基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法技术方案

一种基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法，分为离线仿真环境和在线仿真环境，离线仿真环境负责计算每时步计算的总时钟周期数ntotal以及仿真用时ttotal，根据实时仿真用时ttotal设置仿真步长Δt，并将根据仿真步长Δt计算出的相关参数以及读取到的基本参数信息上传至基于FPGA的在线仿真环境；在线仿真环境完成仿真的实时计算，通过有限状态机控制仿真状态，每一时步包括每个步长中各类元件的历史项电流源列向量计算、总历史项电流源列向量形成、线性方程组求解及更新步骤，各类元件的历史项电流源列向量计算以及更新步骤是完全独立的，可并发处理。本发明专利技术保证了整个系统暂态仿真过程中的实时性，具有较好的可行性与适用性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法，分为离线仿真环境和在线仿真环境，离线仿真环境负责计算每时步计算的总时钟周期数ntotal以及仿真用时ttotal，根据实时仿真用时ttotal设置仿真步长Δt，并将根据仿真步长Δt计算出的相关参数以及读取到的基本参数信息上传至基于FPGA的在线仿真环境；在线仿真环境完成仿真的实时计算，通过有限状态机控制仿真状态，每一时步包括每个步长中各类元件的历史项电流源列向量计算、总历史项电流源列向量形成、线性方程组求解及更新步骤，各类元件的历史项电流源列向量计算以及更新步骤是完全独立的，可并发处理。本专利技术保证了整个系统暂态仿真过程中的实时性，具有较好的可行性与适用性。【专利说明】基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法
本专利技术涉及一种电力系统仿真设计方法。特别是涉及一种基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法。
技术介绍
有源配电网暂态实时仿真是一种与现实时钟同步的数字仿真方式，通过将实时仿真器与实际物理设备相连可开展各种控制与保护装置的开发与测试工作，并可模拟光照、风速变化、电压跌落、短路故障、甩负荷等多种运行场景下的有源配电网复杂暂态过程，可有效降低研发及试验成本，避免待测设备对实际系统的影响。有源配电网暂态实时仿真主要用于分布式发电(储能)单元控制器设计与试验、有源配电网能量管理系统测试、有源配电网保护装置调试等。在有源配电网中，为了精确刻画包括电力电子开关动作等在内的一系列快动态过程，暂态仿真的步长变得越来越小。从仿真角度看，电力电子设备的存在会造成计算矩阵时变、步长间开关动作、数值震荡等一系列问题，对于这些问题的精确求解需要耗费较长的计算时间与较多的计算资源。更重要的是，这些额外的计算时间的消耗往往是不可估计的。由于分布式电源种类多样，其控制系统的数学模型十分复杂，且逻辑判断多，具有强非线性特征，从而导致控制系统求解规模庞大。基于常规CPU处理器或DSP等串行硬件的传统实时仿真器，在较小的仿真步长下很难实现详细建模的暂态实时仿真。相比之下，基于现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array, FPGA)的全硬件计算为实时仿真提供了一种新思路。FPGA本质上具有完全可配置的固有硬件并行结构，其逻辑资源可配置为很多并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA芯片上具有大量嵌入式块RAM，可配置为大量分布式ROM或RAM，其数据和地址宽度、端口数量皆可配置，而传统实时仿真器中内存和总线大多是共享的，且端口有限，限制了数据的传输效率；FPGA允许使用流水线技术，加强了数据处理效率，并且，FPGA还拥有大量传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟。因此基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统允许更快的计算速度和更小的计算步长，可以为有源配电网暂态实时仿真中对于步长有要求严格的部分提供速度和精度支持，体积小巧，在开发周期与成本的经济性上也更具优势；而且考虑到传统实时仿真器的模型与算法等内容基本上不对用户开放，进一步研究开发准确、高效的仿真算法不大可能。