：当前，随着可再生能源的广泛接入和系统电力电子化的演变趋势，电力电子装置已被广泛地应用到电力系统中，如柔性交流输电技术(FACTS)、高压直流输电技术(HVDC)以及各种可再生能源的分布式发电系统。针对电力电子器件的仿真已经成为了现阶段电磁暂态仿真算法的核心问题之一，这不仅是传统积分算法面临的挑战，同时也对指数积分方法提出了更高要求。在仿真过程中，电力电子开关的快速变化使得系统状态频繁发生改变。对于指数积分算法，便需要在每次状态变化后重新生成状态矩阵，并对族函数进行求解，这将会消耗大量的仿真时间。另一方面，还需要对开关的确切动作时间进行确定，并重新计算开关动作后的系统状态，此外还会遇到在一个仿真步长中开关多次变化的多重开关动作情况。因此对于含大量电力电子变流装置的系统，提出高效的仿真策略具有重大的意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能够提高仿真效率的面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法，包括如下步骤：1)在状态分析框架下，建立待研究电力系统的电磁暂态仿真模型；2)进行系统初始化，包括：设定仿真时间T，仿真步长ΔT＝h；设定当前时刻为仿真起始时刻tn＝t0，依照仿真需要设置电气系统状态变量的仿真初值xn＝x0，并由y0＝f(t0,x0)，得到仿真起始时刻输出变量的值，写入输出文件；在图形处理器侧分配显存空间；3)根据电磁暂态仿真模型中的矩阵A以及设定的仿真步长h在主机端计算矩阵4)将矩阵A、矩阵以及系统状态变量x数据由主机端内存传输到对应的设备端显存上；5)将当前状态下的矩阵存储在设备端的存储器上，用于当该开关状态再次出现时直接调用；6)利用图形处理器并行计算资源，使用指数积分并行算法对电气系统进行求解，得到电气系统状态量x；7)将得出的电气系统状态量x传回主机端，求解该时刻控制系统的状态量；8)通过开关状态向量S判断开关状态在本时步内是否改变，若不变则转至步骤12)，否则继续下一步；9)开关状态改变时，采用适于矩阵存储的考虑多重开关动作的改进插值法确定开关动作时刻，并计算该时刻电气系统状态量；10)根据开关状态向量S判断该时刻的开关状态在之前的仿真过程中是否出现过，若是则继续下一步，否则根据该时刻的开关状态对电磁暂态仿真模型中矩阵A的相应元素进行更新后，返回步骤3)；11)调用存储器中储存的与该时刻开关状态对应的矩阵返回步骤6)；12)由yn＝f(tn,xn)得到tn时刻的输出向量并写入输出文件，更新仿真时刻tn＝tn+ΔT，仿真向前推进一个步长；13)比较当前时刻tn与仿真时间T，判断是否已经抵达仿真结束时刻，若已经达到，则仿真结束；若未达到，则返回步骤6)。步骤1)所述的电力系统电磁暂态仿真模型，是采用如下非线性微分方程组描述：其中，x为电气系统状态变量，矩阵A代表原微分方程组中的线性部分，含义是状态量之间的相互耦合关系，包含了模型中的主要信息；而g(t,x)则代表系统状态量耦合的非线性部分，y是通过系统状态变量x求出的输出量。步骤6)所述的指数积分并行算法对电气系统进行求解，包括：(1)在图形处理器上并行实现稀疏矩阵与向量的乘法运算dx←Axn；(2)在图形处理器上并行完成dx←dx+g(tn,xn)部分的计算，即g(tn,xn)更新，和g(tn,xn)与x的向量加法；(3)在图形处理器上并行实现稠密矩阵与向量的乘法运算(4)在图形处理器上并行计算向量加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在状态分析框架下，建立待研究电力系统的电磁暂态仿真模型；2)进行系统初始化，包括：设定仿真时间T，仿真步长ΔT＝h；设定当前时刻为仿真起始时刻tn＝t0，依照仿真需要设置电气系统状态变量的仿真初值xn＝x0，并由y0＝f(t0,x0)，得到仿真起始时刻输出变量的值，写入输出文件；在图形处理器侧分配显存空间；3)根据电磁暂态仿真模型中的矩阵A以及设定的仿真步长h在主机端计算

【技术特征摘要】
1.一种面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在状态分析框架下，建立待研究电力系统的电磁暂态仿真模型；2)进行系统初始化，包括：设定仿真时间T，仿真步长ΔT＝h；设定当前时刻为仿真起始时刻tn＝t0，依照仿真需要设置电气系统状态变量的仿真初值xn＝x0，并由y0＝f(t0,x0)，得到仿真起始时刻输出变量的值，写入输出文件；在图形处理器侧分配显存空间；3)根据电磁暂态仿真模型中的矩阵A以及设定的仿真步长h在主机端计算矩阵4)将矩阵A、矩阵以及系统状态变量x数据由主机端内存传输到对应的设备端显存上；5)将当前状态下的矩阵存储在设备端的存储器上，用于当该开关状态再次出现时直接调用；6)利用图形处理器并行计算资源，使用指数积分并行算法对电气系统进行求解，得到电气系统状态量x；7)将得出的电气系统状态量x传回主机端，求解该时刻控制系统的状态量；8)通过开关状态向量S判断开关状态在本时步内是否改变，若不变则转至步骤12)，否则继续下一步；9)开关状态改变时，采用适于矩阵存储的考虑多重开关动作的改进插值法确定开关动作时刻，并计算该时刻电气系统状态量；10)根据开关状态向量S判断该时刻的开关状态在之前的仿真过程中是否出现过，若是则继续下一步，否则根据该时刻的开关状态对电磁暂态仿真模型中矩阵A的相应元素进行更新后，返回步骤3)；11)调用存储器中储存的与该时刻开关状态对应的矩阵返回步骤6)；12)由yn＝f(tn,xn)得到tn时刻的输出向量并写入输出文件，更新仿真时刻tn＝tn+ΔT，仿真向前推进一个步长；13)比较当前时刻tn与仿真时间T，判断是否已经抵达仿真结束时刻，若已经达到，则仿真结束；若未达到，则返回步骤6)。2.根据权利要求1所述的面向指数积分的电力电子电路暂态仿真GPU加速方法，其特征在于，步骤1)所述的电力系统电磁暂态仿真模型，是采用如下非线性微分...

【专利技术属性】
技术研发人员：富晓鹏，刘君陶，李鹏，王成山，赵金利，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12