基于异构并行的交直流混联系统快速建模与仿真技术研究

With increasing number of renewable energy and High Voltage Direct Current (HVDC) system in power system, more and more electrical electronic devices with fast dynamics are integrated into the power grid. The traditional power system gradually evolves to a hybrid AC-DC interconnected power system in generation, transmission and distribution networks. Under this situation, the coupling characteristics among transient processes of different temporal scale are strengthened, which increase the difficulties in power system operation and control. As a result, the research of hybrid AC-DC power system simulation with multi-timescale transient processes has important theory and practice significance..This project intends to research the simulation of hybrid AC-DC system with multi-timescale transient processes. In this project, a modeling methodology for power system with multi-timescale transient processes is proposed, and then a multi-rate simulation algorithm with high accuracy and efficiency is designed. At last, based on the modeling and algorithm proposed in this project, a heterogeneous parallel simulation platform based on CPU+GPU+FPGA is set up to simulate the multi-timescale transient processes of hybrid AC-DC system..The research of this project can promote the development of the power system modeling and simulation theory and the application of power system simulation based on CPU+GPU+FPGA heterogeneous computing architecture. It also can provide technical support for hybrid AC-DC power system, and guarantee the security and stability of power system.

随着新能源的大规模开发利用以及直流输电技术的迅速发展，大量快动态的电力电子设备的引入，使传统电力系统逐渐演化为发-输-配各环节电力电子化的交直流混联电力系统。在此环境下，电力系统各个时间尺度动态行为之间的耦合特性加强，使得系统动态行为变得异常复杂，大大增加了系统运行和控制的难度。因此，研究电力电子化的交直流混联电力系统仿真新方法具有重要的理论意义和工程价值。.本项目拟研究交直流混联电力系统快速暂态仿真新理论，主要内容包括提出交直流混联电力系统多时间尺度建模方法，设计准确高效的多速率仿真算法，构建基于CPU+GPU+FPGA异构计算架构的交直流混联电力系统多时间尺度仿真平台。.开展本项目研究，不仅可以促进电力系统建模与仿真理论的发展，推动CPU+GPU+FPGA异构计算架构在电力系统仿真中的应用，还可为交直流混联电力系统的运行和控制提供技术支撑，保障电力系统安全稳定运行。

近十年来，我国电网逐渐演化为以特高压交直流网络为骨干网架的大规模复杂系统。传统的机电-电磁混合仿真完全无法满足我国电网交直流耦合动态过程精确和高效的仿真需求。同时，GPU 异构并行计算技术近年来异军突起，计算能力超越传统CPU，并已被广泛应用于加速各类复杂计算任务。因此，有必要研究并改进交直流电网的建模和仿真理论，并结合先进异构并行技术，发展适用于交直流电网分析的高性能仿真工具。具体地，本项目针对交直流电网建模理论、仿真算法、并行加速、平台构建四个层面存在的关键共性问题开展研究，构建了大规模交直流电网多时间尺度建模仿真平台。项目的主要创新成果如下：.第一，针对传统建模方法无法平衡交流系统仿真精度和效率的问题，提出面向三相交流系统的序分量移频分析建模方法，建立了变压器、发电机的三序解耦移频分析模型，并设计了适用于不对称故障分析的多序网络戴维南等值协调求解方法。所提序分量移频分析建模和仿真方法具备无损建模特性，可准确刻画较宽频谱范围内动态过程，相对传统移频分析方法建模理论计算效率更高。.第二，在节点分析框架下，设计了基于多速率异步协调的移频分析混合仿真算法。提出了基于未移频解析信号的电磁暂态仿真算法，实现了对不同仿真步长和不同移频频率下的移频分析和序分量移频分析仿真单元的协调计算。相比传统机电-电磁混合仿真，多速率异步协调算法的接口设计保留了高频信号通路，计算过程不存在延时，故计算精度更高。.第三，适配GPU 并行计算资源禀赋，提出了大规模系统电磁暂态仿真的细粒度并行加速技术。通过线程体结构优化和细粒度计算资源配置，实现了完全基于GPU 的大规模电磁暂态加速仿真。进一步，提出了多场景电磁暂态仿真批量的GPU 并行仿真技术，可有效加速海量场景电磁暂态仿真驱动的复杂电网分析应用。.第四，结合所提出的建模方法、仿真算法和并行加速技术，构建了基于GPU异构并行环境的交直流电网多时间尺度暂态仿真平台，并以大规模交直流电网的算例测试验证了平台的正确性、高效性和可扩展性。.综上，本项目提出了面向大规模交直流电网的多时间尺度建模和并行仿真方法，构建了面向交直流电网暂态过程分析的高性能仿真工具，促进了电力系统仿真分析基础理论的发展。