CN109508479B - 基于fpga的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，在实时仿真器的上位机中，读取待仿真的有源配电网基本参数并存入FPGA只读存储器的初始化文件；设定参数配置控制模块控制信号时间间隔；启动参数配置控制模块，从只读存储器中读取参数信息并赋值给寄存器；进行仿真计算；达到仿真终了时刻后，如要更换其他算例进行仿真，则进行复位后返回第一步进行新算例仿真，否则结束。本发明有效地提高了基于FPGA的有源配电网实时仿真器的通用性，可实现算例中控制***完全相同的情况下任意修改算例中电气***的拓扑、元件类型、元件个数、元件参数而无需进行重新编译的通用化，为实现基于FPGA的有源配电网实时仿真器商业化推广应用奠定了基础。

Description

基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法
技术领域
本发明涉及一种有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法。特别是涉及一种基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法。
背景技术
随着分布式电源、储能装置、微电网等各种配电侧资源的广泛接入，有源配电网的组织形态和运行特征发生了较为深刻而持久地变化。有源配电网的这些变化使其在规划设计、运行优化、保护控制、仿真分析等方面与传统配电***相比均存在较大的差异与挑战。在仿真计算层面，有源配电***中广泛接入的各种分布式电源、储能、电力电子装置等新型设备使得其自身的动态特性更加复杂，针对传统配电网的稳态仿真分析已不能满足需求，需要借助精细的暂态仿真来深入了解有源配电网的运行机理与动态特征。在此基础上，有源配电网详细动态特性的分析与研究还需要实现实时仿真的功能需求，尤其是对各种控制器、保护装置、智能终端、新型能量管理***等的试验、测试均需要在硬件在环(hardware-in-the-loop，HIL)的环境中进行。目前，国外开发的商业实时仿真器有RTDS、ARENE、HYPERSIM、NETOMAC、RT-LAB等，这些实时仿真器全部采用DSP(Digital SignalProcessor)、CPU(Central Processing Unit)、PowerPC等串行处理器作为底层硬件计算资源，通过多个处理器的并行计算，从而达到实时仿真的计算能力。
有源配电网复杂的网络结构和庞大的***规模对实时仿真器的仿真精度、计算速度、硬件资源等提出了新的挑战。在有源配电网中，电力电子开关具有高频的开关特性，对该类元件的仿真需要较小的仿真步长；分布式电源及储能元件自身的控制器、电力电子变流器的控制器等建模进一步增加了***的仿真规模，给硬件计算资源带来了较大的负担。基于串行处理器的实时仿真器囿于信号处理速度、物理结构的限制，实时仿真计算能力较为有限，同时，多个处理器之间数据的传输延时限制了仿真步长的选择与数值稳定性。
FPGA具有大量并行底层结构，分布式内存，可实现深度并行计算；同时采用流水线操作的方式，提高了数字信号的处理速度。FPGA自身的I/O资源丰富，包括全双工LVDS通道、用户自定义I/O接口、高速收发器等，可实现大量数据的板级交互。随着FPGA技术的发展，其集成的高速收发器可实现14.1Gbps的数据传输速率，使得多FPGA之间的高速通讯成为可能，为大规模有源配电网实时仿真的奠定了坚实的基础。
编译时间是基于FPGA的***设计和产品开发时需要考虑的重要因素，编译时间主要受FPGA设计的规模以及计算机性能的影响。对于基于FPGA的有源配电网实时仿真器，随着仿真的有源配电网规模不同，编译一次会花费1-3小时。如果将实时仿真器设计通用化，使实时仿真器本身不再因算例变化而变化，每次修改算例中元件参数以及更换算例无需再更改仿真器设计进而无需再进行重新编译，则可提高仿真器的通用性，节省用户时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种修改算例参数以及更换算例无需重新进行全编译的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，包括如下步骤：
1)在实时仿真器的上位机中，读取待仿真的有源配电网基本参数；统计得到有源配电网元件的数量信息；设定仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔；计算出各类计算参数，包括：元件的等效电导、元件的历史项电流源和更新运算所需计算参数；形成节点电导矩阵，计算节点电导矩阵的逆矩阵；设定实时仿真器的参数配置控制模块中参数读取开始信号与参数配置开始信号的时间间隔t1和参数配置开始信号与实时仿真开始信号的时间间隔t2；
