基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)并行仿真計(jì)算

薛英林，吳方劼，張濤，楊一鳴，劉高任，徐政

(1. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流輸電系統(tǒng)并行仿真計(jì)算

薛英林1，吳方劼1，張濤1，楊一鳴1，劉高任2，徐政2

(1. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 102209；2. 浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州市 310027)

對(duì)于基于模塊化多電平換流器的多端柔性直流輸電系統(tǒng)以及直流電網(wǎng)而言，傳統(tǒng)基于串行結(jié)構(gòu)的電磁暫態(tài)仿真軟件已無法滿足實(shí)際的計(jì)算需求，需要采用并行計(jì)算技術(shù)突破這一難題。PSCAD/EMTDC是世界上廣泛使用的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件，其最新版本已經(jīng)全面支持并行計(jì)算。通過大模型拆分和多線程運(yùn)算，該軟件解決了由于模型過大而不能仿真或仿真效率低的問題，為實(shí)現(xiàn)多端柔性直流輸電系統(tǒng)以及直流電網(wǎng)的快速仿真提供了可能。詳細(xì)分析了PSCAD/EMTDC軟件的運(yùn)行機(jī)理及功能，對(duì)其新版本下的并行計(jì)算功能進(jìn)行了介紹和研究。通過搭建模型進(jìn)行仿真測(cè)試，探討了并行計(jì)算的技巧。仿真結(jié)果表明，并行計(jì)算功能可以大大降低大規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真時(shí)間，有效提升仿真分析效率。

模塊化多電平換流器(MMC)；并行計(jì)算；電磁暫態(tài)仿真；多端柔性直流輸電系統(tǒng)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，基于電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)的高壓直流輸電(high voltage direct current，HVDC)技術(shù)正受到越來越多的關(guān)注[1-3]。其中，模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的換流器拓?fù)渲弧Ｔ撏負(fù)洳捎没具\(yùn)行單元級(jí)聯(lián)的形式，避免了大量開關(guān)器件直接串聯(lián)，不存在一致觸發(fā)等問題，因此近年來得到了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并被迅速應(yīng)用到工程實(shí)際中[4-8]。

系統(tǒng)仿真建模是對(duì)MMC進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。MMC拓?fù)浒罅康碾娏﹄娮悠骷?，在正常運(yùn)行時(shí)，這些電力電子器件將頻繁開斷，這會(huì)加重系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算的負(fù)擔(dān)。特別是在實(shí)際工程中，隨著MMC電壓等級(jí)以及容量的增大，單個(gè)橋臂所需要串聯(lián)的子模塊數(shù)量將隨之增大，仿真建模的效率也會(huì)相應(yīng)降低。近年來，隨著MMC工程技術(shù)的不斷發(fā)展，多端柔性直流輸電系統(tǒng)以及直流電網(wǎng)正成為目前柔性直流輸電領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)。此外，在大功率、遠(yuǎn)距離輸電場(chǎng)合，還需要采用換流器串并聯(lián)的方法來擴(kuò)大容量。系統(tǒng)中大量電力電子裝置的出現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)方式下的電磁暫態(tài)仿真計(jì)算造成了較大壓力。

文獻(xiàn)[9]提出了一種MMC換流器的快速仿真建模方法，將子模塊及整個(gè)橋臂等效為戴維南等效支路，同時(shí)引入真實(shí)二極管模塊，大大減少了MMC導(dǎo)納矩陣的計(jì)算維數(shù)，加快了仿真速度。然而隨著仿真系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大，單純采用這種方法無法解決傳統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件在使用過程中經(jīng)常會(huì)遇到的仿真效率低、假死機(jī)或資源不足等技術(shù)瓶頸。傳統(tǒng)基于串行計(jì)算的仿真軟件要求用戶不得不將完整的系統(tǒng)分成幾個(gè)小系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真，這極大限制了用戶的使用范圍和效果。

為此，可以采用并行計(jì)算技術(shù)突破這一難題[10]。在眾多電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件中，PSCAD/EMTDC憑借其良好的操作性及較強(qiáng)的擴(kuò)展性，已經(jīng)成為了業(yè)界最廣泛使用的離線仿真軟件之一。EMTDC(electromagnetic transients including DC)是其仿真計(jì)算核心，其最早版本由加拿大Dennis Woodford博士于1976年在曼尼托巴水電局開發(fā)完成[11]。此后，該軟件被不斷開發(fā)完善，隨著PSCAD(power systems computer aided design)圖形界面的開發(fā)成功，用戶可以在圖形環(huán)境下靈活地建立電路模型，并直觀地觀測(cè)各種測(cè)量結(jié)果和參數(shù)曲線，這大大提升了用戶進(jìn)行仿真的效率。

