基于fpga的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法
【專利摘要】一種基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法，在離線環(huán)境下中讀取算例基本信息，計(jì)算電氣和控制系統(tǒng)在FPGA中每一時(shí)步計(jì)算所需的時(shí)間te和tc；根據(jù)te設(shè)定電氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真步長△te；根據(jù)公式自動(dòng)確定控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真步長△tc；計(jì)算各元件相關(guān)計(jì)算參數(shù)與算例基本信息，上傳至在線仿真環(huán)境，進(jìn)行計(jì)算資源分配，仿真時(shí)刻t=0；電氣和控制系統(tǒng)分別同時(shí)進(jìn)行一個(gè)時(shí)步和k個(gè)時(shí)步的計(jì)算，t=t+△tc，t=t+k△te；電氣和控制系統(tǒng)進(jìn)行多速率接口通信；判斷仿真時(shí)間是否達(dá)到仿真終了時(shí)刻。本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)，能夠提前計(jì)算電氣和控制系統(tǒng)解算時(shí)間，設(shè)定合適的實(shí)時(shí)計(jì)算步長，實(shí)現(xiàn)多速率接口并行仿真，在保證仿真精度的前提下，極大地減少了解算時(shí)間，降低了有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真的實(shí)現(xiàn)難度。
【專利說明】基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真方法。特別是涉及一種基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，智能電網(wǎng)已成為廣受關(guān)注的研究領(lǐng)域。配電網(wǎng)作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，分布式電源、電動(dòng)汽車以及用戶側(cè)負(fù)荷響應(yīng)等眾多新的需求將給傳統(tǒng)的被動(dòng)無源的配電系統(tǒng)帶來巨大的變化，使之成為主動(dòng)有源的配電系統(tǒng)，這對(duì)配電網(wǎng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行調(diào)度、控制保護(hù)、仿真分析等諸多方面提出了新的要求與挑戰(zhàn)。發(fā)展快速有效的仿真工具和仿真方法對(duì)有源配電網(wǎng)的各種穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)行為特征進(jìn)行分析，進(jìn)而為配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度、故障自動(dòng)定位和排除、網(wǎng)絡(luò)自愈、諧波分析、短路電流計(jì)算、保護(hù)裝置整定、實(shí)際物理系統(tǒng)試驗(yàn)與驗(yàn)證等提供技術(shù)支持，成為迫切且意義重大的研究課題。
[0003]同面向輸電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真相比，面向有源配電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真有其自身的特點(diǎn):1)配電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式上具備明顯的特殊性，可以依據(jù)研究問題的需要以饋線、變電站及所屬饋線、若干變電站構(gòu)成的供電區(qū)域、整個(gè)配電系統(tǒng)為仿真對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真；2)由于有源配電網(wǎng)系統(tǒng)中大量電力電子裝置的存在，采用傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真步長已不能滿足有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真的精度需求；3)配電網(wǎng)本身一般具有明顯的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不對(duì)稱性，再加上分布式電源種類的多樣性、控制的復(fù)雜性等因素，使得有源配電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真從模型的復(fù)雜性到計(jì)算規(guī)模都成為十分具有挑戰(zhàn)性的工作。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，需要先進(jìn)的底層計(jì)算硬件以及快速的仿真算法。在底層計(jì)算硬件層面，一般性系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真器的開發(fā)與應(yīng)用中，大多實(shí)時(shí)仿真器采用基于精簡指令集的計(jì)算機(jī)RISC工作站、多DSP、多CPU計(jì)算機(jī)、PC機(jī)群、多核技術(shù)等，通過并行技術(shù)達(dá)到實(shí)時(shí)計(jì)算能力。這類方法涉及的大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作仍是串行進(jìn)行。另外，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)仿真，需要設(shè)置大量數(shù)據(jù)處理單元，處理單元之間的數(shù)據(jù)通訊又會(huì)成為計(jì)算速度的主要瓶頸。相比之下，基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(field-programmable gatearray,FPGA)的全硬件計(jì)算為實(shí)時(shí)仿真提供了一種新思路。FPGA本質(zhì)上具有完全可配置的固有硬件并行結(jié)構(gòu)，其邏輯資源可配置為很多并行處理單元并實(shí)現(xiàn)多層級(jí)高度并行計(jì)算；同時(shí)，F(xiàn)PGA芯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(shù)據(jù)和地址寬度、端口數(shù)量皆可配置，而傳統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真器中內(nèi)存和總線大多是共享的，且端口有限，限制了數(shù)據(jù)的傳輸效率；FPGA允許使用流水線技術(shù)，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理效率，并且，F(xiàn)PGA還擁有大量傳輸速度極快的內(nèi)部連線，不會(huì)引入過大的通訊延遲。
[0005]因此基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):