2)将步骤1)得到的各类计算参数、节点电导矩阵的逆矩阵存入数据存储只读存储器ROMd的存储器初始化文件中，将步骤1)所述的有源配电网元件的数量信息、仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔存入参数配置只读存储器ROMp的存储器初始化文件中；
3)启动实时仿真器的参数配置控制模块，将参数读取开始信号置为高电平，从参数配置只读存储器ROMp中读取所述的有源配电网元件的数量信息、仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔；
4)在t1时间后参数配置开始信号置为高电平，将步骤3)所读取的有源配电网元件的数量信息和仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔赋值给寄存器；
5)在t2时间后实时仿真开始信号置为高电平，设置仿真时刻t＝0，启动仿真；
6)仿真时间向前推动一个步长，t＝t+Δt；
7)完成步骤6)所述步长的仿真计算，得到当前步长的有源配电网元件的端电压以及支路电流；
8)判断物理时间是否达到仿真时间t，如达到仿真时间t，则进入下一步，否则实时仿真器待机至仿真时间t后，进入下一步；
9)判断仿真时间t是否达到设定的仿真终了时刻T，如达到设定的仿真终了时刻T，则进入下一步，否则返回步骤6)；
10)判断是否要在线更换为其他算例进行实时仿真，如不更换其他算例，则仿真结束，否则进入下一步；
11)在在线环境下，对实时仿真器进行全局复位操作，而后返回步骤1)进行新算例的仿真。
步骤1)所述的有源配电网基本参数包括：基本无源元件的电阻、电感和电容参数，线路元件的电阻和电感矩阵，电源元件的幅值、频率和初始相位，断路器元件的开路电阻、闭合电阻和断路器动作时间，电力电子开关元件表示开路的电阻和电容与表示闭合的电感，所有元件的节点编号，节点电导矩阵维数。
步骤1)中所述的有源配电网元件的数量信息是，是否含有基本无源元件、基本无源元件个数、基本无源元件节点个数，是否含有电源元件、电源元件幅值个数、电源元件初始相位个数、正弦函数查表法采样步长、正弦函数查表法采样间隔点总数、电源元件节点个数、理想电源个数、受控电源个数，是否含有线路元件、线路元件个数、线路元件节点个数，是否含有断路器元件、断路器元件个数、断路器元件节点个数，是否含有电力电子元件、电力电子元件个数、电力电子元件节点个数，测量元件个数，控制***需输入的来自电气***的电压电流个数、控制***需输出至电气***的电力电子开关信号个数、控制***需输出至电气***的受控源控制量个数。
步骤1)中所述的实时仿真器的参数配置控制模块，是由时钟信号、复位信号、参数读取开始信号、参数配置开始信号、实时仿真开始信号组成，时钟信号和复位信号分别由实时仿真器全局时钟信号和全局复位信号输入，参数读取开始信号经仿实时真器开发板按键输入，在输入参数读取开始信号后，延时t1时间输出参数配置开始信号高电平，再延时t2时间输出实时仿真开始信号高电平。
本发明的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，充分考虑FPGA硬件设计的特点，修改算例参数以及更换算例无需重新进行全编译。有效地提高了基于FPGA的有源配电网实时仿真器的通用性，可实现算例中控制***完全相同的情况下任意修改算例中电气***的拓扑、元件类型、元件个数、元件参数的通用化，为实现基于FPGA的有源配电网实时仿真器商业化推广应用奠定了基础。
附图说明
图1是本发明基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法的流程图；
图2是算例1：单极光伏发电单元连接无穷大母线拓扑图；
图3是算例2：单极光伏发电单元连接无穷大母线(含断路器)拓扑图；
图4是切换前的算例1光伏单元并网点A相电压Va仿真结果图；
图5是切换前的算例1光伏单元并网点A相电流Ia仿真结果图；
图6是切换后的算例2光伏单元并网点A相电压Va仿真结果图；
图7是切换后的算例2光伏单元并网点A相电流Ia仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，包括如下步骤：
1)在实时仿真器的上位机中，读取待仿真的有源配电网基本参数；统计得到有源配电网元件的数量信息；设定仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔；计算出各类计算参数，包括：元件的等效电导、元件的历史项电流源和更新运算所需计算参数；形成节点电导矩阵，计算节点电导矩阵的逆矩阵；设定实时仿真器的参数配置控制模块中参数读取开始信号与参数配置开始信号的时间间隔t1和参数配置开始信号与实时仿真开始信号的时间间隔t2。其中，
