一种用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器技术方案

本发明专利技术公开了一种用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器，包括多个机柜、每个机柜有多个机箱、每个机箱有多个嵌入式计算插件。机箱中的嵌入式计算插件通过多针接口与硬件背板连接，每块嵌入式计算插件有多片不同于常规的高速计算芯片和多片FPGA芯片及其它必要的支持元器件。同一嵌入式计算插件的高速计算芯片通过SPI等总线直接相连，同一机箱所有计算插件的高速计算芯片通过FPGA‑硬件背板一体化矩阵制总线连接，各部分之间的通信和数据交换均经二级密码子算法压缩。各机箱之间通过CAN总线、USB和高速以太网等进行多重光纤数据传输通信。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种小型化的超级计算机，具体涉及一种用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器。
技术介绍
众所周知，我国研制成功“银河”超级计算机后，又研制了“曙光”超级计算机，近年研制成功的天河I号和天河II号超级计算机在全球排名第一。这些超级计算机体积庞大，有的甚至要占半个足球场大的空间，价格十分惊人。一般科研单位很难拥有一台真正属于自己的超级计算机，普通课题组则更是望尘莫及。银河和曙光超级计算机基本上是由若干PC机或其主板实现并行处理的，具体的并接点设置在主板的端口处。从CPU相互之间数据交换的角度来看，这种结构的巨型机各并行处理核之间的通信带宽并不适合大型电力系统暂态稳定并行仿真。电力系统仿真与现代物理、化学和材料研究不同，大型电力系统暂态仿真主要涉及一个10000-50000阶大型矩阵的逆阵，采用数学方法将这一巨大矩阵分解成数个相互解耦的对角阵和不解耦的边角块，其中一个对角阵由一个CPU或一个并行处理核负责计算。银河和曙光超级计算机有几千个这样的CPU或并行处理核，如果按上述方法将电力系统分解成几千个小区(即所谓的细粒度)，一个CPU或一个并行处理核负责某个与此对应的对角块，则并不能达到预期的并行处理速率，因为各CPU或各并行处理核之间交换数据引起的耗时太多。天河I号或天河II号属于多核CPU+GPU仿真平台，情况基本上与银河和曙光超级计算机相似，不同点仅在于用擅长线性代数运算的GPU协助CPU从而加速计算。不难看出，这种结构超级计算机的并行CPU之间的通信时间并没有减少，还另外增加了CPU与GPU之间的通信环节。所以说这种超级计算机在技术方面也不是很适应大型电力系统暂态并行仿真。国家电力科学研究院于2006年建成世界上首套基于PC机集群的可模拟万节点级的电力系统全数字实时仿真装置ADPSS，最近获得国家科技进步一等奖，ADPSS由8台普通电脑并采用高速以太网相互并接起来。成本并不很高，并行仿真10s的暂态过程实际耗用机时仅约4.5s，已经做到超实时仿真。但这是有条件的，即在10s时间内主要进行的是机网暂态仿真，只有在电网结构发生变化的短时间内才转而进行电磁暂态仿真，所以这种系统还不能满足未来智能电网更高的需求，但很难胜任更复杂、要求更高的计算任务。国内还有一些并行仿真或并行潮流计算研究组利用服务器内置多核CPU和外插GPU的仿真平台，目前还处于研究进程之中，进展不理想。在单台服务器的多核CPU平台上再外插一些另行购买的GPU插件只能组成一个小系统，如果将若干台这样的服务器并接起来则与天河I号或天河II号相同。这种单台服务器式仿真器的缺点是GPU的数目少，最大的问题同样在于GPU与CPU之间数据交换的带宽不够，影响了并行仿真效果，所以这种平台目前还停留在机电暂态仿真研究方面，尚未见到有人能在这种平台上很好地实现大型电力系统的电磁暂态仿真。电力系统尚需体积更小、性价比更好的并行计算平台，即可用于电网稳定等研究工作的小型化超级仿真器。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器。技术方案：一种用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器，包括1-8个机柜，每个机柜中设有4-6个机箱，每个机箱中设有一块硬件背板以及6-8个嵌入式计算插件，每个嵌入式计算插件包括4-6片带通信功能的高速计算芯片和2-3片FPGA芯片以及一个48-96针接口，所述带通信功能的高速计算芯片中集成有CPU和GPU；其中，单个嵌入式计算插件上的所有高速计算芯片之间均通过SPI总线相互连接，并通过数据通信总线连接FPGA芯片的输入端，所述FPGA芯片通过硬件逻辑电路将数据通信总线转换为16路数据线，所述16路数据线通过48-96针接口与机箱中的硬件背板连接；所述硬件背板上设有4×4矩阵制总线，单个机箱中的所有嵌入式计算插件之间通过硬件背板上的所述4×4矩阵制总线相连；单个机柜中的所有机箱之间通过CAN总线、USB、高速以太网相连，所有机柜之间通过光纤相连。