[發明專利]基于FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法

有效

• 申請號: 201410135949.2
• 申請日: 2014-04-04
• 公開（公告）號: CN103942372B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 天津大學;南方電網科學研究院有限責任公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種有源配電網暫態實時仿真方法。特別是涉及一種基于FPGA的有源配電網暫態實時仿真多速率接口方法。

背景技術

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、暫態行為特征進行分析，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。

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）由于有源配電網系統中大量電力電子裝置的存在，采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、控制的復雜性等因素，使得有源配電網系統的實時仿真從模型的復雜性到計算規模都成為十分具有挑戰性的工作。

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件以及快速的仿真算法。在底層計算硬件層面，一般性系統實時仿真器的開發與應用中，大多實時仿真器采用基于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，通過并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，基于現場可編程邏輯門陣列(field-programmable?gate?array，FPGA)的全硬件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件并行結構，其邏輯資源可配置為很多并行處理單元并實現多層級高度并行計算；同時，FPGA芯片上具有大量嵌入式塊RAM，可配置為大量分布式ROM或RAM，其數據和地址寬度、端口數量皆可配置，而傳統實時仿真器中內存和總線大多是共享的，且端口有限，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，并且，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。

因此基于FPGA的有源配電網暫態實時仿真系統具有以下優勢：

（1）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于步長要求嚴格的部分提供速度和精度支持；

（2）基于可重構架構的FPGA體積小巧，在開發周期與成本的經濟性上也更具優勢；

（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、存儲器等硬件資源使得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；

（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，基于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平臺。

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。相對于狀態變量分析，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。

暫態仿真節點分析法包含2個基本步驟：

1）采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并聯形式的諾頓等效電路。以圖1所示的電感支路為例，其基本伏安關系方程如式(1)所示，應用梯形積分法后可得到式(2)和(3)形式的差分方程。