(1)所述的有源配电网基本参数包括：基本无源元件的电阻、电感和电容参数，线路元件的电阻和电感矩阵，电源元件的幅值、频率和初始相位，断路器元件的开路电阻、闭合电阻和断路器动作时间，电力电子开关元件表示开路的电阻和电容与表示闭合的电感，所有元件的节点编号，节点电导矩阵维数。
(2)所述的有源配电网元件的数量信息是，是否含有基本无源元件、基本无源元件个数、基本无源元件节点个数，是否含有电源元件、电源元件幅值个数、电源元件初始相位个数、正弦函数查表法采样步长、正弦函数查表法采样间隔点总数、电源元件节点个数、理想电源个数、受控电源个数，是否含有线路元件、线路元件个数、线路元件节点个数，是否含有断路器元件、断路器元件个数、断路器元件节点个数，是否含有电力电子元件、电力电子元件个数、电力电子元件节点个数，测量元件个数，控制***需输入的来自电气***的电压电流个数、控制***需输出至电气***的电力电子开关信号个数、控制***需输出至电气***的受控源控制量个数。
(3)所述的实时仿真器的参数配置控制模块，是由时钟信号、复位信号、参数读取开始信号、参数配置开始信号、实时仿真开始信号组成，时钟信号和复位信号分别由实时仿真器全局时钟信号和全局复位信号输入，参数读取开始信号经仿实时真器开发板按键输入，在输入参数读取开始信号后，延时t1时间输出参数配置开始信号高电平，再延时t2时间输出实时仿真开始信号高电平。
2)将步骤1)得到的各类计算参数、节点电导矩阵的逆矩阵存入数据存储只读存储器ROMd的存储器初始化文件中，将步骤1)所述的有源配电网元件的数量信息、仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔存入参数配置只读存储器ROMp的存储器初始化文件中；
3)启动实时仿真器的参数配置控制模块，将参数读取开始信号置为高电平，从参数配置只读存储器ROMp中读取所述的有源配电网元件的数量信息、仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔；
4)在t1时间后参数配置开始信号置为高电平，将步骤3)所读取的有源配电网元件的数量信息和仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔赋值给寄存器；
5)在t2时间后实时仿真开始信号置为高电平，设置仿真时刻t＝0，启动仿真；
6)仿真时间向前推动一个步长，t＝t+Δt；
7)完成步骤6)所述步长的仿真计算，具体是采用专利号为2014100287694的专利中所公开的方法计算，得到当前步长的有源配电网元件的端电压以及支路电流；
8)判断物理时间是否达到仿真时间t，如达到仿真时间t，则进入下一步，否则实时仿真器待机至仿真时间t后，进入下一步；
9)判断仿真时间t是否达到设定的仿真终了时刻T，如达到设定的仿真终了时刻T，则进入下一步，否则返回步骤6)；
10)判断是否要在线更换为其他算例进行实时仿真，如不更换其他算例，则仿真结束，否则进入下一步；
11)在在线环境下，对实时仿真器进行全局复位操作，而后返回步骤1)进行新算例的仿真。
下面给出具体实例：
本发明实施例中基于FPGA的实时仿真器采用Altera公司的Stratix V系列FPGA5SGSMD5K2F40C2N及其配套官方开发板完成含光伏发电***的有源配电网实时仿真。整个实时仿真器通过125MHz的时钟驱动。
两个测试实例图如图2和图3所示，主体结构均为单极光伏发电单元与无穷大母线相连。算例中含有基本无源元件、电源元件(包括理想电源和受控电源)、断路器元件、电力电子元件、测量元件和光伏电池及其控制***等有源配电网典型元件，可以验证基于FPGA的有源配电网实时仿真器通用化设计的可行性。在光伏发电单元中，逆变器采用Vdc-Q控制，光伏电压参考值Vref以常量形式给出，算例中温度设置为298K，Vref设为350V，Qref设为0Var，保证单位功率因数运行。电源和变压器采用电压源串联恒定阻抗模拟。在该算例中，FPGA仿真的电气***包含5个电源类元件(包括2个受控电流源和1个三相电压源)、11个RLC元件、6个IGBT、6个二极管、8个测量元件，算例2中含有1个断路器元件；求解电气***线性方程组的维数为21维。
为验证通用化功能的实现，需要对算例进行适当改动使两个算例有一定差异，两算例仿真步长不同，所含元件类型和个数不同，具体情形如下：
测试算例1为单极光伏发电单元直接与无穷大母线相连，如图2所示，仿真步长为3μs。算例中不含断路器元件，无故障发生。
测试算例2为单极光伏发电单元与无穷大母线相连，在光伏单元并网点C相增加1个断路器元件用来模拟接地短路故障，如图3所示，仿真步长为5μs。在3.0s时刻在光伏单元并网点发生C相短路接地故障，3.2s时刻故障切除。