2015年6月PSCAD/EMTDC V4.6版本正式發(fā)布，開始支持大規(guī)模并行計(jì)算。通過大模型拆分和多線程運(yùn)算，該軟件解決了由于模型過大而不能仿真或仿真效率低的問題，為實(shí)現(xiàn)多端柔性直流輸電系統(tǒng)以及直流電網(wǎng)的快速仿真提供了可能。

本文將對(duì)PSCAD/EMTDC軟件的運(yùn)行機(jī)理及功能進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)其新版本下的并行計(jì)算功能進(jìn)行介紹和研究。通過搭建模型進(jìn)行仿真測(cè)試，探討并行計(jì)算的技巧。仿真結(jié)果表明，并行計(jì)算功能可以大大降低大規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真時(shí)間，有效提升仿真分析效率。

1 PSCAD/EMTDC軟件介紹

1.1 軟件概述

PSCAD/EMTDC是目前世界上廣泛應(yīng)用的電磁暫態(tài)仿真軟件。最初，該軟件只能在大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。在隨后的幾十年中，該軟件被不斷開發(fā)完善，使之發(fā)展為既可以研究交直流電力系統(tǒng)問題，又能完成電力電子仿真及非線性控制的多功能工具[12]。該軟件于1986年被移植到Unix系統(tǒng)，后來又被移植到Windows系統(tǒng)上，PSCAD是其前端圖形化操作界面。得益于其友好的界面及良好的開放性，用戶可以靈活地建立電路模型，并直觀地觀測(cè)各種測(cè)量結(jié)果和參數(shù)曲線，這極大地增強(qiáng)了用戶進(jìn)行仿真分析的效率及趣味。

1.2 主程序結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理

PSCAD/EMTDC的主程序結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用該軟件進(jìn)行電力系統(tǒng)仿真研究時(shí)，首先需要在PSCAD圖形界面上選取相應(yīng)元件并搭建系統(tǒng)模型。PSCAD的元件庫涵蓋了大多數(shù)電力系統(tǒng)的常見元件，并含有大量測(cè)量、控制模塊。在當(dāng)前版本的軟件中，主要元件庫包括：無源支路元件庫、電源模型庫、測(cè)量元件模型庫、輸入輸出元件庫、電力變壓器模型庫、斷路器和短路操作模型庫、輸電線模型庫、旋轉(zhuǎn)電機(jī)模型庫、高壓直流輸電和電力電子元件庫、控制環(huán)節(jié)模型庫、邏輯電路模型庫、時(shí)序控制模型庫以及繼電保護(hù)模型庫等[13]。此外，PSCAD/EMTDC還具有強(qiáng)大的自定義模塊功能，通過使用軟件提供的建模工具或在仿真系統(tǒng)中嵌入由FORTRAN或C語言編寫的子程序，用戶可以直觀而簡便地實(shí)現(xiàn)自定義模塊的設(shè)計(jì)要求。

圖1 PSCAD/EMTDC主程序結(jié)構(gòu)Fig.1 Main program structure of PSCAD/EMTDC

建模完成之后，需要對(duì)系統(tǒng)的仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括：仿真步長、仿真時(shí)間、畫圖步長等。其中仿真步長決定了軟件的仿真精度，步長越小仿真精度越高，但仿真所需時(shí)間越長。PSCAD/EMTDC不能連續(xù)地模擬暫態(tài)現(xiàn)象，只能在離散的時(shí)間點(diǎn)上求解。仿真步長可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行選擇，以實(shí)現(xiàn)仿真精度與仿真效率的平衡。當(dāng)進(jìn)行柔性直流輸電系統(tǒng)的仿真時(shí)，其步長一般為20～50 μs。

接下來，軟件將可視化的模型元件轉(zhuǎn)換為EMTDC的子函數(shù)，然后調(diào)用設(shè)定的FORTRAN編譯器，通過調(diào)用EMTDC引擎庫生成最終的執(zhí)行文件。在仿真過程中，運(yùn)行結(jié)果可以隨著程序的進(jìn)度實(shí)時(shí)生成曲線，以便于用戶進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)，用戶可以通過輸入輸出元件庫的控制元件，自由調(diào)整參數(shù)值，以觀察系統(tǒng)對(duì)于某些參數(shù)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。此外，PSCAD/EMTDC能與MATLAB進(jìn)行接口，這大大增強(qiáng)了該軟件的圖形處理能力。

