[發(fā)明專利]基于FPGA的控制系統(tǒng)實時仿真框架設(shè)計方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710681556.5
• 申請日: 2017-08-10
• 公開（公告）號: CN107330231A
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁承第;劉忠義;閆大威;周進(jìn);雷錚;崔廣勝;王魁;李媛媛;宣文博;梁群;毛華;劉樹勇;宋佳;王世舉
• 申請（專利權(quán)）人: 國網(wǎng)天津市電力公司;國家電網(wǎng)公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 天津才智專利商標(biāo)代理有限公司12108
• 代理人: 龐學(xué)欣

一種基于FPGA的控制系統(tǒng)實時仿真框架設(shè)計方法。其包括采用控制系統(tǒng)基本元件對二次系統(tǒng)、分布式電源建模；生成N_c個控制子系統(tǒng)并確定與電氣系統(tǒng)接口變量；設(shè)定控制系統(tǒng)實時仿真步長為Δt；分配FPGA硬件資源，自動生成N_c個控制子系統(tǒng)求解模塊、接口變量讀入和輸出模塊；從讀入模塊讀出N_i個接口數(shù)據(jù)輸入求解模塊，同時將新的接口數(shù)據(jù)存入讀入模塊；將求出的N_o個接口變量存入電氣系統(tǒng)的對應(yīng)存儲器；判斷仿真是否結(jié)束等步驟。本發(fā)明方法利用FPGA高度并行的硬件架構(gòu)，具有較好的可行性與適用性，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的高速計算，為含高壓直流、柔性交流輸電、分布式電源的現(xiàn)代電力系統(tǒng)實時仿真提供了很好的解決思路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備測試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于FPGA的控制系統(tǒng)實時仿真框架設(shè)計方法。

背景技術(shù)

電力系統(tǒng)實時仿真是與現(xiàn)實時間完全同步的電磁暫態(tài)仿真，其主要功能在于通過硬件在環(huán)仿真(Hardware-in-the-loop-simulation)測試出廠的保護(hù)和控制設(shè)備。實時仿真器可以與待測設(shè)備相連，并模擬較為真實的暫態(tài)條件，避免待測設(shè)備對真實系統(tǒng)產(chǎn)生影響。從功率等級看，硬件在環(huán)仿真可分為信號型硬件在環(huán)仿真以及功率型硬件在環(huán)仿真，在信號型硬件在環(huán)仿真中，待測設(shè)備通常為二次控制器、保護(hù)設(shè)備、智能終端等，與實時仿真器之間進(jìn)行低功率的信號交互。相對來說，功率型硬件在環(huán)仿真中，待測設(shè)備一般為實際電氣設(shè)備，比如發(fā)動機、電力電子設(shè)備等，需要與實時仿真器之間實現(xiàn)較大的功率流動，因此在實時仿真器與待測設(shè)備之間往往需要功率放大器進(jìn)行接口。

在電力系統(tǒng)實時仿真中，一般將電力系統(tǒng)仿真對象劃分為電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分進(jìn)行求解。在電氣系統(tǒng)中，其元件特性是以元件的伏安關(guān)系描述的，如線路、變壓器、開關(guān)元件、電機、阻抗等；在控制系統(tǒng)中，其元件特性是以輸入輸出關(guān)系描述的，如傳遞函數(shù)、延遲環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)等，需要基于控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真中，控制系統(tǒng)主要用于對發(fā)電機的勵磁控制、原動部分進(jìn)行建模，在含電力電子設(shè)備的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真中，控制系統(tǒng)不僅可以對由各種線性環(huán)節(jié)、動態(tài)環(huán)節(jié)以及非線性環(huán)節(jié)構(gòu)成的二次系統(tǒng)進(jìn)行建模，在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)還承擔(dān)針對高壓直流輸電、柔性交流輸電技術(shù)等大功率電力電子設(shè)備的二次系統(tǒng)進(jìn)行仿真的任務(wù)，同時，隨著可再生能源發(fā)電、分布式電源等清潔能源在配電網(wǎng)中廣泛接入，具有復(fù)雜非線性特性的分布式電源同樣可以在控制系統(tǒng)中進(jìn)行建模和仿真，因此控制系統(tǒng)在電力系統(tǒng)實時仿真中具有十分重要的作用。

然而二次系統(tǒng)以及各類分布式電源本身就具有較強的非線性特征，另外，隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)中分布式電源、高壓直流輸電技術(shù)、柔性交流輸電技術(shù)的大量應(yīng)用，控制系統(tǒng)的仿真規(guī)模在電力系統(tǒng)實時仿真中所占的比重越來越高，對于控制系統(tǒng)的計算往往成為整個實時仿真最大的計算負(fù)擔(dān)，此時就亟需使用新型底層硬件提升控制系統(tǒng)實時仿真的計算能力。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)實時仿真主要基于RTDS、HYPERSIM、eMEGAsim等商業(yè)實時仿真平臺，然而現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有了新的特點：1)現(xiàn)代電力系統(tǒng)中引入了大量高頻電力電子設(shè)備及其二次系統(tǒng)，這使得實時仿真器中控制系統(tǒng)部分的計算資源消耗越來越大，對實時仿真器的計算性能提出了較高的要求，以RTDS等實時仿真平臺研究相關(guān)問題時，如不借助系統(tǒng)等值等方法，研究的花費和代價過大，也不利于問題的擴展。另一方面，系統(tǒng)等值會使得電網(wǎng)的運行特性發(fā)生變化，在涉及電力系統(tǒng)特性研究時，會因電網(wǎng)的等值化簡影響到仿真的準(zhǔn)確性；2)高壓直流、柔性交流輸電技術(shù)應(yīng)用大量電力電子裝置，要準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的暫態(tài)過程，需要采用更小的仿真步長，這更進(jìn)一步加劇了計算資源的矛盾，并對仿真的實時性提出了更高的要求。因此，電力系統(tǒng)實時仿真面臨計算能力與精度和經(jīng)濟性的雙重挑戰(zhàn)。