[发明专利]一种基于FPGA的有源配电网实时仿真解算器的设计方法

说明书

一种基于FPGA的有源配电网实时仿真解算器的设计方法，包括：离线预处理过程：采用列近似最小度算法对节点导纳矩阵进行处理；预存电流的地址向量和电流压的地址向量；采用LU分解法对节点导纳矩阵进行分解；预存前代过程和回代过程各子任务的启动时间。在线求解过程：设置仿真启动时刻；仿真时间向前推进一个步长；完成各子任务信息初始化，电流向量的寻址排序；解算开始时，预存的子任务的启动时间对各个处理单元的启动计时器进行初始化；完成前代过程求解，生成中间解向量；完成回代过程求解，寻址排序后生成最终解向量；判断仿真时间是否达到仿真终了时刻。本发明在保证求解精度和求解速度的同时，实现了稀疏线性方程组准确、高效的求解。

技术领域

本发明涉及一种有源配电网实时仿真解算器。特别是涉及一种基于FPGA的有源配电网实时仿真解算器的设计方法。

背景技术

近年来，随着分布式发电与微电网技术、柔性交流配电技术以及智能配用电技术的不断发展与应用，配电网由传统无源网络转变为多源复杂系统，其动态过程也因众多新元素、新技术的加入而变得更加复杂，在规划设计、运行调度、控制保护、仿真分析等诸多方面面临着更大的挑战，因此，必须借助准确、高效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。

不同于离线的电磁暂态仿真，有源配电网实时仿真能够更加真实地模拟系统的暂态过程，并具备硬件在环仿真的能力，通过将实时仿真器与实际物理设备相连可开展各种控制与保护装置的开发与测试工作，既可以模拟光照及风速变化、电压跌落、短路故障、甩负荷等多种运行场景下的有源配电网复杂暂态过程，又可以有效降低研发及试验成本，避免待测设备对实际系统的影响，因此，在有源配电网规划设计、优化调度、故障自动定位和清除、网络自愈、谐波分析、实际物理系统试验与验证等方面发挥着重要作用。

目前，包括RTDS、HYPERSIM、eMEGAsim、NETOMAC等在内的商业化实时仿真器已在电力系统运行与保护、分布式电源控制器设计、电力电子装备研发等领域获得了广泛的应用。然而，随着有源配电网规模的不断增大和分布式电源等设备模型的日趋复杂，对实时仿真器的计算能力提出了更高的要求。同时，作为实时仿真中最为耗时的部分，其线性方程组求解模块的求解速度和求解精度严重制约着实时仿真器仿真性能的提高。传统的商业仿真器价格昂贵且不支持二次开发，相比之下，基于FPGA(field programmable gate array)的有源配电网实时仿真的高性能解算器设计提供了一种新的思路。

FPGA是具有固有并行性质的可编程逻辑器件，内部集成了大量的逻辑单元、分布式存储资源和DSP运算资源，通过资源配置可实现多线程的并行处理。同时，FPGA本身集成了丰富的外部接口资源，可根据有源配电网实时仿真器二次开发的需求，通过多种外部接口与外部设备互连完成硬件在环仿真。FPGA凭借其高度并行的硬件结构、分布式内存、流水线架构以及可编程特性，在实时仿真领域受到了广泛的关注。

在基于FPGA的有源配电网实时仿真中，需要反复求解由节点电导矩阵形成的稀疏线性方程组。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在保证求解精度和求解速度的同时，实现了由节点电导矩阵形成的稀疏线性方程组准确、高效求解的基于FPGA的有源配电网实时仿真解算器的设计方法。

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解算器的设计方法，包括离线预处理过程和在线求解过程，其中，

所述离线预处理过程包括如下步骤：

1)采用列近似最小度算法对由节点导纳矩阵形成的线性方程组的系数矩阵G进行处理，生成变换后的系数矩阵G′，行置换矩阵P，列置换矩阵Q；