1.3 軟件功能及適用范圍

常規(guī)的機(jī)電暫態(tài)仿真對(duì)交流網(wǎng)絡(luò)采用正序相量進(jìn)行描述，仿真步長一般為ms級(jí)。這種方法雖然能夠?qū)Υ笮徒恢绷骶W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，但難以精確體現(xiàn)電力電子裝置的動(dòng)態(tài)特性，也難以對(duì)電網(wǎng)的不對(duì)稱故障進(jìn)行仿真。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)在故障情況下的響應(yīng)特性愈發(fā)復(fù)雜；同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的直流輸電、柔性交流輸電設(shè)備及各類控制保護(hù)裝置已經(jīng)投入運(yùn)行。對(duì)于復(fù)雜電網(wǎng)而言，單純的機(jī)電暫態(tài)仿真已經(jīng)無法滿足實(shí)際工程的研究需要。

PSCAD/EMTDC基于三相時(shí)域模型，能精確模擬包含電力電子器件的交直流輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)特性，同時(shí)可以對(duì)交流系統(tǒng)三相及不對(duì)稱故障進(jìn)行準(zhǔn)確分析。隨著實(shí)際工程對(duì)電磁暫態(tài)仿真需求的提升，PSCAD/EMTDC已被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、繼電保護(hù)控制、新能源并網(wǎng)以及電力電子仿真等方面的研究[14]。

2 電磁暫態(tài)仿真基本原理及并行計(jì)算實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 電磁暫態(tài)仿真原理

電磁暫態(tài)仿真的基本思路可以分為狀態(tài)變量分析法(state space analysis)以及節(jié)點(diǎn)分析法(nodal analysis)2類。相對(duì)于前者，節(jié)點(diǎn)分析法在實(shí)現(xiàn)難度以及仿真效率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此PSCAD/EMTDC等大多數(shù)電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件均基于此種算法[15]。

電磁暫態(tài)仿真通常用來分析系統(tǒng)在ms級(jí)以內(nèi)的暫態(tài)響應(yīng)特性，一般仿真步長較小，元件特性采用微分方程或偏微分方程來描述。對(duì)于待求解網(wǎng)絡(luò)，一般先采用數(shù)值積分方法對(duì)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)元件的微分方程進(jìn)行差分化，得到代數(shù)形式的差分方程組，從而得到等效的電導(dǎo)與歷史電流源并聯(lián)的諾頓等效電路，這種電路表示了各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)上的暫態(tài)等值計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。通過聯(lián)立差分方程組，可以得到如式(1)所示的節(jié)點(diǎn)方程，求解可得系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)電壓的瞬時(shí)值。

Gu=i

(1)

式中:u為t時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)電壓；G為等值網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)電導(dǎo)矩陣；i為各節(jié)點(diǎn)注入電流。

2.2 PSCAD/EMTDC并行計(jì)算的實(shí)現(xiàn)途徑

為了提高對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真的效率，很多學(xué)者對(duì)并行計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了研究。對(duì)于PSCAD/EMTDC而言，其采用的并行計(jì)算策略主要是基于長輸電線路解耦法[16-17]。

在電磁暫態(tài)分析中，對(duì)于采用貝杰龍(Bergeron)模型的長輸電線路，當(dāng)仿真步長小于電磁波在該段線路上的傳輸時(shí)間時(shí)，每個(gè)計(jì)算時(shí)刻可將線路兩端網(wǎng)絡(luò)自然解耦，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)矩陣呈現(xiàn)出分塊對(duì)角陣的特點(diǎn)，由此可以將網(wǎng)絡(luò)自然分割，并在此基礎(chǔ)上分塊并行計(jì)算。

單根分布參數(shù)線路模型的貝杰龍等值電路如圖2所示。設(shè)線路長為l，L0、C0分別為線路單位長度的電感和電容，則線路的波阻抗Z和沿線電磁波傳播速度v分別為：

(2)

(3)

根據(jù)貝杰龍法，推導(dǎo)可得單根無損線路的暫態(tài)等值計(jì)算公式：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ik(t)、ij(t)分別為t時(shí)刻線路k、j端注入電流；Ik(t)、Ij(t)分別為t時(shí)刻線路k、j端理想電流源；uk(t)、uj(t)分別為t時(shí)刻線路k、j端電壓。其中電磁波在線路上的傳遞時(shí)間τ為

