Simulación de transitorios electromagnéticos de sistemas eléctricos de potencia empleando programación de unidades de procesamiento gráfico

Abstract

Los sistemas eléctricos de potencia están evolucionando de manera acelerada; nuevos elementos como las redes inteligentes, las microredes, los compensadores de potencia reactiva (SVC) y los sistemas de transmisión flexibles (FACTS), obligan a que los sistemas eléctricos de potencia deban concebirse como sistemas variables de múltiples dimensiones. En consecuencia, ya no solo es importante satisfacer los requerimientos de eficiencia, confiabilidad y compatibilidad sino también contar con herramientas capaces de hacer frente a la complejidad de los sistemas durante las etapas de diseño y operación.

Entre las herramientas utilizadas, se destaca la simulación digital, la cual ha sido ampliamente usada en el diseño, optimización y predicción del comportamiento de los sistemas eléctricos de potencia. En esta área, esta tesis propone una metodología para la simulación de transitorios electromagnéticos en sistemas eléctricos de potencia monofásicos empleando Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU por sus siglas en inglés). Metodología que se plantea como una alternativa competente en la simulación de sistemas de gran tamaño, usando herramientas de fácil acceso como las tarjetas gráficas convencionales o comunes.

La metodología considera un particionamiento de una red monofásica mediante el uso del Equivalente de Thévenin Multi Área (MATE por sus siglas en inglés), define la utilización de los modelos a partir de la regla trapezoidal de integración para emular el comportamiento de los equipos eléctricos en régimen transitorio y plantea la solución de estos a través de computación paralela con arquitectura de cálculo CUDA.

La metodología es puesta a prueba en sistemas eléctricos de diferentes tamaños y se obtiene que bajo ciertas condiciones los métodos propuestos representan una mejora en tiempo respecto a otras metodologías de solución de transitorios en la GPU propuestas en la literatura.

Electrical power systems are evolving in an accelerated way. New technologies as smart grids, micro grids, Static Var Compensators (SVC) and Flexible AC Transmission Systems (FACTS) demand to consider electrical power systems as variable and multidimensional systems. As consequence, it is not only necessary to satisfy efficiency, reliability and compatibility requirements but also it is required the use of tools and techniques to deal with the complexity during the design and operation stages of electrical power systems.

Among the tools used, the digital simulation is highlighted because it has been widely used in the design, optimization and prediction of the behavior of electrical power systems. In this field, this Thesis proposes a methodology to simulate single-phase electromagnetic transients using Graphic Processing Units (GPU). Methodology that as seen in the following. is a proficient alternative in the simulation of high size electrical systems transients.

The proposed methodology considers a single-phase network partitioning through the use of Multi Area Thevenin Equivalents (MATE), defines the use of trapezoidal rule based equivalent models for transients calculation and proposes the solution of the electrical power systems by techniques of parallel computing with CUDA GPU programming architecture.

The methodology is tested in electrical power systems of different sizes and it is obtained that under some given conditions, the proposed techniques represent a calculation time improvement in comparison with other GPU parallelizing techniques which are normally proposed in academic literature.