[发明专利]基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法

说明书

本发明公开了基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法，包括以下步骤：S1、基于Cholesky分解法和xilinx提供的VHLS工具，构建供FPGA使用的Verilog代码矩阵，求逆IP核；S2、基于xilinx提供的cordIC算法IP构建电压相位瞬时值求解模块；S3、基于UDP传输协议构建通过SFP+接口与PC机以及节点电压方程构建的工业配电园区电磁暂态计算模块；S4、基于C#的.NET4.8框架，开发面向配电网电压质量在线分析程序。本发明采用上述基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法，可快速描述电压质量异常事件、快速分析电压质量异常事件起因及其定位，提高工业园区配电网数字化程度。

技术领域

本发明涉及一种电力系统暂态仿真技术，尤其涉及一种基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法。

背景技术

随着新型电力系统的构建，海量电力电子设备被投入到电力系统中，尤其在配电网侧居多。在园区配电系统内电压质量又是制约其经济效益的重要因素。由于电力电子设备动作的复杂性，因此导致传统电力系统的基于CPU的电磁暂态仿真系统不能及时反应电力系统状况。

在数字化电力系统的背景下，目前市场上尚未出现一套完整的应对配电网电压质量异常检测与定位的解决方案。因此亟需开发一种计算速度快、可操作性强、结果可靠性高的面向工业园区的电压质量超实时观测与分析系统。

由本领域公知常识可知，FPGA具有高运算速率、低延时、低功耗、设计周期短、高性价比等特点，因此为应对传统CPU计算速度的不足应采用更加先进的FPGA并行计算设备，对工业园区局部配电网进行电磁暂态仿真进行加速计算。但是基于FPGA的电压质量超实时观测与分析系统还存在以下难点：

1、求解电力系统的电磁暂态过程中节点导纳矩阵求逆运算是目前业内的难点之一；2、如何将整个电磁暂态程序用Verilog/VHDL硬件语言描述；3、如何对FPGA发送来的超实时计算数据进行相关分析；4、Verilog语言面向的是硬件电路，不能像高级语言具有实时参数可变的优点。

因此亟需开发一种计算并行程度高，编写Verilog代码简单，模块可复用的Verilog代码范式，以及在上位机侧建立数据分析软件是当前亟需解决的重要问题。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，即为了开发一种计算速度快、可操作性强、结果可靠性高的面向工业园区的电压质量超实时观测与分析方法，其包括节点导纳矩阵求逆模块、基于Verilog的配电网全电磁暂态计算模块以及基于注意力机制的电压质量异常辨识程序，可快速描述电压质量异常事件、快速分析电压质量异常事件起因及其定位，且计算速度快、可操作性强、结果可靠性高，有效提高工业园区配电网数字化程度。

为实现上述目的，本发明提供了基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法，包括以下步骤：

S1、基于Cholesky分解法和xilinx提供的VHLS工具，构建供FPGA使用的Verilog代码矩阵，求逆IP核；

S2、基于xilinx提供的cord IC算法IP构建电压相位瞬时值求解模块；

S3、基于UDP传输协议构建通过SFP+接口与PC机以及节点电压方程构建的工业配电园区电磁暂态计算模块；

S4、基于C#的.NET4.8框架，开发面向配电网电压质量在线分析程序。

优选的，步骤S1具体包括以下步骤：

S11、证明电力系统节点导纳矩阵可用Cholesky分解法；

忽略实际电网中的单相导通器件，则节点导纳矩阵是对称的；又由于节点导纳矩阵自导为正，互导为负的特点，因此节点导纳矩阵的顺序主子式均大于零，所以将节点导纳矩阵看作对称正定矩阵，又由于其正定特性，因此节点导纳矩阵可采用Cholesky分解法对其分解；