[0006](I)允許更快的計(jì)算速度和更小的計(jì)算步長，可以為有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真中對(duì)于步長要求嚴(yán)格的部分提供速度和精度支持；
[0007](2)基于可重構(gòu)架構(gòu)的FPGA體積小巧，在開發(fā)周期與成本的經(jīng)濟(jì)性上也更具優(yōu)勢(shì)；[0008](3)隨著FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展，單片F(xiàn)PGA集成度越來越高，日益豐富的邏輯模塊、存儲(chǔ)器等硬件資源使得FPGA具備了承載有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)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(tǒng)實(shí)時(shí)仿真器的模型與算法等內(nèi)容基本上不對(duì)用戶開放，進(jìn)一步研究開發(fā)準(zhǔn)確、高效的仿真算法不大可能。相比之下，基于FPGA的配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真器具有可開發(fā)性、可拓展性，能夠?yàn)橛性磁潆娋W(wǎng)控制、保護(hù)策略的研究，新設(shè)備調(diào)試等提供測(cè)試
T D O
[0010]在仿真算法層面，常規(guī)電力系統(tǒng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真問題的基本求解方法可以分為節(jié)點(diǎn)分析法(nodal analysis)以及狀態(tài)變量分析法(state space analysis)兩類。相對(duì)于狀態(tài)變量分析，節(jié)點(diǎn)分析法在算法實(shí)現(xiàn)難度、仿真計(jì)算速度等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，因此在EMTP、PSCAD/EMTDC等暫態(tài)離線仿真工具以及RTDS、HYPERSIM等暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真工具中，都以節(jié)點(diǎn)分析法作為基本框架。
[0011]暫態(tài)仿真節(jié)點(diǎn)分析法包含2個(gè)基本步驟:
[0012]I)采用某種數(shù)值積分方法(如梯形積分法)對(duì)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)元件的特性方程進(jìn)行差分化，得到等效計(jì)算電導(dǎo)與歷史項(xiàng)電流源并聯(lián)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(guān)系方程如式(I)所示，應(yīng)用梯形積分法后可得到式(2)和(3)形式的差分方程。
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步:在離線環(huán)境下，采用電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)基本元件對(duì)有源配電系統(tǒng)進(jìn)行建模，讀取各類基本元件的基本參數(shù)信息和拓?fù)溥B接關(guān)系，根據(jù)實(shí)時(shí)仿真器中電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)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(jì)算電氣系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)時(shí)步解算所需的時(shí)鐘周期數(shù)\和控制系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)時(shí)步解算所需的時(shí)鐘周期數(shù)n。，根據(jù)FPGA的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率f以及電氣系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)ne和控制系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)n。，計(jì)算電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的每一時(shí)步仿真所需的計(jì)算時(shí)間k和t。,其中t^nyf, tc=nc/f ；第二步:在離線環(huán)境下，設(shè)定電氣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真步長△&，電氣系統(tǒng)的解算要首先保證實(shí)時(shí)性，即te〈 Δ te,并在保證仿真精度的前提下選擇步長； 第三步:在離線環(huán)境下，根據(jù)電氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真步長自動(dòng)確定控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真步長At。，控制系統(tǒng)的解算要首先保證實(shí)時(shí)性，即fAt。，同時(shí)，將控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真步長At。設(shè)為電氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真步長的整數(shù)倍k，并根據(jù)公式
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法，其特征在于，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(guān)元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法，其特征在于，第二步和第三步中的電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的每一時(shí)步仿真所需的計(jì)算時(shí)間te和t。均小于等于各自所對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)仿真步長Λ te和Λ t。，以保證仿真的實(shí)時(shí)性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的有源配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真多速率接口方法，其 特征在于，第三步所述
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103942372SQ201410135949
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】李鵬, 丁承第, 王成山, 于浩, 于力, 郭曉斌, 許愛東, 董旭柱, 吳爭榮 申請(qǐng)人:天津大學(xué), 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司