相比之下，基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真器具有可开发性、可拓展性，能够为有源配电网控制、保护策略的研究，新设备调试等提供测试平台。暂态实时仿真问题的基本求解方法可以分为节点分析法(nodal analysis)以及状态变量分析法(state space analysis)两类。相对于状态变量分析，节点分析法在算法实现难度、仿真计算速度等方面具有较大优势，因此在EMTP、PSCAD / EMTDC等暂态离线仿真工具以及RTDS、HYPERSIM等暂态实时仿真工具中，都以节点分析法作为基本框架。暂态仿真节点分析法包含2个基本步骤:I)采用某种数值积分方法(如梯形积分法)对系统中动态元件的特性方程进行差分化，得到等效计算电导与历史项电流源并联形式的诺顿等效电路。以附图1所示的电感支路为例，其基本伏安关系方程如式(I)所示，应用梯形积分法后可得到式(2)和(3)形式的差分方程。【权利要求】1.一种基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法，其特征在于，有源配电网暂态实时仿真系统分为离线仿真环境和在线仿真环境，其中离线仿真环境负责实时仿真用时tt(rtal的计算，根据实时仿真用时ttotal设置仿真步长At，并将根据仿真步长At计算出的相关参数以及读取到的基本参数信息上传至基于FPGA的在线仿真环境；在线仿真环境完成仿真的实时计算，包括每个步长中各类元件的历史项电流源列向量计算、总历史项电流源列向量形成、线性方程组求解以及更新步骤，具体包括如下步骤: 第一步:在离线环境下，采用基本元件对有源配电网进行建模，读取基本无源元件、线路元件、电源元件、断路器元件、电力电子开关元件的基本参数信息，统计得到所述各类元件的数量； 第二步:在离线环境下，分别计算基本无源元件、线路元件、电源元件、断路器元件、电力电子开关元件的历史项电流源列向量求解的时钟周期数: nh, ELCj nh, LINEj nh, SOUECEj nh, BEEAKEEjnh, PE,以及更新步骤的时钟周期数:nu, KIX；, nUj LINE, nu,SOURCE，nu, BEEAKEEj nu, pe，其中，nh表示历史项电流源列向量求解的时钟周期数，取大于等于O的整数，nu表示更新步骤的时钟周期数，取大于等于O的整数，RLC表示基本无源元件，LINE表示线路元件，SOURCE表示电源元件，BREAKER表示断路器元件，PE表示电力电子开关元件； 第三步:在离线环境下，计算第一步所述的各类元件历史项电流源列向量形成总历史项电流源列向量所需的时钟 周期数Hhist，计算采用并行的矩阵向量乘法实现线性方程组求解的时钟周期数nMtaix ； 第四步:在离线环境下，计算每一步仿真所需的计算时钟周期总数为nt(rtal=max (nh, KIX,Line ? SOURCE? BREAKER? nh, Pe) +nhist+nmatrix+maX (?, ELC? nu, Line? 11U, SOURCE? nu, BREAKER? nu, PE) +nother，其中第一步所述的各类元件的历史项电流源列向量求解以及更新步骤的计算并发进行，max函数表示取最大值，nother表示一些零散操作的总时钟周期数； 第五步:在离线环境下，根据FPGA的驱动时钟频率f以及时钟周期总数nt(rtal，得到第四步中每一步仿真所需的实际时间tt()tal, tt(rtal=nt(rtal/f,设定仿真计算步长At, At需满足W<At以保证仿真实时性； 第六步:在离线环境下，根据仿真步长△ t计算第一步所述的各类元件的等效电导，形成节点电导矩阵，计算所述的各类元件模型中历史项电流源以及更新运算所需的计算参数，计算节点电导矩阵的逆矩阵； 第七步:将第六步已得到的等效电导、各类元件模型中历史项电流源以及更新运算所需的计算参数、节点电导矩阵的逆矩阵、第一步所述的基本参数信息、第五步所述的仿真步长Λ t上传至基于FPGA的在线仿真环境； 