[发明专利]适用于现场可编程逻辑阵列的改进电磁暂态仿真方法

说明书

一种适用于现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的改进电磁暂态仿真方法，在其初始化阶段，将待仿真电路的拓扑参数整合进两个矩阵参数，在其仿真循环主体部分，只需进行简单的矩阵乘法运算，即可得到每一个仿真时刻上的电压电流信息。本发明避免了在现场可编程逻辑阵列中进行复杂的初始化操作，同时最大限度地压缩了FPGA中仿真循环主体部分的流程，大幅提升了基于FPGA的电磁暂态仿真效率。

技术领域

本发明涉及电力系统，特别是一种适用于现场可编程逻辑阵列的改进电磁暂态仿真方法。

背景技术

电磁暂态仿真是电力系统安全分析与控制研究的重要工具。电磁暂态仿真分为离线仿真与实时仿真，目前电磁暂态离线仿真软件如Matlab/Simulink， PSCAD/EMTDC等普遍存在仿真速度慢、耗时长且不支持与外部硬件进行实时交互等问题，从而无法满足更高的如硬件在环(Hardware-in-Loop，HiL)等的实验需求。此时，电磁暂态实时仿真凭借计算效率高、精度好、交互性强等特征脱颖而出，逐渐得到广泛关注。

加拿大的H.W.Dommel教授于20世纪60年代末提出基于EMTP的电磁暂态仿真算法，由于其具有仿真速度快、精度高且数值稳定性较好等特点，逐渐成为电磁暂态仿真的主流算法。目前的电磁暂态离线仿真软件主要基于EMTP 法进行开发，但EMTP算法大多在基于CPU的通用计算机上运行，受限于硬件计算能力及高串行度处理模式，难以支持含高频电力电子器件的电力系统电磁暂态实时仿真。

目前电磁暂态实时仿真平台如RTDS、RT-LAB等已广泛应用于电力系统的研究中，他们均采用了现场可编程逻辑阵列(Field Programmable Gate Array， FPGA)架构来实现含电力电子器件的电力系统电磁暂态实时仿真。不同于CPU 等串行硬件，FPGA具有计算能力强、高并行度架构等优势，保证计算速度，真正实现小步长电磁暂态仿真的实时化。

传统的EMTP算法是基于CPU架构设计的，算法流程上存在大量串行结构，直接编译在FPGA上运行，会消耗大量FPGA硬件资源，降低实时仿真的效率与实时性。本发明通过整合拓扑参数，压缩FPGA中仿真循环流程，大幅提升了电磁暂态实时仿真的效率。

发明内容

针对传统EMTP电磁暂态仿真算法的不足，本发明的目的在于提供一种适用于现场可编程逻辑阵列(FPGA)方法，该方法避免了在现场可编程逻辑阵列 (FPGA)中进行复杂的初始化操作，同时最大限度地压缩了FPGA中仿真循环主体部分的流程，大幅提升了基于FPGA的电磁暂态仿真效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种适用于现场可编程逻辑阵列的改进电磁暂态仿真方法，其特征在于该方法包括下列步骤，其中步骤1)到步骤5)是初始化阶段，步骤6)是仿真循环主体部分：

步骤1)将待仿真电路中的支路和节点分别依次进行编号，其中接地节点的编号为0；

步骤2)根据以下规则形成待仿真电路的关联矩阵M:

2.1)如果支路p和节点q相连，且支路p定义的电流正方向是流出节点q，则M(q,p)＝1；

2.2)如果支路p和节点q相连，且支路p定义的电流正方向是流入节点q，则M(q,p)＝-1；

2.3)如果支路p和节点q不相连，则则M(q,p)＝0；

步骤3)按照以下子步骤形成待仿真电路的支路等效导纳向量Y_eq、节点导纳矩阵Y_n、历史电流源表达式的电压系数矩阵ɑ和电流系数矩阵β：