论文总字数：21455字

摘 要

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摘要

随着电力网络系统的发展，现在的电力网络已经成为大容量、超高压、跨区域、结构复杂的大规模电力网络。同时随着人们生活水平的提高，对电力网络的稳定提出了更高的要求。传统的电力系统网络潮流计算已经难以快速处理如此多的数据，在实时性上难以满足用户的需求。

与此同时，随着计算机技术的不断发展，并行技术越来越为人们接受，并且在计算机主频难以提升的情况下，应当引入并行计算来满足用户对于运行效率的需求。因此，在电力系统潮流计算中引入并行算法已经逐渐成为电力系统潮流计算的主流。

本文采用单指令多数据流扩展技术（Streaming SIMD Extensions，SSE）技术，通过指令级并行提高每次计算的吞吐量。在文中，首先介绍了并行技术的基础，之后介绍SSE提高运算效率的原理，结合专有的数据结构设计，来提高潮流计算的效率。最后通过2382节点的测试，总结了利用SSE矢量运算技术完成并行潮流计算的可行性，得出了一些有意义的结论。

关键词：SSE/AVX、并行计算、电力系统、潮流计算

Abstract

With the development of electric power systems, the electricity network has become a large-capacity, high pressure, inter-regional, and the complex structure of large-scale power networks. Meanwhile, with the improvement of people's living standards, the stability of the electricity network put forward higher requirements. Traditional power system load flow calculation has been difficult to quickly deal with so much data. And it is difficult to meet the needs of users in real-time.

Meanwhile, with the continuous development of computer technology, more and more people accept the parallel technology, and the computer is difficult to improve the frequency. The author of the program must select parallel to meet user demand for operational efficiency. Therefore, the introduction of the power flow calculation algorithm has gradually become the mainstream parallel power flow calculation.

In this paper, SSE technology, through the instruction-level parallelism to improve the throughput of each calculation. In this paper, first we introduce the basic techniques of parallel, after the introduction SSE improve operational efficiency principles, combined with proprietary data structure designed to improve the efficiency of power flow calculation. Finally, test IEEE2382 node, summarizes the feasibility of SSE vector parallel computing technology to complete the load flow calculation, draw some meaningful conclusions.

Keywords: SSE/AVX, Parallel Computing, Power Systems, Power Flow Calculation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 5

1.1研究背景 5

1.2 并行潮流计算的研究现状 6

1.3论文的主要工作 6

1.4论文的组织结构 7

第2章 电力系统的潮流计算 8

2.1 电力网络潮流计算模型 8

2.1.1电力网络节点的分类 8

2.1.2 电力网络等效电路 8

2.1.3电力系统数学模型 8

2.1.4电力网络潮流计算方程式 9

2.2 牛顿拉夫逊法 10

2.2.1 牛顿拉夫逊法的数学描述： 10

2.2.2 牛顿拉弗逊法应用于潮流计算方程求解 10

2.3本章小结 12

第3章 SSE以及并行程序设计 13

3.1 SSE技术 13

3.1.1常见并行编程环境简介 13

3.1.2并行计算性能优化量度 14

3.1.3 SSE技术原理介绍 14

3.2 缓存命中机制 16

3.2.1计算机CPU架构 16

3.2.2缓存一致性 17

3.2.3缓存不命中 17

3.3数据结构设计 18

3.3.1需要存储的数据 18

3.3.2各个数据存储结构 19

3.3.3导纳矩阵以及雅克比矩阵的存储 20

3.4程序设计 21

3.4.1读取数据 21

3.4.2生成导纳矩阵 22

3.4.3生成雅克比矩阵 22

3.4.3.1阶数不对应问题 22

3.4.3.2映射路径问题。 22

3.4.3.3三角函数问题 23

3.4.4lu分解程序 24

3.5本章小结 24

第4章 测试结果与分析 25

4.1导纳矩阵优化后加速效果 25

4.2雅克比矩阵生成优化后的加速效果 25

4.3lu分解优化后加速效果 26

4.4结果分析 27

4.5本章小结 27

第5章 结论与展望 28

5.1结论 28

5.2展望 29

致 谢 30

参考文献 31

绪论

1.1研究背景

电力系统潮流计算是电力网络研究的基本方法，而随着经济的不断发展，电力系统变得越来越庞大，随着新能源的开发与研究，电力系统求解需要考虑的条件也越来越多，这就造成了电力系统方程阶数的剧增；与此同时，随着用户生活水平的提升，用户对电能质量也有了更高的要求，这便要求电网的计算具有实时性。因此，无论是对于动态还是静态的安全分析计算，快速求解电力系统网络方程都是亟待解决的问题。

目前，电力系统潮流计算的主要问题还是解线性方程组或者微分方程组的问题。方法分为两种，第一种是直接法，直接法基于矩阵求逆的原理，通过有限步的算术计算，得到方程的精确解，但是由于误差的存在，这种方法得到的其实也是近似解。直接法运算步骤繁琐，只能用于求解一些低阶稠密矩阵，最多用于中小型系统的求解，对于大规模的电力系统网络方程是无能为力的。第二种方法是迭代法，迭代法是通过设定初值，代回原方程组通过对偏差的分析修正初值，逐步逼近精确解的一种方法。虽然迭代法会出现不收敛的情况需要程序作者额外考虑，但是它对于计算机存储单元的要求量小，程序设计起来也比较简单，易于并行，对于大型的稀疏矩阵是很好的一种求解方法。

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