المحاكاة الكهرومغناطيسية ومعالجة رسومات الأنظمة الكهربائية

المحاكاة العابرة الكهرومغناطيسية (EMT) هي الحساب الأكثر دقة وكثافة لأنظمة الطاقة، حيث أظهرت الأبحاث السابقة إمكانية تسريع مثل هذه المحاكاة باستخدام وحدات معالجة الرسومات (GPUs)، وفي هذا البحث، تم تصميم جهاز محاكاة (EMT) متوازي فعال قائم على وحدة معالجة الرسومات.

تحليل المحاكاة الكهرومغناطيسية ومعالجة رسومات الأنظمة الكهربائية

محاكاة العابر الكهرومغناطيسية (EMT) هي الأداة الأكثر دقة لوصف الديناميكيات السريعة لأنظمة الطاقة، كما تم تطوير خوارزمية محاكاة (EMT) المستخدمة على نطاق واسع، والمعروفة أيضاً باسم برنامج من نوع (EMTP) بسرعة في العقود القليلة الماضية، كما وتم تطبيقها على العديد من برامج المحاكاة، على سبيل المثال (ATP-EMTP) و (PSCAD).

ومع ذلك وبمناسبة التطور السريع لتقنيات الشبكة الذكية والأجهزة المعقدة مثل المحولات الإلكترونية للقدرة (PECs) وموارد الطاقة الموزعة (DERs)، بحيث تم دمج عناصر التحكم المتقدمة في أنظمة الطاقة، ومثل هذا التكامل يحول الشبكة الكهربائية إلى نظام واسع النطاق وقوي الاقتران، وذلك وفقاً لعمليات محاكاة (EMT) لهذه الأنظمة، والتي تستغرق وقتاً طويلاً.

كما أن هذه القيود عبارة عن تطبيقات سريعة تعتمد على المحاكاة، مثل عمليات التحقق من استراتيجيات التحكم في الوقت الفعلي ومحاكاة الحلقة المغلقة، بحيث تم استثمار قدر كبير من الأبحاث في بناء برامج (EMTP)، والقائمة على الحوسبة المتوازية باستخدام أحدث المعالجات متعددة النواة ومنصات أخرى غير متجانسة.

تطبيق أجهزة المحاكاة المتوازية وتحقيق رسومات أنظمة الطاقة

في وقت سابق، اعتبرت أجهزة المحاكاة المتوازية من نوع (EMTP)، والمستندة إلى (GPU) أن وحدة معالجة الرسومات هي حل فعال لمعادلات الجبر الخطي للاستخدام أثناء عملية حل الشبكة بينما لا تزال بقية العمليات الحسابية تُجرى على وحدة المعالجة المركزية، ومع ذلك يلزم الاتصال المتكرر بين وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات، مما يحد من الأداء العام.

وهكذا بدأ الباحثون في تطوير محاكيات كاملة من نوع (EMTP)، بحيث تعتمد على وحدة معالجة الرسومات، حيث يتم إجراء جميع العمليات الحسابية على وحدة معالجة الرسومات، وذلك مع الحد الأدنى من تبادل البيانات بينها وبين وحدة المعالجة المركزية، كما تم تصميم نوى (GPU) مختلفة لمكونات كهربائية مختلفة، مثل العناصر السلبية الخطية ونموذج خط النقل العام ونموذج الماكينة العامة.

كما تم تطوير برنامج عام من نوع (EMTP) غير متصل بالشبكة على وحدة معالجة الرسومات والتحقق من فعاليته العالية دون المساس بالدقة، ولكن لا يزال هناك نقص في محاكاة نظام التحكم المستند إلى وحدة معالجة الرسومات، كذلك تم تصميم محاكي كامل من نوع (EMTP) قائم على وحدة معالجة الرسومات من خلال النظر في محاكاة كل من أنظمة التحكم الكهربائية وأنظمة التحكم واسعة النطاق.

تحديات المحاكي القائم على وحدة معالجة الرسومات الكاملة نوع EMTP

حوسبة الأغراض العامة على GPUS

إن وحدة معالجة الرسومات (GPU) التي تدعم (CUDA) هي معالج متعدد النواة يتكون من وحدات منطقية حسابية (ALUs) وذاكرة مشتركة ووحدات تحكم، بحيث يُشار إلى البرنامج الموازي الذي يتم تنفيذه على وحدة معالجة الرسومات (GPU) باسم النواة، وعادةً ما يطلق عدداً كبيراً من مؤشرات الترابط. لاستخدام موارد الحوسبة على وحدة معالجة الرسومات بشكل أفضل.

كما تم استخدام نموذج تنفيذ متعدد المستويات على نطاق واسع لجدولة المهام الحسابية عليه، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1).

