[发明专利]一种基于FPGA的智能变电站实时仿真器

说明书

技术领域

本发明属于智能变电站仿真技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于FPGA的智能变电站实时仿真器。

背景技术

智能变电站的仿真包括一次系统电网的电磁暂态仿真和二次系统行为逻辑的仿真。

电网的电磁暂态计算不仅在空间上涉及成百上千的母线节点、电网元件的节点电压方程求解，在时间上还需要按照步长进行递推计算。整个计算过程较潮流计算、机电暂态计算等更为复杂，也需要花费更多的计算时间。研究表明，对于一个100节点规模的变电站，如果步长设置为50us，仿真时间为1s，采用经典EMTP计算程序在双核处理器的计算机上进行仿真，所花费的时间大约为25s。仿真时间是真实物理过程的20倍。在实际使用，尤其是应用在变电站现场培训、调试工作中时，将会影响到工作的效率。更重要的是，在考虑实时闭环仿真时，由于开关动作的随机性，单步长计算时间也需要控制在微秒数量级。

而解决计算速度问题的最好方法是采用并行计算方式。已有学者在此领域进行过研究，形成了相应的成果。中国电科院的PSASP大电网仿真平台是其中的代表，其根据一次接线图进行区域划分，将电磁暂态计算任务分解，通过大型集群计算机进行各任务进程的求解。在50us步长情况下，通过特殊的通信网络进行各计算子单元数据交互，已可满足实时计算要求。但是，应该看到此方法无论从造价还是使用环境上，都难以在变电站现场使用，仅适合于试验室环境。

至于变电站二次系统的行为逻辑仿真，传统做法是通过PSCAD软件完成，属于离线仿真，并且只是单一的原理仿真，难以与实际变电站的信息以及一次系统的状态发生关联，也难以在时间尺度上完整仿真保护与控制逻辑的完整时序过程，从而在本质上不能满足变电站现场需要。

由此可见，目前技术条件下，尚缺乏一种可以对智能变电站一次系统、二次系统及其功能关联的实时仿真手段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于FPGA的智能变电站实时仿真器，实现智能变电站一次系统、二次系统及两者功能关联的实时仿真。

为实现上述发明目的，本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器，包括人机交互模块、嵌入式处理模块、FPGA仿真模块、千兆光纤收发器、千兆以太网接口、SD卡读写控制器，其中：

人机交互模块包括输入设备和显示屏，输入设备用于用户输入参数，发送给嵌入式处理模块，显示屏用于向用户显示仿真结果；

嵌入式处理模块用于管理用户行为，包括记录用户通过人机交互模块1输入的参数，对仿真步长、仿真规模、仿真运行方式进行设置，并将仿真模型参数下发至FPGA仿真模块；接收FPGA仿真模块3的仿真结果，反馈给人机交互模块；

FPGA仿真模块用于根据嵌入式处理模块发送的参数对智能变电站的模型进行实时仿真，包括一次系统主接线的电磁暂态仿真和二次系统的行为逻辑仿真，将仿真结果反馈给嵌入式处理模块；并且将仿真结果转化为实际变电站中所使用的IEC 61850的网络报文，其中包含一次系统的电流、电压瞬时值的SV报文和包含开关分合动作信息、位置信息以及告警信息的GOOSE报文，发送给千兆光纤收器，二次系统的保护与控制行为报文、告警报文、状态信息报告发送给千兆以太网接口；

千兆光纤收发器用于向外部网络转发FPGA仿真模块3所模拟的智能变电站过程层报文，包括SV报文和GOOSE报文；

千兆以太网接口用于向外部网络转发FPGA仿真模块3所模拟的智能变电站站控层MMS报文；

SD卡读写控制器6用于存储仿真过程的结果和报告，供用户在智能变电站仿真完成后离线调阅。

本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器，包括人机交互模块、嵌入式处理模块、FPGA仿真模块、千兆光纤收发器、千兆以太网接口、SD卡读写控制器，用户通过人机交互模块输入参数，嵌入式处理模块管理用户行为，将仿真模型参数下发至FPGA仿真模块进行仿真，将仿真结果通过嵌入式处理模块反馈至人机交互模块，向用户进行显示，并且嵌入式处理模块生成智能变电站的网络报文，通过千兆光纤收发器、千兆以太网接口发送给外部网络。本发明可以实现智能变电站一次系统、二次系统及两者功能关联的实时仿真，满足行业需求。

附图说明

图1是本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器的具体实施方式结构图；

图2是本实施例中基于FPGA的智能变电站实时仿真器的硬件结构图；

图3是本实施例中单个FOGA的内部逻辑框图；