基於fpga的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法
2023-05-11 00:19:11 2
基於fpga的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法
【專利摘要】一種基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法，在離線環境下中讀取算例基本信息，計算電氣和控制系統在FPGA中每一時步計算所需的時間te和tc；根據te設定電氣系統實時仿真步長△te；根據公式自動確定控制系統實時仿真步長△tc；計算各元件相關計算參數與算例基本信息，上傳至在線仿真環境，進行計算資源分配，仿真時刻t=0；電氣和控制系統分別同時進行一個時步和k個時步的計算，t=t+△tc，t=t+k△te；電氣和控制系統進行多速率接口通信；判斷仿真時間是否達到仿真終了時刻。本發明易於實現，能夠提前計算電氣和控制系統解算時間，設定合適的實時計算步長，實現多速率接口並行仿真，在保證仿真精度的前提下，極大地減少了解算時間，降低了有源配電網暫態實時仿真的實現難度。
【專利說明】基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種有源配電網暫態實時仿真方法。特別是涉及一種基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法。
【背景技術】
[0002]近年來，智能電網已成為廣受關注的研究領域。配電網作為智能電網的重要組成部分，分布式電源、電動汽車以及用戶側負荷響應等眾多新的需求將給傳統的被動無源的配電系統帶來巨大的變化，使之成為主動有源的配電系統，這對配電網在規劃設計、運行調度、控制保護、仿真分析等諸多方面提出了新的要求與挑戰。發展快速有效的仿真工具和仿真方法對有源配電網的各種穩態、暫態行為特徵進行分析，進而為配電網規劃設計、優化調度、故障自動定位和排除、網絡自愈、諧波分析、短路電流計算、保護裝置整定、實際物理系統試驗與驗證等提供技術支持，成為迫切且意義重大的研究課題。
[0003]同面向輸電系統的實時仿真相比，面向有源配電網系統的實時仿真有其自身的特點:1)配電網在結構和運行方式上具備明顯的特殊性，可以依據研究問題的需要以饋線、變電站及所屬饋線、若干變電站構成的供電區域、整個配電系統為仿真對象進行實時仿真；2)由於有源配電網系統中大量電力電子裝置的存在，採用傳統的實時仿真步長已不能滿足有源配電網實時仿真的精度需求；3)配電網本身一般具有明顯的結構和參數的不對稱性，再加上分布式電源種類的多樣性、控制的複雜性等因素，使得有源配電網系統的實時仿真從模型的複雜性到計算規模都成為十分具有挑戰性的工作。
[0004]為了實現有源配電網暫態實時仿真系統，需要先進的底層計算硬體以及快速的仿真算法。在底層計算硬體層面，一般性系統實時仿真器的開發與應用中，大多實時仿真器採用基於精簡指令集的計算機RISC工作站、多DSP、多CPU計算機、PC機群、多核技術等，通過並行技術達到實時計算能力。這類方法涉及的大部分數據處理工作仍是串行進行。另外，為了實現大規模系統仿真，需要設置大量數據處理單元，處理單元之間的數據通訊又會成為計算速度的主要瓶頸。相比之下，基於現場可編程邏輯門陣列(field-programmable gatearray,FPGA)的全硬體計算為實時仿真提供了一種新思路。FPGA本質上具有完全可配置的固有硬體並行結構，其邏輯資源可配置為很多並行處理單元並實現多層級高度並行計算；同時，FPGA晶片上具有大量嵌入式塊RAM，可配置為大量分布式ROM或RAM，其數據和地址寬度、埠數量皆可配置，而傳統實時仿真器中內存和總線大多是共享的，且埠有限，限制了數據的傳輸效率；FPGA允許使用流水線技術，加強了數據處理效率，並且，FPGA還擁有大量傳輸速度極快的內部連線，不會引入過大的通訊延遲。
[0005]因此基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真系統具有以下優勢:
[0006](I)允許更快的計算速度和更小的計算步長，可以為有源配電網暫態實時仿真中對於步長要求嚴格的部分提供速度和精度支持；
[0007](2)基於可重構架構的FPGA體積小巧，在開發周期與成本的經濟性上也更具優勢；[0008](3)隨著FPGA技術的不斷發展，單片FPGA集成度越來越高，日益豐富的邏輯模塊、存儲器等硬體資源使得FPGA具備了承載有源配電網暫態實時仿真的能力，日益下降的成本也使得FPGA成為未來用戶的合理選擇；
[0009](4)考慮到傳統實時仿真器的模型與算法等內容基本上不對用戶開放，進一步研究開發準確、高效的仿真算法不大可能。相比之下，基於FPGA的配電網暫態實時仿真器具有可開發性、可拓展性，能夠為有源配電網控制、保護策略的研究，新設備調試等提供測試
T D O
[0010]在仿真算法層面，常規電力系統暫態實時仿真問題的基本求解方法可以分為節點分析法(nodal analysis)以及狀態變量分析法(state space analysis)兩類。相對於狀態變量分析，節點分析法在算法實現難度、仿真計算速度等方面具有較大優勢，因此在EMTP、PSCAD/EMTDC等暫態離線仿真工具以及RTDS、HYPERSIM等暫態實時仿真工具中，都以節點分析法作為基本框架。
[0011]暫態仿真節點分析法包含2個基本步驟:
[0012]I)採用某種數值積分方法(如梯形積分法)對系統中動態元件的特性方程進行差分化，得到等效計算電導與歷史項電流源並聯形式的諾頓等效電路。以圖1所示的電感支路為例，其基本伏安關係方程如式(I)所示，應用梯形積分法後可得到式(2)和(3)形式的差分方程。
[0013]
【權利要求】
1.一種基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法，其特徵在於，包括如下步驟: 第一步:在離線環境下，採用電氣系統和控制系統基本元件對有源配電系統進行建模，讀取各類基本元件的基本參數信息和拓撲連接關係，根據實時仿真器中電氣系統和控制系統的整體求解框架、各類基本元件的處理方式、矩陣求解方式等，分別計算電氣系統進行一個時步解算所需的時鐘周期數\和控制系統進行一個時步解算所需的時鐘周期數n。，根據FPGA的驅動時鐘頻率f以及電氣系統時鐘周期數ne和控制系統時鐘周期數n。，計算電氣系統和控制系統所對應的每一時步仿真所需的計算時間k和t。,其中t^nyf, tc=nc/f ；第二步:在離線環境下，設定電氣系統的實時仿真步長△&，電氣系統的解算要首先保證實時性，即te〈 Δ te,並在保證仿真精度的前提下選擇步長； 第三步:在離線環境下，根據電氣系統實時仿真步長自動確定控制系統的實時仿真步長At。，控制系統的解算要首先保證實時性，即fAt。，同時，將控制系統的實時仿真步長At。設為電氣系統實時仿真步長的整數倍k，並根據公式
2.根據權利要求1所述的基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法，其特徵在於，第一步所述的各類基本元件包括:基本無源元件、線路元件、電源元件、斷路器元件、電力電子開關元件。
3.根據權利要求1所述的基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法，其特徵在於，第二步和第三步中的電氣系統和控制系統所對應的每一時步仿真所需的計算時間te和t。均小於等於各自所對應的實時仿真步長Λ te和Λ t。，以保證仿真的實時性。
4.根據權利要求1所述的基於FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法，其 特徵在於，第三步所述
【文檔編號】G06F17/50GK103942372SQ201410135949
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月4日 優先權日:2014年4月4日
【發明者】李鵬, 丁承第, 王成山, 於浩, 於力, 郭曉斌, 許愛東, 董旭柱, 吳爭榮 申請人:天津大學, 南方電網科學研究院有限責任公司