进一步的，各机柜之间或单个机柜中各机箱之间传输的数据采用基于DNA组装及蛋白质合成原理的密码子数据压缩算法对数据进行压缩，包括如下步骤：首先，将待传数据按所需精度进行约化；然后对约化后的数据按设计规则进行排列，得到各数据在排列中的标识；数据发送方将标识发送至数据接收方，数据接收方根据标识从排列中查找得到数据。进一步的，所述带通信功能的高速计算芯片为高通生产的型号为4XX、6XX、8XX、LC1XXX系列无线通信芯片或TI生产的高速多核DSP芯片。一种基于用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器的电力系统仿真机网接口相量旋转计算方法，利用嵌入式计算插件中高速计算芯片运行GPU屏幕旋转算法来进行电力系统仿真机网接口的相量旋转计算，任一机网接口对应屏幕上一点的旋转；其中，GPU屏幕旋转算法中采用glRotated旋转函数或glRotatef旋转函数，并将Z轴设定为旋转轴，得到齐次坐标下的旋转变换矩阵MTR(θ)为： M T R ( θ ) = c o s θ - s i n θ 0 0 s i n θ cos θ 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器，其特征在于：包括1‑8个机柜，每个机柜中设有4‑6个机箱，每个机箱中设有一块硬件背板以及6‑8个嵌入式计算插件，每个嵌入式计算插件包括4‑6片带通信功能的高速计算芯片和2‑3片FPGA芯片以及一个48‑96针接口，所述带通信功能的高速计算芯片中集成有CPU和GPU；其中，单个嵌入式计算插件上的所有高速计算芯片之间均通过SPI总线相互连接，并通过数据通信总线连接FPGA芯片的输入端，所述FPGA芯片通过硬件逻辑电路将数据通信总线转换为16路数据线，所述16路数据线通过48‑96针接口与机箱中的硬件背板连接；所述硬件背板上设有4×4矩阵制总线，单个机箱中的所有嵌入式计算插件之间通过硬件背板上的所述4×4矩阵制总线相连；单个机柜中的所有机箱之间通过CAN总线、USB、高速以太网相连，所有机柜之间通过光纤相连。

【技术特征摘要】
1.一种用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器，其特征在于：包括
1-8个机柜，每个机柜中设有4-6个机箱，每个机箱中设有一块硬件背板以及6-8个嵌入
式计算插件，每个嵌入式计算插件包括4-6片带通信功能的高速计算芯片和2-3片FPGA
芯片以及一个48-96针接口，所述带通信功能的高速计算芯片中集成有CPU和GPU；
其中，单个嵌入式计算插件上的所有高速计算芯片之间均通过SPI总线相互连接，并通
过数据通信总线连接FPGA芯片的输入端，所述FPGA芯片通过硬件逻辑电路将数据通
信总线转换为16路数据线，所述16路数据线通过48-96针接口与机箱中的硬件背板连
接；所述硬件背板上设有4×4矩阵制总线，单个机箱中的所有嵌入式计算插件之间通
过硬件背板上的所述4×4矩阵制总线相连；单个机柜中的所有机箱之间通过CAN总线、
USB、高速以太网相连，所有机柜之间通过光纤相连。
2.根据权利要求1所述的用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器，其
特征在于：各机柜之间或单个机柜中各机箱之间传输的数据采用基于DNA组装及蛋白
质合成原理的密码子数据压缩算法对数据进行压缩，包括如下步骤：首先，将待传数据
按所需精度进行约化；然后对约化后的数据按设计规则进行排列，得到各数据在排列中
的标识；数据发送方将标识发送至数据接收方，数据接收方根据标识从排列中查找得到
数据。
3.根据权利要求1或2所述的用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器，
其特征在于：所述带通信功能的高速计算芯片为高通生产的型号为4XX、6XX、8XX、
LC1XXX系列无线通信芯片或TI生产的高速多核DSP芯片。
4.一种基于权利要求1所述用于大型电力系统暂态稳定研究的小型化超级仿真器的
电力系统仿真机网接口相量旋转计算方法，其特征在于：利用嵌入式计算插件中高速计
算芯片运行GPU屏幕旋转算法来进行电力系统仿真机网接口的相量旋转计算，任一机
网接口对应屏幕上一点的旋转；其中，GPU屏幕旋转算法中采用glRotated旋转函数或
glRotatef旋转函数，并将Z轴设定为旋转轴，得到齐次坐标下的旋转变换矩阵MTR(θ)为：
M T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆子见，陆广香，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32