子步长异步推进的风电场实时仿真方法及装置与流程

本技术涉及风电场仿真，尤其涉及一种子步长异步推进的风电场实时仿真方法及装置。

背景技术：

1、风力发电作为一种重要的清洁能源利用方式，近年来得到了快速发展。随着风电机组单机容量的不断提升以及风电场规模的持续扩大，建立能够准确反映机组及场站运行状态的实时仿真模型，已成为提升发电效率、保障电网安全稳定运行的关键技术手段。数字孪生技术的兴起进一步推动了物理实体与虚拟模型之间的实时交互与动态映射，对风电场的仿真精度和计算实时性提出了更高要求。

2、针对风电机组或风电场的仿真建模，现有技术通常采用商业仿真软件进行离线分析，通过建立包含空气动力学、结构动力学和电磁暂态的多物理场耦合模型来模拟机组的运行行为。在这些方法中，模型通常采用全局统一时间步长进行协同仿真。然而，风电机组运行过程中涉及的气动、机械和电气物理过程具有显著不同的特征时间尺度，其中气动变化处于秒级，机械振动响应可达毫秒级，而电气暂态过程需在微秒级进行精确捕捉。现有方法为满足电气暂态的高频计算需求，不得不采用极小的全局步长，导致气动和机械部分的计算负荷大幅增加，难以支撑风电场级别的实时仿真。此外，在并行计算方面，现有技术通常采用静态的任务分配方式，将计算单元固定绑定到指定的处理器核心上，由于不同物理过程的计算复杂度动态变化，固定分配方式会导致部分核心空闲等待、部分核心过载拥堵，造成计算资源的浪费，限制了仿真系统的整体吞吐能力。

技术实现思路

1、本技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本技术第一方面实施例提出了一种子步长异步推进的风电场实时仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、根据风电场的实时运行数据，生成实时状态向量组；

4、基于所述实时状态向量组和预存的风电机组设计参数，构建风电场多物理场耦合模型，所述风电场多物理场耦合模型用于计算风电场仿真模型的状态变量；

5、将所述风电场多物理场耦合模型解耦为多个独立计算单元，为每个所述独立计算单元配置各自的初始子步长和同步参数，所述独立计算单元至少包括气动计算单元、机械传动计算单元和电气网络计算单元；

6、为每个所述独立计算单元分配独立的计算线程，每个所述独立计算单元采用各自的预设子步长异步地进行时域推进求解，得到每个所述独立计算单元的状态变量计算结果；

7、在预设的全局宏步长同步点，将各个所述独立计算单元的状态变量计算结果进行融合，生成所述风电场仿真模型的全局状态变量。

8、在本技术一些实施例中，所述实时运行数据包括环境数据、机组状态数据和场站电气数据；所述环境数据包括以下至少一种：轮毂高度处三维空间入流风速、风向、湍流强度、环境温度、气压；所述机组状态数据包括以下至少一种：每台风力发电机组的发电机转速、输出有功功率、输出无功功率、机舱振动加速度、塔筒顶部位移、叶片挥舞与摆振弯矩、变桨角度、变流器直流母线电压、电网侧三相电压电流瞬时值、齿轮箱油温、轴承温度；所述场站电气数据包括以下至少一种：箱式变压器高低压侧电压电流幅值与相位、主变压器档位及绕组温度、升压站母线电压频率及同步相量、断路器、隔离开关状态。

9、在本技术一些实施例中，所述气动计算单元用于计算风轮空气动力学特性，输入为实时风速数据和叶片当前桨距角，输出的状态变量为风轮气动推力与扭矩；所述机械传动计算单元用于构建风电机组的柔性多体动力学模型，输入为气动推力与扭矩，输出的状态变量为发电机转子的机械转速与扭转角以及关键部件的结构载荷向量；所述电气网络计算单元用于构建发电机组及其并网系统的电磁暂态模型，输入为机械转速，输出的状态变量为机组向电网注入的电磁功率、电流以及并网点电压动态。