(8)

由以上公式不難看出，該方法將含有波過程的分布參數(shù)線路模型轉(zhuǎn)化為僅含電阻和電流源的集中參數(shù)電路模型，線路兩端間的電磁聯(lián)系由t-τ時(shí)刻兩端電壓、電流的等值電流源來實(shí)現(xiàn)，而無直接拓?fù)渎?lián)系。

通過長輸電線路自然解耦后，每個(gè)積分步長內(nèi)各子網(wǎng)間互相傳遞的通信量小；且各子網(wǎng)內(nèi)部可分別獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算，不存在由于分網(wǎng)而附加的串行計(jì)算[18]。該方法計(jì)算的效率較高，目前已在與PSCAD/EMTDC有相似研發(fā)背景的電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(real time digital simulator，RTDS)上得到應(yīng)用。

圖2 單根無損線路暫態(tài)等值計(jì)算電路Fig.2 Transient equivalent circuit of single lossless line

3 基于PSCAD/EMTDC的多端柔性直流系統(tǒng)并行仿真方法

在最新推出的V 4.6版本中，PSCAD/EMTDC推出了并行計(jì)算功能。通過大模型拆分和多線程運(yùn)算，該軟件解決了由于模型過大而不能仿真或仿真效率低的問題，為實(shí)現(xiàn)多端柔性直流輸電系統(tǒng)以及直流電網(wǎng)的快速仿真提供了可能。

PSCAD/EMTDC的多核并行計(jì)算主要基于上文提出的長輸電線路解耦法，具體是通過ENI(electric network interface)實(shí)現(xiàn)的。ENI是一種允許用戶通過電氣接線將不同仿真模塊互相連接，并作為一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真的交互界面。這種方法從本質(zhì)上提供了一種將大型電力網(wǎng)絡(luò)分解成子網(wǎng)絡(luò)的解決方案。為了實(shí)現(xiàn)此功能，軟件中對(duì)現(xiàn)有的傳輸線路模型以及EMTDC與PSCAD的通信接口都進(jìn)行了相應(yīng)修改。并行計(jì)算基本流程如圖3所示，原有project中的完整電氣系統(tǒng)被分為若干子部分，每個(gè)子部分通過ENI相互連接，并分別成為不同的sub project。這些sub project具有獨(dú)立的仿真進(jìn)程，將生成獨(dú)立的EMTDC執(zhí)行文件，并在不同的CPU或進(jìn)程上獨(dú)立運(yùn)行。通過多核并行計(jì)算，系統(tǒng)的仿真時(shí)間將大大縮減。

下面以典型的雙端MMC-HVDC系統(tǒng)為例，介紹并行計(jì)算的具體方法。

圖4為傳統(tǒng)方法下的仿真模型，2個(gè)換流站分別采用定有功功率、定無功功率以及定直流電壓、定無功功率控制。換流器之間由采用Bergeron模型的架空線路(GNDCLP)連接。

圖3 PSCAD/EMTDC并行計(jì)算示意圖Fig.3 Parallel computing of PSCAD/EMTDC

圖4 傳統(tǒng)方法下兩端MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of two-terminal MMC-HVDC system in traditional method

圖5為分塊后的仿真模型示意圖。雙端MMC-HVDC系統(tǒng)被分為了2個(gè)project，其中每個(gè)project均包含一個(gè)換流器。分塊后，2個(gè)電氣子系統(tǒng)的邊界由采用Bergeron模型的架空線路來定義。這些線路也是子系統(tǒng)之間相連的主要方式。

圖5 分塊方法下兩端MMC-HVDC系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of two-terminal MMC-HVDC system in parallel simulation method

分塊后，這2個(gè)子系統(tǒng)將在不同的CPU中分別編譯、運(yùn)行。由于這種解耦策略主要基于長輸電線路解耦法，因此，需要先對(duì)輸電線路的連接類型進(jìn)行設(shè)置。在新版本中，line termination style的設(shè)置中增加了2個(gè)全新選項(xiàng)：Foreign ends以及Alien ends。其中Foreign ends較為常用，其主要功能是用于實(shí)現(xiàn)同一個(gè)workspace下2個(gè)project之間的電氣連接。

要實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算功能，還需用到PSCAD/EMTDC新推出的Simulation Sets功能。Simulation Sets允許添加到其中的project同時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算。系統(tǒng)會(huì)通過并行處理的方式，自動(dòng)調(diào)用并分配計(jì)算機(jī)的閑置資源，以最大程度地提高系統(tǒng)的仿真效率。需要注意的是，需要添加的project必須位于同一個(gè)workspace下，否則將無法添加進(jìn)入Simulation Sets。

