一种电磁暂态小步长仿真方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种电磁暂态小步长仿真方法及系统，配合外部服务器端的大步长系统对电网进行分网并行仿真运算，由大步长系统完成电网的分网解耦，本系统完成电磁暂态仿真运算并通过数据交互将仿真结果返还给大步长系统，从而达到对整个电网进行实时仿真、掌握电网运行的动态过程的目的。本发明专利技术以FPGA作为仿真平台，利用了FPGA成本较低、计算单元高度并行化、适合高度流水作业的特点，同时对不同的电网元器件进行并行仿真计算，系统整体高度流水化，在保证了仿真精度的情况下提升了系统的工作频率和吞吐率。

【技术实现步骤摘要】
一种电磁暂态小步长仿真方法及系统
本专利技术涉及一种在电网仿真中进行电磁暂态小步长仿真方法和系统，具体涉及一种电磁暂态小步长仿真方法及系统。
技术介绍
电网仿真分为离线仿真与实时仿真。电磁暂态仿真程序(Electro-MagneticTransientProgram，EMTP)已经广泛应用于电网的离线仿真，而离线仿真软件一般都安装在计算能力较强的服务器或工作站上，其仿真步长在100us量级。而实时仿真能够更加快速准确地掌握电网的实际工作状态，对电网的安全性评估以及故障排除都具有重要的意义。同时，电网仿真还可以分为机电暂态仿真和电磁暂态仿真。机电暂态过程是指电磁转矩变化而引起的电机转子机械运动的改变的过程。机电暂态仿真一般应用于功角稳定、频率稳定、电压稳定以及短路计算等问题，仿真规模一般较大，仿真步长一般为毫秒级别。由于机电暂态的仿真步长很大，所以仿真软件也能够达到机电暂态仿真的实时性要求。而电磁暂态过程是指电场能量和磁场能量相互作用引起的电压电流变化的过程。电磁暂态仿真一般应用于操作暂态、故障暂态或其他快速动态响应，仿真规模一般较小，仿真步长一般为微秒级别。由于各种高频器件的出现，电网的实时仿真步长需要从原来的50us-100us下降到1us-5us，仿真运算负担大幅增加。由于仿真步长的大幅度下降，现有的离线仿真软件包已经无法满足电网仿真的实时性要求。而要完成电网的实时仿真，不仅需要在软件层面上进行，还需要硬件设备的配合来达到要求的仿真速度。目前，针对电网的实时仿真装置有基于并行处理器的实时数字仿真器RTDS、采用计算机集群作为仿真平台的RT-LAB实时仿真装置、基于工作站的全数字仿真系统ARENE等等。但是以上仿真系统均有着各自缺点，如成本高、仿真规模受限等。由于电磁暂态实时仿真的各种困难，传统的通用处理器系统在如今电网仿真规模扩大并且实时性要求更高的背景下已经无法满足实时仿真需求。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种电磁暂态小步长仿真方法及系统，本专利技术配合外部服务器端的大步长系统对电网进行分网并行仿真运算，由大步长系统完成电网的分网解耦，本系统完成电磁暂态仿真运算并通过数据交互将仿真结果返还给大步长系统，从而达到对整个电网进行实时仿真、掌握电网运行的动态过程的目的。本专利技术在低成本的情况下保证了仿真系统的精度、规模以及可配置性。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供一种电磁暂态小步长仿真方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：通过大步长仿真系统中电导逆矩阵G2-1和节点电流向量Ihis的矩阵乘法求解节点电压向量Vs；若FPGA平台的总仿真时间t＜最大仿真时间tfinal，则总仿真时间t加上仿真一个小步长的时间dt，t＝t+dt；在大步长仿真系统的元件区完成计算更新等值历史电流值的工作，并对元件区的计算节点电流注入值进行累加，周期性地和大步长仿真系统进行数据交互；直至t>＝tfinal，则仿真结束并输出仿真结果。