[发明专利]一种电磁暂态小步长仿真方法及系统

说明书

本发明涉及一种电磁暂态小步长仿真方法及系统，配合外部服务器端的大步长系统对电网进行分网并行仿真运算，由大步长系统完成电网的分网解耦，本系统完成电磁暂态仿真运算并通过数据交互将仿真结果返还给大步长系统，从而达到对整个电网进行实时仿真、掌握电网运行的动态过程的目的。本发明以FPGA作为仿真平台，利用了FPGA成本较低、计算单元高度并行化、适合高度流水作业的特点，同时对不同的电网元器件进行并行仿真计算，系统整体高度流水化，在保证了仿真精度的情况下提升了系统的工作频率和吞吐率。

技术领域

本发明涉及一种在电网仿真中进行电磁暂态小步长仿真方法和系统，具体涉及一种电磁暂态小步长仿真方法及系统。

背景技术

电网仿真分为离线仿真与实时仿真。电磁暂态仿真程序(Electro-MagneticTransient Program，EMTP)已经广泛应用于电网的离线仿真，而离线仿真软件一般都安装在计算能力较强的服务器或工作站上，其仿真步长在100us量级。而实时仿真能够更加快速准确地掌握电网的实际工作状态，对电网的安全性评估以及故障排除都具有重要的意义。

同时，电网仿真还可以分为机电暂态仿真和电磁暂态仿真。机电暂态过程是指电磁转矩变化而引起的电机转子机械运动的改变的过程。机电暂态仿真一般应用于功角稳定、频率稳定、电压稳定以及短路计算等问题，仿真规模一般较大，仿真步长一般为毫秒级别。由于机电暂态的仿真步长很大，所以仿真软件也能够达到机电暂态仿真的实时性要求。而电磁暂态过程是指电场能量和磁场能量相互作用引起的电压电流变化的过程。电磁暂态仿真一般应用于操作暂态、故障暂态或其他快速动态响应，仿真规模一般较小，仿真步长一般为微秒级别。

由于各种高频器件的出现，电网的实时仿真步长需要从原来的50us-100us下降到1us-5us，仿真运算负担大幅增加。由于仿真步长的大幅度下降，现有的离线仿真软件包已经无法满足电网仿真的实时性要求。而要完成电网的实时仿真，不仅需要在软件层面上进行，还需要硬件设备的配合来达到要求的仿真速度。

目前，针对电网的实时仿真装置有基于并行处理器的实时数字仿真器RTDS、采用计算机集群作为仿真平台的RT-LAB实时仿真装置、基于工作站的全数字仿真系统ARENE等等。但是以上仿真系统均有着各自缺点，如成本高、仿真规模受限等。

由于电磁暂态实时仿真的各种困难，传统的通用处理器系统在如今电网仿真规模扩大并且实时性要求更高的背景下已经无法满足实时仿真需求。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种电磁暂态小步长仿真方法及系统，本发明配合外部服务器端的大步长系统对电网进行分网并行仿真运算，由大步长系统完成电网的分网解耦，本系统完成电磁暂态仿真运算并通过数据交互将仿真结果返还给大步长系统，从而达到对整个电网进行实时仿真、掌握电网运行的动态过程的目的。本发明在低成本的情况下保证了仿真系统的精度、规模以及可配置性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种电磁暂态小步长仿真方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

通过大步长仿真系统中电导逆矩阵G₂^-1和节点电流向量I_his的矩阵乘法求解节点电压向量V_s；

若FPGA平台的总仿真时间t＜最大仿真时间tfinal，则总仿真时间t加上仿真一个小步长的时间dt，t＝t+dt；在大步长仿真系统的元件区完成计算更新等值历史电流值的工作，并对元件区的计算节点电流注入值进行累加，周期性地和大步长仿真系统进行数据交互；直至t>＝tfinal，则仿真结束并输出仿真结果。

进一步地，在通过大步长仿真系统中的G₂^-1和I_his的矩阵乘法求解V_s之前，还包括：