基于FPGA的有源配电网实时仿真器与商业软件PSCAD/EMTDC的仿真结果对比如图4～图7所示。进行实验时，首先在实时仿真器中运行算例1，从图4图5仿真结果看出，基于FPGA的有源配电网实时仿真器与PSCAD/EMTDC给出的结果基本一致，即算例1运行结果正确，证明了仿真器设计的正确性；而后在不改动仿真器设计、不重新编译的情况下在线替换为算例2，从图6图7仿真结果看出，基于FPGA的有源配电网实时仿真器与PSCAD/EMTDC给出的结果基本一致，即算例2运行结果正确，验证了实时仿真器通用化功能的实现，即用户无需进行重新编译即可仿真新的算例。从而验证了本发明的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法的正确性与通用化功能的实现。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在实时仿真器的上位机中，读取待仿真的有源配电网基本参数；统计得到有源配电网元件的数量信息；设定仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔；计算出各类计算参数，包括：元件的等效电导、元件的历史项电流源和更新运算所需计算参数；形成节点电导矩阵，计算节点电导矩阵的逆矩阵；设定实时仿真器的参数配置控制模块中参数读取开始信号与参数配置开始信号的时间间隔t1和参数配置开始信号与实时仿真开始信号的时间间隔t2；
2)将步骤1)得到的各类计算参数、节点电导矩阵的逆矩阵存入数据存储只读存储器ROMd的存储器初始化文件中，将步骤1)所述的有源配电网元件的数量信息、仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔存入参数配置只读存储器ROMp的存储器初始化文件中；
3)启动实时仿真器的参数配置控制模块，将参数读取开始信号置为高电平，从参数配置只读存储器ROMp中读取所述的有源配电网元件的数量信息、仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔；
4)在t1时间后参数配置开始信号置为高电平，将步骤3)所读取的有源配电网元件的数量信息和仿真步长Δt、电气***仿真步长、控制***仿真步长和输出结果采样间隔赋值给寄存器；
5)在t2时间后实时仿真开始信号置为高电平，设置仿真时刻t＝0，启动仿真；
6)仿真时间向前推动一个步长，t＝t+Δt；
7)完成步骤6)所述步长的仿真计算，得到当前步长的有源配电网元件的端电压以及支路电流；
8)判断物理时间是否达到仿真时间t，如达到仿真时间t，则进入下一步，否则实时仿真器待机至仿真时间t后，进入下一步；
9)判断仿真时间t是否达到设定的仿真终了时刻T，如达到设定的仿真终了时刻T，则进入下一步，否则返回步骤6)；
10)判断是否要在线更换为其他算例进行实时仿真，如不更换其他算例，则仿真结束，否则进入下一步；
11)在在线环境下，对实时仿真器进行全局复位操作，而后返回步骤1)进行新算例的仿真。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，其特征在于，步骤1)所述的有源配电网基本参数包括：基本无源元件的电阻、电感和电容参数，线路元件的电阻和电感矩阵，电源元件的幅值、频率和初始相位，断路器元件的开路电阻、闭合电阻和断路器动作时间，电力电子开关元件表示开路的电阻和电容与表示闭合的电感，所有元件的节点编号，节点电导矩阵维数。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，其特征在于，步骤1)中所述的有源配电网元件的数量信息是，是否含有基本无源元件、基本无源元件个数、基本无源元件节点个数，是否含有电源元件、电源元件幅值个数、电源元件初始相位个数、正弦函数查表法采样步长、正弦函数查表法采样间隔点总数、电源元件节点个数、理想电源个数、受控电源个数，是否含有线路元件、线路元件个数、线路元件节点个数，是否含有断路器元件、断路器元件个数、断路器元件节点个数，是否含有电力电子元件、电力电子元件个数、电力电子元件节点个数，测量元件个数，控制***需输入的来自电气***的电压电流个数、控制***需输出至电气***的电力电子开关信号个数、控制***需输出至电气***的受控源控制量个数。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的有源配电网实时仿真器参数配置通用化方法，其特征在于，步骤1)中所述的实时仿真器的参数配置控制模块，是由时钟信号、复位信号、参数读取开始信号、参数配置开始信号、实时仿真开始信号组成，时钟信号和复位信号分别由实时仿真器全局时钟信号和全局复位信号输入，参数读取开始信号经仿实时真器开发板按键输入，在输入参数读取开始信号后，延时t1时间输出参数配置开始信号高电平，再延时t2时间输出实时仿真开始信号高电平。
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