為了使并行計(jì)算的效率最優(yōu)，網(wǎng)絡(luò)分解也需要遵守一定的原則。并行計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)的總計(jì)算量并沒有減少，而是分散到不同的CPU中同時(shí)進(jìn)行。假定原有策略下串行計(jì)算的總時(shí)間為Ts，理想情況下分塊后的計(jì)算時(shí)長應(yīng)為Ts/N，其中N為系統(tǒng)分塊數(shù)。然而由于各子系統(tǒng)間需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，因此會(huì)額外增加一定的時(shí)間，記為Tc。此外，若各子網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量不一致，則還需要增加為了實(shí)現(xiàn)同步所需的等待時(shí)間Tw。因此系統(tǒng)分為N個(gè)子網(wǎng)后并行計(jì)算總時(shí)長為

Ttotal=Ts/N+Tc+Tw

(9)

可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模一定時(shí)，系統(tǒng)分得越均勻、子網(wǎng)絡(luò)間通訊越少，并行計(jì)算速度越快；反之，若并行分塊后所需的附加時(shí)間超過網(wǎng)絡(luò)分塊后減少的計(jì)算時(shí)間，那么對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行并行計(jì)算反而會(huì)使效率降低。此外，在分塊方式、子網(wǎng)絡(luò)通訊需求等條件一定的情況下，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，分塊效果越明顯。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證利用PSCAD/EMTDC對(duì)MMC-HVDC系統(tǒng)進(jìn)行并行計(jì)算的可行性，在最新版本的軟件中搭建了四端系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。本文仿真驗(yàn)證在Windows7操作系統(tǒng)下進(jìn)行，處理器型號(hào)為IntelCorei7-4790，擁有四核心八線程，主頻為3.6GHz，安裝內(nèi)存為16GB。

原始系統(tǒng)的模型示意圖如圖6所示，其中換流站1為定電壓換流站，其余3個(gè)換流站為定功率換流站。所有換流站均采用基于半橋子模塊的MMC拓?fù)?，并采用文獻(xiàn)[9]提出的快速仿真方法。換流站之間通過采用Bergeron模型的架空線路相連。模型基本參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

Table 1 Parameters of simulation system

不對(duì)仿真系統(tǒng)進(jìn)行分塊處理的方案記為方案1。由于通過ENI對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分塊處理的方法比較靈活，因此可以構(gòu)建多種模型進(jìn)行仿真對(duì)比，不同方案下分塊情況如表2所示。

圖6 四端MMC-HVDC系統(tǒng)示意圖Fig.6 Four-terminal MMC-HVDC system表2 并行計(jì)算分塊策略Table 2 Partition strategy of parallel computing

仿真總時(shí)長設(shè)定為3 s，其中在t=2 s時(shí)，對(duì)換流站4進(jìn)行閉鎖操作。圖7展示了仿真步長為20s以及50s時(shí)，各方案所消耗的時(shí)間，圖8展示了對(duì)應(yīng)情況下各方案的CPU使用率。

圖7 仿真耗時(shí)Fig.7 Simulation time

圖8 CPU使用率Fig.8 CPU usage rate

可以看出，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分塊處理后，CPU的使用率大幅提升，仿真所消耗的時(shí)間大幅降低。并行個(gè)數(shù)越多，提速效果體現(xiàn)得越明顯。當(dāng)仿真步長為50 μs時(shí)，仿真時(shí)間從20 654 ms最低下降至13 650 ms，下降幅度為33.9%；CPU利用率從25%最高提升至64%，提升幅度為156%。當(dāng)仿真步長降低至20 μs時(shí)，各方案下系統(tǒng)所需仿真時(shí)間均有所增加，但CPU使用率基本保持不變。此時(shí)仿真時(shí)間從39 094 ms最低下降至25 521 ms，下降幅度為34.7%，提速效果更為明顯。

