[发明专利]基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真多速率接口方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有源配电网暂态实时仿真方法。特别是涉及一种基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真多速率接口方法。

背景技术

近年来，智能电网已成为广受关注的研究领域。配电网作为智能电网的重要组成部分，分布式电源、电动汽车以及用户侧负荷响应等众多新的需求将给传统的被动无源的配电系统带来巨大的变化，使之成为主动有源的配电系统，这对配电网在规划设计、运行调度、控制保护、仿真分析等诸多方面提出了新的要求与挑战。发展快速有效的仿真工具和仿真方法对有源配电网的各种稳态、暂态行为特征进行分析，进而为配电网规划设计、优化调度、故障自动定位和排除、网络自愈、谐波分析、短路电流计算、保护装置整定、实际物理系统试验与验证等提供技术支持，成为迫切且意义重大的研究课题。

同面向输电系统的实时仿真相比，面向有源配电网系统的实时仿真有其自身的特点：1）配电网在结构和运行方式上具备明显的特殊性，可以依据研究问题的需要以馈线、变电站及所属馈线、若干变电站构成的供电区域、整个配电系统为仿真对象进行实时仿真；2）由于有源配电网系统中大量电力电子装置的存在，采用传统的实时仿真步长已不能满足有源配电网实时仿真的精度需求；3）配电网本身一般具有明显的结构和参数的不对称性，再加上分布式电源种类的多样性、控制的复杂性等因素，使得有源配电网系统的实时仿真从模型的复杂性到计算规模都成为十分具有挑战性的工作。

为了实现有源配电网暂态实时仿真系统，需要先进的底层计算硬件以及快速的仿真算法。在底层计算硬件层面，一般性系统实时仿真器的开发与应用中，大多实时仿真器采用基于精简指令集的计算机RISC工作站、多DSP、多CPU计算机、PC机群、多核技术等，通过并行技术达到实时计算能力。这类方法涉及的大部分数据处理工作仍是串行进行。另外，为了实现大规模系统仿真，需要设置大量数据处理单元，处理单元之间的数据通讯又会成为计算速度的主要瓶颈。相比之下，基于现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，FPGA)的全硬件计算为实时仿真提供了一种新思路。FPGA本质上具有完全可配置的固有硬件并行结构，其逻辑资源可配置为很多并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA芯片上具有大量嵌入式块RAM，可配置为大量分布式ROM或RAM，其数据和地址宽度、端口数量皆可配置，而传统实时仿真器中内存和总线大多是共享的，且端口有限，限制了数据的传输效率；FPGA允许使用流水线技术，加强了数据处理效率，并且，FPGA还拥有大量传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟。

因此基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统具有以下优势：

（1）允许更快的计算速度和更小的计算步长，可以为有源配电网暂态实时仿真中对于步长要求严格的部分提供速度和精度支持；

（2）基于可重构架构的FPGA体积小巧，在开发周期与成本的经济性上也更具优势；

（3）随着FPGA技术的不断发展，单片FPGA集成度越来越高，日益丰富的逻辑模块、存储器等硬件资源使得FPGA具备了承载有源配电网暂态实时仿真的能力，日益下降的成本也使得FPGA成为未来用户的合理选择；

（4）考虑到传统实时仿真器的模型与算法等内容基本上不对用户开放，进一步研究开发准确、高效的仿真算法不大可能。相比之下，基于FPGA的配电网暂态实时仿真器具有可开发性、可拓展性，能够为有源配电网控制、保护策略的研究，新设备调试等提供测试平台。

在仿真算法层面，常规电力系统暂态实时仿真问题的基本求解方法可以分为节点分析法(nodal analysis)以及状态变量分析法(state space analysis)两类。相对于状态变量分析，节点分析法在算法实现难度、仿真计算速度等方面具有较大优势，因此在EMTP、PSCAD/EMTDC等暂态离线仿真工具以及RTDS、HYPERSIM等暂态实时仿真工具中，都以节点分析法作为基本框架。

暂态仿真节点分析法包含2个基本步骤：

1）采用某种数值积分方法(如梯形积分法)对系统中动态元件的特性方程进行差分化，得到等效计算电导与历史项电流源并联形式的诺顿等效电路。以图1所示的电感支路为例，其基本伏安关系方程如式(1)所示，应用梯形积分法后可得到式(2)和(3)形式的差分方程。