[发明专利]面向有源配电网实时仿真的解算器细粒度高效设计方法

说明书

一种面向有源配电网实时仿真的解算器细粒度高效设计方法，能够充分考虑有源配电网实时仿真中节点电导矩阵的结构特性和FPGA硬件的集成结构，在保证求解精度的前提下，降低硬件资源占用率，提升求解由节点电导矩阵形成的稀疏线性方程组的速度，实现了由节点电导矩阵形成的稀疏线性方程组的快速求解，提高了基于FPGA的有源配电系统实时仿真器的性能。

技术领域

本发明涉及一种解算器细粒度设计方法。特别是涉及一种面向有源配电网实时仿真的解算器细粒度高效设计方法。

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，需要在保证求解精度的前提下，提升求解由节点电导矩阵形成的稀疏线性方程组的速度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高基于FPGA的有源配电系统实时仿真器性能的面向有源配电网实时仿真的解算器细粒度高效设计方法。

本发明所采用的技术方案是：一种面向有源配电网实时仿真的解算器细粒度高效设计方法，包括离线预处理过程和在线求解过程，

所述的离线预处理过程包括如下步骤：

1)采用嵌套分割算法，对有源配电网实时仿真所用的节点电导矩阵G进行处理，分别生成对角加边形式的第一节点电导矩阵G′、第一行置换矩阵P′和第一列置换矩阵Q′；

2)采用约束对称近似最小阶数置换算法对对角加边形式的节点电导矩阵G′进行处理，分别生成第二节点电导矩阵G″、第二行置换矩阵P″和第二列置换矩阵Q″；

3)将第二行置换矩阵P″与第一行置换矩阵P′相乘，得到第三行置换矩阵P，将第一列置换矩阵Q′与第二列置换矩阵Q″相乘，得到第三列置换矩阵Q；