进一步地，在通过大步长仿真系统中的G2-1和Ihis的矩阵乘法求解Vs之前，还包括：FPGA平台的电磁暂态小步长仿真系统从大步长仿真系统接收初始化数据，并将初始化数据写入FPGA平台的内部数据区；设置小步长总仿真时间t。进一步地，所述大步长仿真系统是指基于外部服务器端的大步长仿真系统，所述大步长仿真系统用于电网的分网解耦，以及为电磁暂态小步长仿真系统提供仿真所需的初始化数据以及交互数据。进一步地，所述初始化数据包括电磁暂态小步长系统网络电导矩阵及其逆矩阵、元件配置信息、电磁暂态小步长仿真所需的常量和元件；所述元件包括电容、电感、电阻的常规元件SLA，单相绕阻变压器元件STB，单相交流独立电流源SCI，单相交流独立电压源SCV，受控电流源CIS，受控电压源CVS，开关元件BRK和传输线LC。进一步地，在求解节点电压向量Vs之后，还包括：根据FPGA平台内部的开关是否动作来决定是否更新G2-1；若开关动作，则根据最新的开关状态更新G2-1并刷新对应的地址表信息，通过更新后的G2-1和Ihis的矩阵乘法求解Vs；若开关不动作，则不更新G2-1。进一步地，求解节点电压向量Vs的公式如下：G2-1Ihis＝Vs(1)。进一步地，在所述判断FPGA平台内部的开关是否动作之前，还包括：开关动作状态由大步长系统通过周期性的数据交互方式发送到电磁暂态小步长仿真系统上；若选取新的电导矩阵，则通过新的电导矩阵和节点电流向量的矩阵乘法求解节点电压向量；否则，直接通过G2-1和Ihis的矩阵乘法求解Vs。进一步地，所述周期性地和大步长仿真系统进行数据交互，包括：设电磁暂态小步长系统的仿真步长为T1，大步长仿真系统的仿真步长为T2，N为正整数，则小步长迭代次数KLOOP＝N·T2/T1时进行一次大小步长仿真系统的数据交互；每次大小步长仿真系统交互由大步长仿真系统发送仿真实时激励信号、新的仿真数据以及大步长仿真系统仿真所需的节点编号，电磁暂态小步长仿真系统将大步长仿真系统发送的数据写入总线，并将新的数据用于下一次小步长开始的仿真运算；同时，电磁暂态小步长仿真系统在每次交互中依据大步长仿真系统发送的节点编号将相应节点的仿真数据返还给大步长仿真系统；所述大步长仿真系统发送的仿真数据包括：元件仿真的新参数和开关动作状态。本专利技术还提供一种基于FPGA平台的电磁暂态小步长仿真系统，其改进之处在于，所述系统包括元件区、核心计算区、公共存储模块、大小步长接口模块以及顶层控制模块；其中，元件区包括用于完成单个元件内部的计算的计算模块、用于控制单个元件计算时的数据流和计算时序的控制模块和用于累加节点电流注入值的节点电流累加模块；所述核心计算区用于求解节点电压向量；所述公共存储模块用于仿真数据的存储；所述大小步长接口模块用于大步长仿真系统和电磁暂态小步长仿真系统的数据交互；所述顶层控制模块用于产生整体时序逻辑及激励信号。进一步地，所述元件区运用到的元件包括电容、电感、电阻的常规元件SLA，单相绕阻变压器元件STB，单相交流独立电流源SCI，单相交流独立电压源SCV，受控电流源CIS，受控电压源CVS，开关元件BRK和传输线LC。与最接近的现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有的优异效果是：本专利技术以FPGA作为仿真平台，利用了FPGA成本较低、计算单元高度并行化、适合高度流水作业的特点，相比之下，FPGA拥有高度并行化的计算逻辑单元，适合高度流水化的作业，具有极高的灵活性和可配置性，非常适合在不牺牲通讯延迟和仿真精度的情况下对电磁暂态仿真进行硬件加速。同时对不同的电网元器件进行并行仿真计算，系统整体高度流水化，在保证了仿真精度的情况下提升了系统的工作频率和吞吐率。