[发明专利]一种基于GPU加速的电网拓扑分析高性能计算方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于GPU加速的电网拓扑分析高性能计算方法及装置，根据电网模型分层分区的特点，以及电网计算需求的抽象特性，对电网中各类元器件进行抽象建模，并将电网信息保存到系统内存中，在使CPU和GPU能够共享使用数据的同时，保持了CPU与GPU不同设备间数据格式的一致性，保证了并行网络拓扑分析的执行效率和稳定性。本发明提供的一种基于GPU加速的电网拓扑分析高性能计算方法及装置，将GPU通用并行计算技术应用到电网网络拓扑分析中，提高了电网网络拓扑分析的执行效率，为大规模并联电网的在线分析计算提供了实时性的支持，以便在后续计算应用时能更及时地得到电网结构的实时状态。

技术领域

本发明涉及一种基于GPU加速的电网拓扑分析高性能计算方法及装置，属于电力系统高性能计算应用技术领域。

背景技术

目前，电网拓扑分析，是电力能量流动过程中，对用于转换、保护、控制这一过程的元件状态的分析。进行拓扑分析的目的是将分析结果用于电网分析和计算，它介于底层信息（如SCADA），和高层应用（如状态估计和安全调度）之间，底层信息是拓扑分析的基础，高层应用是拓扑分析的目的。电网拓扑分析是电网管理系统的重要组成部分，是实现“数字化”电网的关键一步。由于拓扑分析是公用的基础模块，其可靠性和快速性直接影响到其上应用层的性能，因此对其研究具有重要价值。

电网拓扑分析主要是根据电网中电气元件在物理上的连接关系和开关/刀闸的闭合情况，生成电网在线分析计算中使用的母线-支路计算模型，具体分为两个步骤：厂站拓扑分析：根据开关/刀闸的闭合情况，由物理节点模型生成计算节点模型。其功能是分析某一个厂站内的物理节点由闭合开关连接形成多少个计算节点，其结果是将厂站划分为若干个计算节点。系统拓扑分析：根据支路的连接情况，分析电网的计算节点由闭合的支路连接成多少个子系统。电网正常运行时一般同属于一个子系统。电网中具有不同参数的元件，在拓扑结构中是彼此并列的，这天然地适合并行化处理。

传统电网拓扑分析采用串行方法，在大规模电网拓扑分析中表现很差。近年来，随着CPU多线程技术的进步和普及，一些采用CPU多线程进行加速的电网拓扑分析方法被提出来。但是，由于CPU多线程受到CPU硬件核心数的限制，往往仅能采用4线程或8线程，对比现实电网的大体量，其并行度远远不足，当电网规模进一步扩大时，CPU多线程并行的运算表现迅速降低。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的串行拓扑分析实时性较差的不足，本发明提供一种基于GPU加速的电网拓扑分析高性能计算方法，CPU进行拓扑数据预处理，而将大规模的拓扑搜索步骤置于GPU上完成，设计相关的并行算法，从而实现电网拓扑分析的并行计算。对实际电网进行的测试结果表明，该方法具有优异的实时性和稳定能，能够满足电网实时在线拓扑分析的需求。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于GPU加速的电网拓扑分析高性能计算方法，包括如下步骤：

CPU对电网调度控制系统电网模型进行图论抽象，得到CPU端的压缩邻接数组h_Adj1，h_Adj2，h_Adj1代表全网物理节点的第一压缩邻接数组，h_Adj2代表全网物理节点的第二压缩邻接数组；

GPU调用内核函数Topo_Kernel_1BlockNum，ThreadNum，将CPU端全网物理节点的第一压缩邻接数组h_Adj1传到GPU端全网物理节点的第一压缩邻接数组d_Adj1，根据GPU端物理节点的标志位前驱数组d_Frontier[d_Adj1[i]]=1，表示在下一次启动时，d_Adj1[i]号物理节点需要启动，GPU端物理节点的标志位结果数组d_Visited[i]=m，表示第i个物理节点属于m号计算节点，将各计算节点包含的物理节点序号，保存在CalculationNodeMap中，再根据CPU端全网物理节点的第二压缩邻接数组h_Adj2，得到CPU端计算节点的压缩邻接数组h_Adj_Island；BlockNum表示同时启动的线程块数，ThreadNum表示每一个线程块内，同时启动的线程数；