基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统设计方法

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n_total以及仿真用时t_total，根据实时仿真用时t_total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。

主权项

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t_total的计算，根据实时仿真用时t_total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：n_h，RLC，n_h，LINE，n_h，SOURCE，n_h，BREAKER，n_h，PE，以及更新步骤的时钟周期数：n_u，RLC，n_u，LINE，n_u，SOURCE，n_u，BREAKER，n_u，PE，其中，n_h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，n_u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n_hist，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n_matrix；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n_total=max(n_h，RLC，n_h，Line，n_h，SOURCE，n_h，BREAKER，n_h，PE)+n_hist+n_matrix+max(n_u，RLC，n_u，Line，n_u，SOURCE，n_u，BREAKER，n_u，PE)+n_other，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，n_other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n_total，得到第四步中每一步仿真所需的实际时间t_total，t_total=n_total/f，设定仿真计算步长Δt，Δt需满足t_total<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I_h，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I_h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。