含有大规模多导体系统的电磁瞬态问题时域快速仿真技术的研究

The simulation technology is one of the key tools for analyzing the electromagnetic transient problems in the power system, such as lightning over-voltage, switching transient over-voltage and electromagnetic interference, etc. There are many large scale multi-conductors with a complex structure in the power system, such as the power transformer coils, inductors, grounding system in the power station, integrated grounding system of the rail transit viaducts, etc., which will result in a computational intensive task. Because the conversional serial simulation technology cannot work well，the development of the parallel electromagnetic transient simulation technology is now in great demand. This project, focuses on addressing some technical problems, such as (1) the efficient electromagnetic parameter extraction method with the ElectroMagnetoQuasiStatic (EMQS) assumption and the full-wave model.(2) the general method for forming the mathematic model equations for the large scale multi-conductors system with the EMQS assumption and the full-wave model.(3) the waveform relaxation method and its parallel realization for the large scale multi-conductors system with a uniform convergence rate over the considering frequency band.(4) design the multi-conductors experimental platforms to validate the algorithm. The academic research work of this project will provide a theoretical and technical support for developing the electromagnetic transient simulation technology of the power system.

电力、通讯、高速铁路系统中包含有大量结构复杂的多导体系统，如变压器、电抗器的绕组、变电站的接地网、电力电缆及二次电缆、高速铁路中的高架桥综合接地系统及其牵引供电系统等，这将导致整个系统的电磁瞬态仿真运算量巨大，现有的串行仿真技术难以胜任。本课题针对大规模多导体系统的时域快速仿真技术开展研究，应用电路与电磁场分析方法，结合实验平台及现场的时、频域测量，开展如下研究：（1）研究大规模强耦合多导体系统的准静态场和全波模型电磁参数的快速提取方法；（2）研究大规模强耦合多导体系统数学模型的通用建立方法；（3）研究具有全频段均匀收敛速率的大规模强耦合多导体系统的波形松弛方法及其并行化实现策略（4）设计和搭建实验平台，开展现场实验进行方法验证。通过对上述内容的研究，将更加完善电磁瞬态仿真技术，为突破大规模电磁瞬态问题数值仿真低效瓶颈，推动电力系统电磁瞬态并行仿真技术的发展提供理论支撑和实用技术指导。

准确而快速的电磁瞬态数值仿真是描述系统动态特性、揭示系统运行机理的主要技术，是电力系统故障分析、优化设计、过电压与绝缘配合和电磁兼容评估的重要手段。包括电力、通讯、高速铁路等在内的独立电力系统中包含有大量结构复杂的多导体系统，如变压器、电抗器的绕组、变电站的接地网、电力及二次电缆、高速铁路综合接地系统等，这将导致整个系统的电磁瞬态仿真运算量很大，现有的串行仿真技术难以胜任。本项目针对大规模多导体系统的时域快速仿真技术开展研究，应用电路与电磁场分析方法，结合时、频域实验测量，开展了如下研究内容：（1）研究强耦合多导体系统的准静态场和全波模型电磁参数的并行提取方法；（2）研究适合于并行的强耦合多导体系统通用数学模型的建立方法；（3）研究具有速度收敛的重叠波形松弛法的分区策略（4）搭建实验平台，进行方法验证。结合项目研究内容，基于GPU并行技术，讨论了电磁瞬态仿真中涉及的矩阵相乘、LU分解等运算的并行实现方法，为后续电磁瞬态仿真奠定了基础；提出了一种节点撕裂法和波形松弛法相结合的强电磁耦合系统的求解技术，该方法基于分而治之的思想将大网络划分为若干子网络并行求解，同时采用重叠分区波形松弛方法弥补了传统的节点撕裂法无法求解感性耦合网络的缺点，结合GPU并行仿真技术，可有效提高电磁瞬态仿真的求解效率；针对场线耦合问题，提出了雷电感应电磁场的快速计算方法以及考虑冲及电晕的多导体传输线系统的雷电感应过电压求解模型，推进了多导体场线耦合模型的建模与仿真技术；分别对埋地接地网系统、高速铁路综合接地系统、建筑物雷电保护系统及干式电抗器等绕组类设备等多个多导体系统开展了参数提取及电磁瞬态仿真，并通过与现有文献及实验结果对比，验证得方法的正确性。项目所取得的成果进一步完善了电磁瞬态仿真技术，为突破大规模电磁瞬态问题数值仿真低效瓶颈，推动电力系统电磁瞬态并行仿真技术的发展提供了理论支撑和实用技术指导。