基于图形化调度操作模拟的电力系统动态仿真技术

李慧勇; 吴亮; 邱生敏; 姜伟; 万军

沈阳工业大学学报 ›› 2026, Vol. 48 ›› Issue (5) : 57 -64.

李慧勇, 吴亮, 邱生敏, 姜伟, 万军

作者信息 +

Author information +

文章历史 +

摘要

【目的】随着新能源大规模接入电网，电力系统结构日趋复杂，运行状态动态演变加剧。图形化调度操作模拟预演作为保障电网安全稳定运行的重要技术手段，对动态仿真的实时性与精度提出了更高要求。然而，传统CPU串行仿真受限于硬件并行计算能力，难以满足大规模电网图形化模拟的实时需求，尤其在复杂电网电磁暂态仿真中，计算负载高与仿真效率低之间的矛盾更加突出，严重制约调度决策的及时性与可靠性。因此，需构建兼顾高精度与高效率的电力系统动态仿真方案。【方法】针对图形化调度操作模拟预演需求，本文提出一种融合图形处理器(graphics processing unit, GPU)加速的电力系统动态仿真方案。首先，采用移频分析(shift frequency analysis, SFA)方法构建电网动态相量模型，通过希尔伯特变换生成解析信号并进行移频处理，将原始电力信号映射至零频域，在保留暂态过程关键特征的同时降低计算复杂度。其次，基于延迟线性多步复合(delay-based linear multi-step composite, LB-LMC)方法实现仿真任务在组件级与网络级的解耦。其中，组件级按照单指令多线程(single instruction multiple threads, SIMT)模式设计并行计算内核，由单线程负责同类组件的单实例计算，以保证线程同构性；网络级则调用GPU高性能线性代数库求解代数方程组。最后，构建“数据并行+任务并行”的双层并行架构，并结合OpenCL框架实现任务调度与线程安全控制，通过基于图的关联矩阵归约方法解决线程竞争问题。【结果】以DIgSILENT提供的IEEE 14节点系统为测试对象，在t=0.1 s时断开Line＿0001＿0005线路施加扰动，开展仿真验证。结果表明，与DIgSILENT PowerFactory电磁暂态仿真结果相比，本文方法在电压、电流及发电机转子转速等关键参数上的相对误差均较小。在仿真效率方面，IEEE 14节点系统场景下，本文方法总耗时为4.9 s,实时性系数为0.245,较传统CPU串行仿真效率提升约90%,较GPU基础并行仿真效率提升约67.8%。随着网络规模扩大，本文方法的效率优势进一步增强，并在大规模电网场景下仍保持超实时仿真能力。【结论】本文提出的GPU加速动态仿真方法，通过SFA动态相量模型与LB-LMC解耦方法的结合，实现了仿真精度与计算效率的有效平衡，可满足大规模电网图形化调度操作模拟预演的超实时仿真需求。本文构建的“数据并行+任务并行”双层并行架构突破了传统CPU串行仿真的算力限制，并通过基于图的线程安全设计有效解决了并行计算中的线程竞争问题。该方法能够为调度操作可视化与智能推演提供高精度动态数据支撑，对提升电网调度决策水平及保障高比例新能源电网安全稳定运行具有重要工程应用价值。