圖9 換流站4直流電壓Fig.9 DC voltage of station 4

圖10 直流電壓誤差百分比Fig.10 Error percentage of DC voltage

在以上對(duì)比中，每個(gè)子project的仿真規(guī)模相當(dāng)，因此其分塊策略較為簡單。在實(shí)際仿真中，經(jīng)常會(huì)遇到各子部分仿真規(guī)模不一的情況，此時(shí)仿真策略也需做相應(yīng)調(diào)整。假定原有系統(tǒng)各換流站內(nèi)子模塊個(gè)數(shù)不再相等，換流站3與換流站4每個(gè)橋臂串聯(lián)的子模塊數(shù)由20個(gè)調(diào)整為50個(gè)。此時(shí)采用2種分塊策略進(jìn)行仿真，對(duì)比計(jì)算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 2種并行計(jì)算分塊策略對(duì)比

Table 3 Two partition strategies of parallel computing

可以看出，雖然2種方案下CPU使用率相同，但是仿真耗時(shí)區(qū)別明顯，方案2較方案1減少了13.2%。這是由于方案2中，2個(gè)project的計(jì)算規(guī)模相當(dāng)，在并行計(jì)算時(shí)，每一個(gè)仿真步長兩者需要的時(shí)間大致相等，某一個(gè)project完成計(jì)算過程后無須等待即可與另一個(gè)project進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并進(jìn)行下一個(gè)步長的計(jì)算。因此在實(shí)際工程中，應(yīng)盡量保證分塊后每個(gè)project的規(guī)模大致相等，否則將耗費(fèi)額外的計(jì)算時(shí)間。

5 結(jié) 論

(1)本文詳細(xì)分析了PSCAD/EMTDC軟件的運(yùn)行機(jī)理及功能，并對(duì)其新版本下的并行計(jì)算功能進(jìn)行了介紹和研究。該軟件主要基于長輸電線解耦法進(jìn)行并行計(jì)算，通過大模型拆分和多線程運(yùn)算，解決了由于模型過大而不能仿真或仿真效率低的問題，為實(shí)現(xiàn)多端柔性直流輸電系統(tǒng)以及直流電網(wǎng)的快速仿真提供了可能。

(2)通過搭建模型進(jìn)行仿真測(cè)試，本文探討了并行計(jì)算的原則及技巧。仿真結(jié)果表明，使用PSCAD/EMTDC進(jìn)行并行計(jì)算，雖然犧牲了部分仿真計(jì)算精度，但可以大大降低大規(guī)模電力系統(tǒng)的仿真時(shí)間，有效提升仿真分析的效率。因此，在進(jìn)行分塊處理時(shí)需合理調(diào)整分塊數(shù)量，并盡量保證每個(gè)分塊的仿真規(guī)模大致相當(dāng)，以達(dá)到仿真精度與仿真效率的平衡。

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(編輯 張小飛)

Parallel Simulation of Multi-Terminal MMC-HVDC System Based on PSCAD/EMTDC

XUE Yinglin1, WU Fangjie1, ZHANG Tao1, YANG Yiming1, LIU Gaoren2, XU Zheng2

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2. College of Electric Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

For the multi-terminal MMC (modular multilevel converter)-HVDC system and DC grid, the traditional electromagnetic transient simulation programs based on serial structure have been unable to meet the demand of the actual calculation, so it is necessary to adopt parallel computing technology. As electromagnetic transient simulation software for power system, PSCAD/EMTDC is widely used in the world, and the latest version has full support for parallel computing. Through large model split and multi-threaded operation, this software can solve the problems of cannot being simulated or low simulation efficiency due to too large model, which can provide the possibility to achieve the fast simulations of multi-terminal MMC-HVDC system and DC grid. We analyze the operation mechanism and function and of PSCAD/EMTDC in detail, introduce and research the parallel computing function in its new version. Then we construct the model for the simulation test and discuss the technique of parallel computing. The simulation results show that the parallel computing function can greatly reduce the simulation time of large scale power system and effectively improve the efficiency of simulation analysis.

modular multilevel converter(MMC); parallel computing; electromagnetic transient simulation; multi-terminal MMC-HVDC system

TM 743

A

1000-7229(2016)02-0010-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.002

2015-10-22

薛英林(1986)，男，博士，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姵商自O(shè)計(jì)；

吳方劼(1981)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姵商自O(shè)計(jì)；

張濤(1974)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事高壓直流輸電成套設(shè)計(jì)方面的工作；

楊一鳴(1982)，男，高級(jí)工程師，主要從事高壓直流輸電成套設(shè)計(jì)方面的工作；

劉高任(1990)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹绷鬏旊娕c柔性交流輸電；

徐政(1962)，男，通信作者，博士，教授，研究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與究方向?yàn)榇笠?guī)模交直流電力系統(tǒng)分析、直流輸電與柔性交流輸電、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)。