本专利技术提供的基于FPGA平台的电磁暂态小步长仿真系统成本较低；仿真规模较大，采用双精度浮点数作为基本数据格式，保证了仿真精度。在保证精度的情况下达到了微秒量级的仿真步长，从而满足了电磁暂态仿真的实时性要求，具有一定的灵活性与可配置性。可配合服务器端的大步长仿真系统对电网进行实时的分网并行仿真。附图说明图1是本专利技术提供的电磁暂态小步长仿真系统仿真流程示意图；图2是本专利技术提供的电磁暂态小步长仿真系统结构示意图；图3是本专利技术提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电磁暂态小步长仿真方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：通过大步长仿真系统中电导逆矩阵G2‑1和节点电流向量Ihis的矩阵乘法求解节点电压向量Vs；若FPGA平台的总仿真时间t＜最大仿真时间tfinal，则总仿真时间t加上仿真一个小步长的时间dt，t＝t+dt；在大步长仿真系统的元件区完成计算更新等值历史电流值的工作，并对元件区的计算节点电流注入值进行累加，周期性地和大步长仿真系统进行数据交互；直至t>＝tfinal，则仿真结束并输出仿真结果。

【技术特征摘要】
1.一种电磁暂态小步长仿真方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：通过大步长仿真系统中电导逆矩阵G2-1和节点电流向量Ihis的矩阵乘法求解节点电压向量Vs；若FPGA平台的总仿真时间t＜最大仿真时间tfinal，则总仿真时间t加上仿真一个小步长的时间dt，t＝t+dt；在大步长仿真系统的元件区完成计算更新等值历史电流值的工作，并对元件区的计算节点电流注入值进行累加，周期性地和大步长仿真系统进行数据交互；直至t>＝tfinal，则仿真结束并输出仿真结果。2.如权利要求1所述的电磁暂态小步长仿真方法，其特征在于，在通过大步长仿真系统中的G2-1和Ihis的矩阵乘法求解Vs之前，还包括：FPGA平台的电磁暂态小步长仿真系统从大步长仿真系统接收初始化数据，并将初始化数据写入FPGA平台的内部数据区；设置小步长总仿真时间t。3.如权利要求2所述的电磁暂态小步长仿真方法，其特征在于，所述大步长仿真系统是指基于外部服务器端的大步长仿真系统，所述大步长仿真系统用于电网的分网解耦，以及为电磁暂态小步长仿真系统提供仿真所需的初始化数据以及交互数据。4.如权利要求2或3所述的电磁暂态小步长仿真方法，其特征在于，所述初始化数据包括电磁暂态小步长系统网络电导矩阵及其逆矩阵、元件配置信息、电磁暂态小步长仿真所需的常量和元件；所述元件包括电容、电感、电阻的常规元件SLA，单相绕阻变压器元件STB，单相交流独立电流源SCI，单相交流独立电压源SCV，受控电流源CIS，受控电压源CVS，开关元件BRK和传输线LC。5.如权利要求1所述的电磁暂态小步长仿真方法，其特征在于，在求解节点电压向量Vs之后，还包括：根据FPGA平台内部的开关是否动作来决定是否更新G2-1；若开关动作，则根据最新的开关状态更新G2-1并刷新对应的地址表信息，通过更新后的G2-1和Ihis的矩阵乘法求解Vs；若开关不动作，则不更新G2-1。6.如权利要求5所述的电磁暂态小步长仿真方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆清，张星，王祥旭，彭红英，刘子新，王峰，陈绪江，徐树文，林因，吴丹岳，黄道姗，黄霆，刘智煖，苏清梅，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，国家电网公司，国网福建省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11