10、在本技术一些实施例中，还包括：在预设的全局宏步长同步点，采用插值法对各个所述独立计算单元的状态变量计算结果进行处理，得到各个所述独立计算单元在所述全局宏步长同步点的第一状态变量；将各个所述独立计算单元在所述全局宏步长同步点的第一状态变量进行融合，生成所述风电场仿真模型的全局状态变量；基于各个所述独立计算单元在所述全局宏步长同步点的第一状态变量对多个所述独立计算单元进行状态变量数据交换，完成同步后各个所述独立计算单元继续异步推进。

11、在本技术一些实施例中，还包括：获取每个所述独立计算单元的计算负载；根据所述计算负载对所述计算线程与用于执行所述计算线程的物理核心之间的绑定关系进行动态调整。

12、在本技术一些实施例中，所述独立计算单元的计算负载通过以下公式计算：

13、

14、其中，为第个独立计算单元的计算负载，为当前周期第个独立计算单元的实际计算耗时，为上一周期第个独立计算单元的实计算耗时，为上上周期第个独立计算单元的实际计算耗时，、、为权重系数。

15、在本技术一些实施例中，所述根据所述计算负载对所述计算线程与用于执行所述计算线程的物理核心之间的绑定关系进行动态调整，包括：以最小化可用物理核心中的最大计算负载并降低物理核心间的计算负载方差为目标，将所述独立计算单元重新分配至各个所述物理核心；通过设置线程亲和性将每个所述独立计算单元的计算线程绑定至对应的物理核心。

16、在本技术一些实施例中，还包括：将所述风电场仿真模型的全局状态变量与所述实时运行数据进行比对；根据所述比对结果在线校准每个所述独立计算单元的模型参数。

17、在本技术一些实施例中，全局状态变量包括：所述风电场中每个风电机组的瞬时电磁功率、机械功率、关键部件载荷、全场尾流分布和并网点电压电流波形。

18、本技术第二方面实施例提出了一种子步长异步推进的风电场实时仿真装置，包括：

19、获取模块，用于根据风电场的实时运行数据，生成实时状态向量组；

20、构建模块，用于基于所述实时状态向量组和预存的风电机组设计参数，构建风电场多物理场耦合模型，所述风电场多物理场耦合模型用于计算风电场仿真模型的状态变量；

21、解耦模块，用于将所述风电场多物理场耦合模型解耦为多个独立计算单元，为每个所述独立计算单元配置各自的初始子步长和同步参数，所述独立计算单元至少包括气动计算单元、机械传动计算单元和电气网络计算单元；

22、异步求解模块，用于为每个所述独立计算单元分配独立的计算线程，每个所述独立计算单元采用各自的预设子步长异步地进行时域推进求解，得到每个所述独立计算单元的状态变量计算结果；

23、融合模块，用于在预设的全局宏步长同步点，将各个所述独立计算单元的状态变量计算结果进行融合，生成所述风电场仿真模型的全局状态变量。

24、本技术提供的子步长异步推进的风电场实时仿真方法，将风电场多物理场耦合模型解耦为气动、机械、电气三个独立计算单元，并为各单元配置与其物理过程特征时间尺度相匹配的独立子步长和计算线程进行异步时域推进求解，使得电气暂态过程可在微秒级精细求解而气动变化仅需毫秒级更新，从根本上避免了传统全局统一小步长方法中为迁就最快动态而强制全系统采用极小步长所导致的计算负荷指数级增长问题，在同等硬件条件下显著提升了仿真计算效率，使包含详细物理模型的风电场实时仿真成为可能。通过在预设的全局宏步长同步点将各独立计算单元异步求解得到的状态变量计算结果进行融合，生成风电场仿真模型的全局状态变量，实现了异步推进框架下各物理域状态在同步时刻的完整对齐，保证了仿真结果在时间维度上的全局一致性，从而兼顾了多时间尺度仿真的计算精度与整体协同性。

25、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。