直流潮流计算的GPU加速技术

论文总字数：21633字

摘 要

电力潮流计算是当前电力系统规划、操作以及运行的基本方法。通过预先进行的潮流计算，可以提前判断电力系统在运行中电力负荷和电网结构的变化是否会对系统的运行产生威胁。潮流计算中的计算量也随着电力系统的不断发展而日趋增加，串行计算已经无法满足当前电力系统快速发展的需要。而并行潮流计算加速运算的方法主要是分布式计算、多线程或并行机等，尽管可以取得较好的效果，但仍存在一定的不足，例如需要特殊的硬件支持、运算速度提高有限等等。近几年来，图形处理器GPU的快速发展为我们提供了一种切实可行的低成本方法。如今GPU已经是一种可编程、高度并行化、多线程、多核的处理器，其计算效率较高，并有着极高的存储带宽，给我们提供了一种良好的并行计算平台。

直流潮流计算的核心是解线性方程组，本文选取的是LU分解法，实现该方法的软件平台是Win7 VS2010 CUDA6.0。通过使用CUDA C语言编写程序，在GPU上分配内存，实现直流潮流的求解。本文验证了相关算例，验证了程序的正确性以及GPU的良好加速效果，并对最终的结果进行分析。

关键词：直流潮流；GPU；CUDA（统一设备计算架构）；LU分解

Abstract

Power flow calculation is the basic method of the current power system planning, operation and running. You can determine if the change in the operation of the power system and grid power load structure will have on the operation of the system pose a threat in advance by the calculations. The calculation of the amount of flow calculation along with the continuous development of power systems and the increasing serial computing has been unable to meet the needs of the current rapid development of the power system. The method of Parallel power flow calculation that accelerated computing is mainly distributed computing, multi-threaded and parallel machine. Although you can achieve better results, but there are still some shortcomings, such as the need for special hardware support, operation speed is limited, and so on. In recent years, the rapid development of GPU provides us with a practical, low-cost method. GPU now are programmable, highly parallel, multi-threaded, multi-core processors with high computational efficiency. And it has a high memory bandwidth, which provides us with a good platform for parallel computing.

The core of DC load flow calculation is the solution of linear equations. This paper selects the LU decomposition method. The software platform of implementing the method is Win8.1 VS2013 CUDA7.0. Using the CUDA C language programming and allocating memory on the GPU can achieve the solution of DC power flow. This paper verifies the relevant examples and the correctness of the program. The final results were also analyzed.

Keyword: DC power flow; GPU; CUDA; LU decomposition

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要工作 2

第二章 GPU概述以及CUDA理论基础 3

2.1 GPU概述 3

2.2 CUDA理论基础 6

2.3 本章小结 8

第三章 直流潮流模型 9

3.1 直流潮流模型简介 9

3.2 本章小结 11

第四章 LU分解法求解线性方程组 12

4.1 LU分解法原理 12

4.2 LU分解在GPU上的实现 13

4.3 本章小结 14

第五章 测试结果与分析 15

第六章 结论与展望 17

6.1 结论 17

6.2 展望 18

致 谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

伴随着现代科学技术的不断发展，越来越多的学科涌现出了各种包含着难以实现的复杂运算的问题。这些问题依赖于大量的计算才能得以解决，同时这些数量庞大、复杂多变的计算也需要依靠足够的硬件支持才能进行。近年来，高性能计算技术的快速发展带动科学技术的不断进步。但是，面对越来越多的学科出现的复杂繁琐的问题，这样的快速发展又显得心有余而力不足。在流体力学、金融学、物探、电路仿真等学科的研究领域中，都需要大规模和高性能的数据分析计算能力。传统的串行计算方式已经无法满足各个学科中大量的、复杂的计算需求，因此，并行计算的发展被逐渐重视起来，其发挥的重要作用也逐渐被认识到。

并行计算是相对于串行计算的一个概念，串行计算即为处理器按照既定的顺序执行相关计算。而并行计算的概念则可分为时间上和空间上的并行，时间上的并行指的是通过流水线技术同时执行计算，而空间上的并行指的是多个处理器可以同时执行计算。并行计算的实质，就是将一个复杂繁琐的任务分成多个相对简单的子任务，然后分别交给多个处理器共同协作完成，通过这种方法可以提高计算的速度，使得完成高度复杂的并行任务的时间大大缩短，效率更高。实现并行计算需要几个必需的条件，一是所使用的并行机必须包含一定数量的并行处理器，而且这些处理器之间可以做到相互连接；二是所要处理的问题必须具有可并行性，即之前所提到的该问题可以被分解为多个任务，使这些任务可以进行并行处理。

电力系统潮流计算是电力系统中最为基本的计算，同时又是处在重要位置的计算。随着时代的进步，电力系统的发展速度惊人，电力系统的设备和输电网也日益复杂，传统的串行计算方法已经无法满足电力系统的需要，必须加快电力系统潮流计算的运算速度才能确保电力系统的正常运行，才能保障所有居民的用电需求。正是在这种大背景下，电力系统潮流计算的并行算法获得了广泛的关注和研究，并取得了一定的成果。目前的并行潮流计算主要采用分布式计算、多线程或并行机等技术，取得了不错效果的同时仍然存在不足：在大规模电网中计算节点数量庞大，因而在分布式计算机之间以及多线程之间会产生巨大的通讯消耗；当前并行机价格比较昂贵、使用针对性强，难以普及；而且多线程技术对于潮流计算速度的提升有限^[1]。

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