基于微分求积法的电力系统暂态稳定性并行计算研究

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并行计算是实现大规模电力系统暂态稳定性实时计算与分析的有效技术。依托国家自然科学基金项目《基于微分求积法的电力系统全过程动态仿真时空多尺度计算方法研究》(基金号:51377098),本文将微分求积法(DQM)应用于电力系统暂态稳定性并行计算。为此,本文在微分求积法的数值稳定性、计算精度等基本特性以及雅可比矩阵方程组的解耦算法等方面开展了系统性的理论研究。  本文首先依据微分求积法的基本原理,推导、证明了微分求积法的权系数矩阵满足V-变换(V-transformation)这一重要特性;建立了微分求积法和隐式Runge-Kutta(RK)方法的等值关系。在此基础上,利用隐式RK方法的稳定函数,严格证明了传统的微分求积法是 A-稳定的方法。利用 Butcher提出的基本阶定理,推导、证明了以下结论:采用切比雪夫(Chebyshev)网格、切比雪夫-高斯-洛巴托(Chebyshev-Gauss-Lobatto)网格以及均匀网格的微分求积法是 s级 s阶的数值方法;采用高斯-勒让德(Gauss-Legendre)网格的微分求积法是s级2s阶的数值方法,即高斯方法。然后,基于微分求积法的权系数矩阵满足V-变换这一重要特性,采用待定系数法和Padé对角逼近,推导出了3类新的、s级2s阶的微分求积法。  其次,利用多级高阶微分求积法的“内在的时间并行特性”,提出了按时间内点解耦的两类并行算法。第一类是基于 V-变换的暂态稳定性并行计算方法,该算法首先直接利用分块矩阵三角分解将整体计算任务分解为两部分:一部分计算任务可按相应的级数或在不同的时间点上进行“解耦”,因而具有完全的时间并行性;然后对剩下的一部分计算任务,采用基于V-变换预处理的GMRES(m)方法对其进行空间并行求解;第二类是基于扩展Sherman-Morrison公式的暂态稳定性并行计算方法,该算法首先按 s个时间点将整体雅可比矩阵分裂成为一个分块对角矩阵和一个分块常系数矩阵,然后,以分裂后的分块对角矩阵为基础(主并行),利用扩展的Sherman-Morrison矩阵求逆公式将s个时间点上的计算任务进行“解耦”(辅并行)。  最后,利用两个算例系统,对这两类并行算法进行了实际测试,结果表明:这两类算法不仅具有良好的收敛特性和计算精度;还兼具了时空并行特性,可以实现大规模电力系统的实时计算与分析。
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