基于OpenMP并行算法的输变电系统工频电场计算的高效方法研究

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随着我国电力建设的快速发展,电压等级不断提高,随之而来的是社会各界越来越关心随着电压等级的升高带来的输变电系统中工频电场对于环境的影响问题。而超高压输变电系统因其超高的电压,大量相对集中的带电导体以及这些导体各自复杂的结构,这都给输变电系统中工频电场的快速计算带来了难度。一方面,如何快速且有效地获得输变电系统中的工频电场分布,对于工程的前期设计和电场的预测都有很大的现实意义;另一方面,随着计算机技术的快速发展,怎样最大程度地借助先进的计算机技术发展电网建设,满足越来越大规模复杂的电场计算需求,是目前国际电网建设的重点研究之一。目前针对大型输变电系统中各类复杂的工频电场计算的快速求解问题还鲜有研究,围绕这一课题,本文基于模拟电荷法和OpenMP多核并行编程模式对输变电系统工频电场的并行计算进行研究,具体工作如下:首先推导并论述模拟电荷法中各类电荷在电场计算中的计算方法,并针对OpenMP并行计算开发流程问题,从子任务粒度划分,进程调度和减少负载不均衡等各个方面进行分析,并根据C语言和Matlab各自的优势,选择两者联合编程。接着分析推导模拟电荷法内在的并行可能性,并结合PCAM并行设计方法,在OpenMP并行计算框架的基础上,将模拟电荷法与并行思想相结合设计出适合并行计算的模拟电荷法。根据模拟电荷法中各类电荷计算方法的差异性,提出了电荷统一分配并行算法和电荷区别拆分并行算法两种适应不同情况的优化并行方法。建立相应的模型对两种并行算法进行验证,讨论分析了两种并行算法各自的适应场景及相应的影响因素,提出电荷计算速度比系数,为针对不同场景下不同并行算法的应用提供了判据。建立输变电系统复杂的超高压输电线下建筑物,酒杯型铁塔以及500kV变电站三维模型,将推导出的两种并行算法分别运用到各自适合的模型中,得到了各自模型周围的工频电场分布。分析算法在各自不同模型中的并行加速比和并行效率,结果表明两种并行算法在各自适应的模型中都相比于以往单纯在Matlab中的仿真计算降低了计算时间成本,并且取得了接近理想值的并行加速比和并行效率,达到了负载的均衡性,为复杂的输变电系统工频电场的数值计算提供了一种快速求解的有效方法。
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