Accelerated Simulation of Large Scale Power System Transients

RÉSUMÉ: Le temps de simulation est un paramètre crucial de l'analyse des transitoires dans les réseaux électriques et il est en train de devenir l'un des facteurs les plus importants pour mesurer les performances et la fiabilité des logiciels. Actuellement, la vitesse et les performances des processeurs ont atteint un point où l'accélération de gain en vitesse et d'opérations en virgule flottante peut être réduite en se concentrant uniquement sur l'aspect vitesse des processeurs individuels. Au contraire, la recherche en informatique et le développement de matériel informatique tendent de plus en plus à rendre les processeurs parallèles plutôt que plus rapides. D'autre part, la simulation des systèmes électriques devient de plus en plus complexe avec l'introduction de modèles complexes tels que les énergies renouvelables, les composantes de réseaux intelligents et l'électronique de puissance. En outre, la demande de puissance sans cesse croissante et l'augmentation de la zone de couverture des réseaux de distribution d'énergie contribuent à l'augmentation de la taille des réseaux de distribution d'énergie et ralentissent encore plus la simulation électromagnétique transitoire de ces réseaux. De nombreux -logiciels de simulation de type EMT effectuent actuellement leurs opérations de manière séquentielle en utilisant un seul - processeur, plutôt que tous les processeurs de la machine. Ce comportement entraîne un temps de simulation long et introduit des difficultés pour simuler des réseaux de systèmes d'alimentation plus avancés et complexes. Ce type de délai devient un obstacle lorsque de grands réseaux, réels ou existants, sont utilisés. Par exemple, simuler le réseau d'Hydro-Québec doté d'une matrice de taille 41555 × 41555 et contenant un grand nombre de dispositifs de commutation et des éléments non linéaires nécessite 1765 secondes pour simuler une seconde avec un pas de temps de 50us. La programmation parallèle multithread est maintenant disponible dans les compilateurs modernes. Elle peut être utilisée pour améliorer de manière significative les performances des calculs EMT. La recherche actuelles dans ce domaine est principalement appliqué à des systèmes moins complexes qui nécessitent l'intervention de l'utilisateur pour le découpage parallèle et manque de généralisation pour toute topologie rencontrée dans les études réels. Cette thèse développe une méthode de parallélisation entièrement automatique applicable aux systèmes à grande échelle avec des topologies arbitraires sans aucune intervention de l'utilisateur. ABSTRACT: Simulation time is a crucial parameter in power system transient analysis. The simulation needs for electromagnetic transients are continuously increasing. The electromagnetic transient (EMT) type tools are now also used for the simulation of slower electromechanical transients in large scale power systems. The EMT approach for power system analysis is the most accurate approach, but it suffers from computation performance issues. Research on this aspect is currently of crucial importance. Research is timely and should increase the application range of EMT-type tools. In fact very fast EMT-type tools can have a major impact on the simulation and analysis of modern power grids with increased penetration of renewables. Currently, computer processor speed and performance reached a point where not much speed gain and floating-point operation acceleration can be achieved by only focusing on the speed aspect of individual processors. Rather, the trend in computer research and hardware development is becoming more and more focused on making processors parallel rather than faster. Many EMT-Type simulation packages currently perform their operations sequentially by using only one CPU core rather than all machine processors. This behaviour results in long simulation time and introduces major difficulties when simulating large and complex power grids. This type of delay becomes a show stopper when large, real and existing networks are used. Multithreaded parallel programming is now available in modern compilers. It can be used to significantly improve the performance of EMT computations. Current research in this field has been mostly applied to less complicated systems and requires user intervention. This thesis develops a fully automatic parallelization method that is applicable to large scale systems with arbitrary topologies. This PhD thesis presents existing progress in the field of electromagnetic transient simulation acceleration and highlights the different approaches that are adopted to achieve faster EMT simulation. The focus is mainly on threading through CPU exclusively on modern desktop computers used by engineers on daily basis