第八步:在在线环境下，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法，其特征在于，有源配电网暂态实时仿真系统分为离线仿真环境和在线仿真环境，其中离线仿真环境负责实时仿真用时ttotal的计算，根据实时仿真用时ttotal设置仿真步长Δt，并将根据仿真步长Δt计算出的相关参数以及读取到的基本参数信息上传至基于FPGA的在线仿真环境；在线仿真环境完成仿真的实时计算，包括每个步长中各类元件的历史项电流源列向量计算、总历史项电流源列向量形成、线性方程组求解以及更新步骤，具体包括如下步骤：第一步：在离线环境下，采用基本元件对有源配电网进行建模，读取基本无源元件、线路元件、电源元件、断路器元件、电力电子开关元件的基本参数信息，统计得到所述各类元件的数量；第二步：在离线环境下，分别计算基本无源元件、线路元件、电源元件、断路器元件、电力电子开关元件的历史项电流源列向量求解的时钟周期数：nh，RLC，nh，LINE，nh，SOURCE，nh，BREAKER，nh，PE，以及更新步骤的时钟周期数：nu，RLC，nu，LINE，nu，SOURCE，nu，BREAKER，nu，PE，其中，nh表示历史项电流源列向量求解的时钟周期数，取大于等于0的整数，nu表示更新步骤的时钟周期数，取大于等于0的整数，RLC表示基本无源元件，LINE表示线路元件，SOURCE表示电源元件，BREAKER表示断路器元件，PE表示电力电子开关元件；第三步：在离线环境下，计算第一步所述的各类元件历史项电流源列向量形成总历史项电流源列向量所需的时钟周期数nhist，计算采用并行的矩阵向量乘法实现线性方程组求解的时钟周期数nmatrix；第四步：在离线环境下，计算每一步仿真所需的计算时钟周期总数为ntotal=max(nh，RLC，nh，Line，nh，SOURCE，nh，BREAKER，nh，PE)+nhist+nmatrix+max(nu，RLC，nu，Line，nu，SOURCE，nu，BREAKER，nu，PE)+nother，其中第一步所述的各类元件的历史项电流源列向量求解以及更新步骤的计算并发进行，max函数表示取最大值，nother表示一些零散操作的总时钟周期数；第五步：在离线环境下，根据FPGA的驱动时钟频率f以及时钟周期总数ntotal，得到第四步中每一步仿真所需的实际时间ttotal，ttotal=ntotal/f，设定仿真计算步长Δt，Δt需满足ttotal<Δt以保证仿真实时性；第六步：在离线环境下，根据仿真步长Δt计算第一步所述的各类元件的等效电导，形成节点电导矩阵，计算所述的各类元件模型中历史项电流源以及更新运算所需的计算参数，计算节点电导矩阵的逆矩阵；第七步：将第六步已得到的等效电导、各类元件模型中历史项电流源以及更新运算所需的计算参数、节点电导矩阵的逆矩阵、第一步所述的基本参数信息、第五步所述的仿真步长Δt上传至基于FPGA的在线仿真环境；第八步：在在线环境下，设置仿真时刻t=0，全局控制模块中有限状态机的仿真状态为空闲状态(IDLE)，启动仿真；第九步：在在线环境下，仿真状态进入状态一(STEP_I)，仿真计时器开始计时，计算第一步所述的各类元件的历史项电流源，生成历史项电流源列向量，其中所述的各类元件的计算是并行的，各类元件的计算任务完成后将各自的结束信号置高电平；第十步：在在线环境下，对第九步所述的各类元件的结束信号进行逻辑与操作，当该信号为高电平，即所有元件完成历史项电流源计算后，将所有元件生成的历史项电流源列向量组合，得到总的历史项电流源列向量Ih，并进行存储，生成状态一结束信号(end_STEP_I)；第十一步：在在线环境下，仿真状态进入状态二(STEP_II)，根据断路器开关状态读取相应的节点电导矩阵的逆矩阵G‑1，采用并行的矩阵向量乘法由逆矩阵G‑1及总的历史项电流源列向量Ih计算节点电压列向量v，生成状态二结束信号(end_STEP_II)；第十二步：在在线环境下，仿真状态进入状态三(STEP_III)，对所述的各类元件分别进行更新运算，计算每个元件的端电压以及支路电流，并进行存储，其中所述的各类元件的更新计算是并行的；第十三步：在在线环境下，将用户指定的仿真结果传回离线环境，以便于用户查看；第十四步：在在线环境下，判断仿真计时器是否计时至Δt时，如满足条件，则生成步长结束信号(end_Δt)，否则仿真器等待直至计时至Δt；第十五步：判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回第九步。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王成山，丁承第，李鹏，于浩，董旭柱，于力，黄红远，黄小耘，
申请(专利权)人：天津大学，南方电网科学研究院有限责任公司，广东电网公司，
类型：发明
国别省市：天津;12