基于可重构计算技术的暂态稳定性实时计算方法研究

可重构计算是一种既保留了硬件计算的高效性，又兼具通用软件编程灵活性的全新计算模式。本项目着重研究基于可重构计算技术的电力系统暂态稳定性实时计算方法。所提方法的基本思路，就是利用多级、高阶辛Runge-Kutta算法所独有的内在时间并行特性，将暂态稳定性时间域内的计算转换到空间域内，在此基础上，利用改进的多波前算法完成最终的大规模稀疏线性代数方程组的求解。项目在研究新算法的同时，将构建基于FPGA的可重构计算系统，以便对所提出的新算法进行实际验证。.可重构计算是未来高性能计算的发展趋势。本项研究工作将可重构计算技术引入现代大规模电力系统实时分析计算领域，在研究并提出一类新的暂态稳定性计算方法的同时，将为电力系统实时分析计算及控制提供一种新的解决方案。

本项目主要研究基于可重构计算技术的电力系统暂态稳定性快速计算方法。具体内容包括2个大的方面：基于辛几何算法的暂态稳定性并行计算方法；基于可重构计算系统的算法性能测试及验证。研究工作的主要目标，就是研究出一种或一类新的暂态稳定性并行计算方法，该方法在简易的可重构计算机上能够实现大规模电力系统暂态稳定性的实时分析计算。. 课题组着重研究了基于辛Runge-Kutta(辛RK)方法的电力系统暂态稳定性并行计算方法。辛RK方法包括s级2s阶的辛Gauss方法、s级2s-1阶的辛Radau方法以及s级2s-2阶的辛Lobatto方法。利用多级高阶辛RK方法将暂态稳定性计算的微分—代数方程组进行多级差分后转化为大规模非线性方程组，并利用严格牛顿法对其进行求解。然后，直接利用矩阵三角分解方法将整体计算任务分解为2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；对剩下的一部分计算任务(以下简称集合矩阵方程)，采用预处理GMRES方法对其进行空间并行求解。. 在上述算法框架的基础上，利用W-变换将集合矩阵方程转换为块三对角矩阵方程，然后将块三对角矩阵方程求解的双参数法与预处理GMRES方法巧妙地结合在一起，提出了一种新的暂态稳定性并行计算方法；利用V-变换，导出了一种新的基于辛Radau方法的暂态稳定性并行计算方法；利用基于矩阵实特征值分解的Butcher变换，提出了一种新的基于3级4阶辛Lobatto方法的暂态稳定性并行计算方法。. 上述3类新方法具有以下优点：算法在整体求解中采用严格牛顿法，因而具有很好的收敛性；算法具有s个时间并行度；提出的预处理GMRES方法具有好的收敛性，其中预处理只涉及1个分块矩阵的逆，相当于单级算法的计算量。. 采用GPU计算技术，对所提出的并行算法进行了测试和验证。测试结果表明：在系统规模较大的情况下，即使采用单一的GPU计算节点，所提出的新方法均可以获得较高的加速比；对2383 wp大规模算例系统，获得了超过11倍的加速比。. 课题研究已发表论文9篇，培养硕士生4名，推广项目研究成果1项。基于课题研究成果，即将在科学出版社出版《大规模电力系统暂态稳定性数值计算方法》专著1部。