Parallel and Multistep Simulation of Power System Transients

La simulation des régimes transitoires électromagnétiques (EMT) est devenue indispensable aux ingénieurs dans de nombreuses études des réseaux électriques. L'approche EMT a une nature de large bande et est applicable aux études des transitoires lents (électromécaniques) et rapides (électromagnétiques). Cependant, la complexité des réseaux électriques modernes qui ne cesse de s'accroître, particulièrement des réseaux avec des interconnexions HVDC et des éoliennes, augmente considérablement le temps de résolution dans les études des transitoires électromagnétiques qui exigent la résolution précise des systèmes d'équations différentielles et algébriques avec un pas de calcul pré-déterminé. En tant que sujet de recherche, la réduction du temps de résolution des grands réseaux électriques complexes a donc attiré beaucoup d'attention et d'intérêt. Cette thèse a pour objectif de proposer de nouvelles méthodes numériques qui sont efficaces, flexibles et précises pour la simulation des régimes transitoires électromagnétiques des réseaux électriques. Dans un premier temps, une approche parallèle et à pas multiples basée sur la norme Functional Mock-up Interface (FMI) pour la simulation transitoire des réseaux électriques avec systèmes de contrôle complexes est développée. La forme de co-simulation de la norme FMI dont l'objectif est de faciliter l'échange de données entre des modèles développés avec différents logiciels est implémentée dans EMTP. Tout en profitant de cette implémentation, les différents systèmes de contrôle complexes peuvent être découplés du réseau principal en mémoire et résolus de façon indépendante sur des processeurs séparés. Ils communiquent avec le réseau principal à travers une interface de co-simulation pendant une simulation. Cette méthodologie non seulement réduit la charge de calcul total sur un seul processeur, mais elle permet aussi de simuler les systèmes de contrôle découplés de façon parallèle et à pas multiples. Deux modes de co-simulation sont proposés dans la première étape du développement, qui sont les modes asynchrone et synchrone. Dans le mode asynchrone, tous les systèmes de contrôle découplés (esclaves) sont simulés en parallèle avec le réseau principal (maître) en utilisant un seul pas de calcul tandis que le mode synchrone permet une simulation séquentielle en utilisant différents pas de calcul dans le maître et les esclaves. La communication entre le maître et les esclaves est réalisée et coordonnée par des fonctions qui implémentent le primitif de synchronisation de bas niveau sémaphore.

Abstract

The simulation of electromagnetic transients (EMT) has become indispensable to utility engineers in a multitude of studies in power systems. The EMT approach is of wideband nature and applicable to both slower electromechanical as well as faster electromagnetic transients. However, the ever-growing complexity of modern-day power systems, especially those with HVDC interconnections and wind generations, considerably increases computational time in EMT studies which require the accurate solution of usually large sets of differential and algebraic equations (DAEs) with a pre-determinded time-step. Therefore, computing time reduction for solving complex, practical and large-scale power system networks has become a hot research topic. This thesis proposes new fast, flexible and accurate numerical methods for the simulation of power system electromagnetic transients. As a first step in this thesis, a parallel and multistep approach based on the Functional Mock-up Interface (FMI) standard for power system EMT simulations with complex control systems is developed. The co-simulation form of the FMI standard, a tool independent interface standard aiming to facilitate data exchange between dynamic models developed in different simulation environments, is implemented in EMTP. Taking advantage of the compatibility established between the FMI standard and EMTP, various computationally demanding control systems can be decoupled from the power network in memory, solved independently on separate processors, and communicate with the power network through a co-simulation interface during a simulation. This not only reduces the total computation burden on a single processor, but also allows parallel and multistep simulation for the decoupled control systems. Following a master-slave co-simulation scheme (with the master representing the power network and the slaves denoting the decoupled control systems), two co-simulation modes, which are respectively the asynchronous and synchronous modes, are proposed in the first stage of the development. In the asynchronous mode, all decoupled subsystems are simulated in parallel with a single numerical integration time-step whereas the synchronous mode allows the use of different numerical time-steps in a sequential co-simulation environment. The communication between master and slaves is coordinated by functions employing the low-level synchronization primitive semaphore.