[發明專利]一種面向電壓暫降事件反演的FPGA模擬裝置設計方法

在審

• 申請號: 202310205737.6
• 申請日: 2023-03-03
• 公開（公告）號: CN116245062A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 葉華;裴瑋;楊政;王冠淇
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G06F30/34
• 分類號: G06F30/34;G06F30/3312;H02J13/00;G06F113/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 江亞平

本發明提供一種面向電壓暫降事件反演的FPGA模擬裝置設計方法，首先描述基于配電網饋線電磁暫態模型及其降階模型的現場可編程邏輯門陣列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)模擬裝置總體架構設計方法，進一步通過嵌入兩類模型算法的FPGA計算結果對比，設計監視器分析指標計算方法，并通過電磁暫態離散代數方程組反演求解故障點位置、接地電阻與電壓暫態特征值，最后提出該電壓暫降事件反演的FPGA模擬裝置硬件時序分析方法。

技術領域

本發明屬于有源配電網電能質量分析與治理領域，具體涉及一種面向電壓暫降事件反演的FPGA(現場可編程邏輯門陣列，Field?Programmable?Gate?Array)模擬裝置設計方法。

背景技術

配電網各支路饋線接入大量工業負荷，對電能質量要求很高。據統計，電能質量問題90％以上是由于電壓暫降引起，電壓暫降給用戶造成了巨大的經濟損失。其中，短路故障是引起電壓暫降的首要原因，而單相故障在各類短路故障中發生的概率最高。近年來，我國配電網中的新能源滲透率越來越高，而故障后，新能源接地方式將直接影響單相故障電流大小。同時，目前故障引起的電壓暫降定位方法受負荷影響大，且均從穩態層面開展，鮮有從暫態仿真角度考慮電壓暫降源定位方法。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明結合配電網電壓暫降治理和現場可編程邏輯門陣列(FieldProgrammable?Gate?Array，FPGA)電磁暫態仿真模擬技術，提供一種面向電壓暫降事件反演的FPGA模擬裝置設計方法，從配電網饋線發生的接地故障切入，依據電磁暫態仿真建模方法對饋線系統建立全電磁暫態模型，并根據波形點電氣量與離散仿真時刻變量間的關系，深入分析由單相接地故障引起電壓暫降現象，及其所對應時刻系統電壓與電流的平衡關系，進而可實現引起電壓暫降的故障點位置識別。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種面向電壓暫降事件反演的FPGA模擬裝置設計方法，包括如下步驟：

步驟(1)設計基于配電網饋線電磁暫態模型及其降階模型的FPGA模擬裝置總體架構；

步驟(2)通過嵌入兩類模型算法-即全階模型電磁暫態算法和降階模型電磁暫態算法的FPGA計算結果對比，設計監視器分析指標計算方法；

步驟(3)求解故障點位置、接地電阻與電壓暫態特征信息；

步驟(4)設計該電壓暫降事件反演的FPGA模擬裝置硬件時序分析方法。

進一步地，所述步驟(1)中，所述模擬裝置總體架構由SoC-FPGA-1、SoC-FPGA-2及1臺上位PC機組成；其中，SoC-FPGA-1的PL側進行實際配電網饋線的電磁暫態仿真，SoC-FPGA-2的PL側進行配電網網絡降階變換后的電磁暫態模型仿真，SoC-FPGA-2的PS側根據降階變換后的電磁暫態模型，進行電壓暫降事件反演算法，上位PC機完成數據存儲及指令交互。

進一步地，所述步驟(1)包括設計模擬裝置總體架構使用的FPGA芯片選型、計算資源分析、SoC-FPGA-1和SoC-FPGA-2間及其與上位PC機的接口芯片與協議分析、接口數據傳輸方法以及SoC-FPGA-1和SoC-FPGA-2的PL與PS側計算過程描述。

進一步地，所述步驟(2)包括：分析比較RT-Lab、實際系統即原始全電磁暫態模型(FPGA-SoC-1)與模擬降階模型(FPGA-SoC-2)中結果的偏差，以檢測有源配電網饋線系統電壓暫降異常。

進一步地，所述步驟(3)采用電磁暫態離散代數方程組求解故障點位置、接地電阻大小以及接地點電壓值，然后基于計算結果設計電壓暫降事件具體的反演流程。

進一步地，所述步驟(4)用于優化模擬裝置總體架構的計算性能，對模擬器計算流程的運算時序進行分析，具體包括仿真時間內FPGA電磁暫態模型的并行計算能力以及模擬數據輸入到監視器的傳輸時間的優化。