لذلك يتم تقسيم شبكة الخيوط التي يتم إطلاقها بواسطة النواة إلى كتل خيطية، بحيث يكون كل منها لا يحتوي على أكثر من (1،024) مسار، كما يتم توزيع الكتل على المعالجات المتعددة المتدفقة (SMs)، وهنا تجدر الإشارة إلى أن المسارات الموجودة داخل الكتلة هي فقط التي يمكنها تبادل البيانات من خلال الذاكرة المشتركة.

كذلك يتم تقسيم الكتل الموجودة على (SM) إلى التفافات خيطية، ولا يحتوي كل التفاف على أكثر من (32) مساراً، بحيث يقوم جدولة الالتفاف داخل (SM) بتخصيص كل التفاف خيط إلى مجموعة أساسية، كذلك يتم تنفيذ الخيوط داخل الالتواء بنمط تعليمات فردية متعددة الخيوط (SIMT)، خاصةً إذا تباعدت التعليمات داخل الالتواء؛ فسيتم تنفيذ الخيوط المقابلة لتعليمات مختلفة بشكل متسلسل.

تحديات تصميم برنامج (EMTP) من نوع (GPU)

في محاكاة نظام الطاقة، يمكن تمثيل نموذج محاكاة (EMT) للمكونات الكهربائية وأدوات التحكم كمجموعة من المعادلات التفاضلية، لذلك تقوم محاكاة (EMT) بإجراء تكامل عددي على المعادلات التفاضلية، وفي البرامج التجارية العامة هناك نوعان من أطر محاكاة ونمذجة (EMT)، أي تحليل مساحة الحالة والتحليل العقدي.

وبشكل عام، يكون إطار التحليل العقدي أكثر كفاءة حيث لا تتغير طوبولوجيا نظام الطاقة بشكل متكرر ويمكن التخلص من عملية التحليل إلى عوامل المصفوفة العقدية في كثير من الحالات، بحيث ينفذ إطار التحليل العقدي المستخدم على نطاق واسع لمحاكاة نظام الطاقة العابر، والمعروف أيضاً باسم برنامج نوع (EMTP) للتكامل العددي لجميع النماذج في نظام الطاقة.

وكما هو مبين في الشكل التالي (2)، تتكون هذه المحاكاة من ثلاث خطوات متسلسلة، وذلك في كل خطوة تكامل على الترتيب:

• القيام بحل أنظمة التحكم للحصول على مدخلات المكونات الكهربائية.

• تحديث حالة المكونات الكهربائية باستخدام قواعد التكامل العددي وحل معادلات جهد الشبكة.

• حل الخطوة باستخدام العديد من المقادر الجبرية على وحدة معالجة الرسومات، مثل (GLU)، (cuSOLVER).

المحاكي المتوازي الموجه نحو مسار معالجة الرسومات نوع EMTP

كما هو مبين في الشكل التالي (3)، يتميز إطار المحاكي من النوع (EMTP) المتوازي الموجه نحو المسار بالخطوات الثلاث التالية:

• للحصول على نماذج حسابية متوافقة مع وحدة معالجة الرسومات، يتم إجراء تحويلات موجهة نحو المسار على الأنظمة الكهربائية وأنظمة التحكم، وعلى وجه التحديد يتم تمثيل المكونات الكهربائية من خلال مجموعة من العناصر الكهربائية البدائية ويتم نمذجة نظام التحكم على شكل (DAG) متعدد الطبقات لتعليمات التحكم البدائية.

• تحديد هياكل الخيط لكل من النماذج الحسابية الكهربائية والتحكم، ولمحاكاة النظام الكهربائي؛ فإنه يمكن التعامل مع جميع الحسابات بواسطة مجموعة (SIMT) لعمليات (FMA) وحل المعادلات الخطية، وبالنسبة لنظام التحكم، يمكن معالجة حسابات نموذج (LDAG) بواسطة مجموعات (SIMT) مع التزامن بين الطبقات.

• لبناء نوى محاكاة فعالة على وحدة معالجة الرسومات (GPU)، تم تصميم أدوات إنشاء الكود التلقائي لكل من النظام الكهربائي ونظام التحكم، وبالنسبة لنظام طاقة معين؛ فإنه يتم إنشاء رمز النواة تلقائياً وترجمته مرة واحدة قبل المحاكاة.

في هذا البحث، تم تصميم محاكي كامل من نوع (EMTP) القائم على وحدة معالجة الرسومات باستخدام النمذجة الموجهة نحو الخيط وخوارزمية لكل من الأنظمة الكهربائية وأنظمة التحكم بالإضافة إلى أدوات أتمتة التعليمات البرمجية، ووفقاً لاختبارات الدقة والكفاءة؛ فقد أظهر المحاكي المقترح تسريعاً كبيراً لمحاكاة أنظمة الطاقة على نطاق واسع المقارنة.