[發明專利]基于多FPGA的有源配電網實時仿真器并行通訊方法

有效

• 申請號: 201710329189.2
• 申請日: 2017-05-10
• 公開（公告）號: CN107423476B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 王成山;王智穎;李鵬;宋關羽;盛萬興;劉科研;孟曉麗;呂琛;葉學順;董偉杰;高源;黃建業;張功林;吳涵;張明龍
• 申請（專利權）人: 天津大學;中國電力科學研究院;國網福建省電力有限公司電力科學研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 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

一種基于多FPGA的有源配電網實時仿真器并行通訊方法，包括：1)將各子系統信息下載到對應FPGA中；2)設置仿真時刻t＝0，啟動仿真；3)仿真時間向前推進一個步長，t＝t+Δt；4)各FPGA開始交互仿真接口數據，同時開始并完成仿真計算；5)各FPGA將接收到仿真接口數據寫入數據存儲器中；6)對實時仿真器進行仿真結束校驗；7)判斷物理時間是否達到仿真時間t，如達到則進入下一步，否則實時仿真器待機至t后，進入下一步；8)判斷仿真時間t是否達到設定的仿真終了時刻，如達到則仿真結束，否則返回步驟3)。本發明采用并行通訊的方法，有效的提高了基于多FPGA的有源配電網實時仿真器的仿真速度，為實現基于多FPGA的大規模有源配電網實時仿真奠定了基礎。

技術領域

本發明涉及一種有源配電網實時仿真器通訊方法。特別是涉及一種基于多FPGA的有源配電網實時仿真器并行通訊方法。

背景技術

隨著分布式電源、儲能裝置、微電網等配電側各種資源的大量接入，有源配電網的組織結構和運行特性發生了廣泛而深刻的變化。有源配電網的上述特點使其在規劃設計、運行優化、保護控制、仿真分析等方面與傳統配電系統相比存在較大差異。在仿真分析層面，有源配電系統中廣泛接入的各種分布式電源、儲能、電力電子裝置等新型設備使得其自身的動態特性更加復雜，針對傳統配電網的穩態仿真分析已不能滿足需求，需要借助精細的暫態仿真來深入了解有源配電網的運行機理與動態特征。

有源配電網詳細動態特性的分析與研究僅依靠離線暫態仿真是不夠的，尤其是對各種控制器、保護裝置、智能終端、新型能量管理系統等軟硬件裝置與系統的試驗、測試均需要在硬件在環(hardware-in-the-loop，HIL)環境中完成，必須借助實時仿真器實現。目前，國外開發的商業實時仿真器有RTDS、ARENE、HYPERSIM、NETOMAC、RT-LAB等，這些實時仿真器全部采用DSP(Digital Signal Processor)、CPU(Central Processing Unit)、PowerPC等串行處理器作為底層硬件計算資源，通過多個處理器的并行計算，從而達到實時仿真的計算能力。

有源配電網復雜的網絡結構和龐大的系統規模對實時仿真器的仿真精度、仿真速度、硬件資源等提出了新的挑戰。在有源配電網中，電力電子開關具有高頻動作特性，對該類元件的仿真需要較小的仿真步長；分布式電源及儲能元件自身的控制、電力電子變流器的控制增加了系統的仿真規模，給硬件計算資源帶來了較大的負擔。基于串行處理器的實時仿真器囿于信號處理速度、物理結構的限制，實時仿真計算能力較為有限，同時，多個處理器之間數據的傳輸延時限制了仿真步長的選擇。并行處理器現場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)為高性能有源配電網實時仿真器的開發提供了一種新的思路。

FPGA是一款具有固有并行性質的可編程邏輯器件，可實現大量線程的并行處理，通過采用流水線的操作方式，極大地提高了數字信號的處理速度。同時，FPGA的I/O資源豐富，包括全雙工LVDS通道、用戶自定義I/O接口、高速收發器等，可實現大量數據的板級交互，使多FPGA聯合實時仿真成為可能。

針對含大量電力電子以及非線性元件的有源配電網，要實現仿真步長在幾個到十幾個微秒之間的實時仿真，采用多個FPGA并行處理的方式提高底層硬件的計算能力，可以滿足詳細建模的有源配電網實時仿真的需求。考慮到多個FPGA之間需要交互大量數據，數據通訊時間較長，將會影響多FPGA有源配電網實時仿真器的仿真速度，因此需要設計一種合適的數據通訊方式，以降低數據通訊時間對仿真器仿真速度的影響。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種能夠提高實時仿真器仿真速度的基于多FPGA的有源配電網實時仿真器并行通訊方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于多FPGA的有源配電網實時仿真器并行通訊方法，包括，如下步驟：