[发明专利]基于CPU-FPGA平台电力系统小步长实时仿真方法

说明书

本发明公开了基于CPU‑FPGA平台电力系统小步长实时仿真方法包括，首先将分布式发电系统中包含电力电子开关的高频电路与不含电力电子开关的低频电路进行模型分割，得到高频电路与低频电路，通过对包含电力电子开关的高频电路进行数学建模，构建高频电路的数学模型，并将高频电路计算所得的脉冲信号等效平均化，再将高频电路的数学模型下载到FPGA中进行计算，低频电路下载到CPU中进行计算，之后利用以太网或其他通信方式实现FPGA与CPU的异步通信，以此进行仿真数据交互。实验证明，本方法提出的基于CPU‑FPGA联合仿真平台的实时仿真方法与离线仿真模型在暂态情况下的动态响应基本一致，具有很好的精确性，实现了电力系统仿真的实时性，同时由于引入了脉冲信号等效平均化方法，进一步降低了FPGA的资源占用率。

技术领域

本发明涉及分布式发电系统的建模与仿真技术领域，尤其涉及一种基于CPU-FPGA平台电力系统小步长实时仿真方法。

背景技术

随着越来越多的分布式电源接入配电网，其对配电网系统产生的影响也越来越大。在电力系统仿真领域，采用基于CPU的仿真技术具有操作简单、成熟度高、低复杂度等优点，被广泛应用于大规模电网及传统输配电系统的实时仿真中。而近年大规模的电力电子设备被应用于新能源并网、分布式电源及电能质量优化等领域，这给传统基于CPU的仿真系统带来了挑战，因此研究含有大量电力电子设备的电力系统小步长实时仿真技术是必要的。

在电力电子技术的快速发展下，电子电子开关频率趋于高频化，从几千赫兹到几万赫兹甚至更高，暂态过程更加短暂，因此需要仿真系统能够达到足够小的仿真步长才能保证仿真结果的可靠性(通常在1μs量级)。然而由于电力电子设备的存在会造成计算矩阵时变、步长间开关动作、数值振荡荡等问题，精确求解需要较长的仿真步长，且系统中的逻辑判断众多，计算复杂，加之电力电子设备带来的强非线性导致系统规模庞大，这些原因都导致了小步长实时仿真难以实现。传统的基于CPU的实时仿真器一般只能实现20us以上步长的仿真，已经满足不了当前普遍的高频电力电子系统实时仿真的要求，因此引入了FPGA和CPU进行联立仿真，该仿真方法能实现小步长仿真并降低FPGA硬件资源占用率。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供了基于CPU-FPGA平台电力系统小步长实时仿真方法，能够实现含电力电子元件的电力系统实时仿真，并优化CPU和FPGA的资源占用率的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，基于CPU-FPGA平台电力系统小步长实时仿真方法，包括：

将分布式发电系统中包含电力电子开关的高频电路与不含电力电子开关的低频电路进行模型分割，得到高频电路与低频电路；

对包含电力电子开关的高频电路进行数学建模；

构建高频电路的数学模型，并将高频电路计算所得的脉冲信号等效平均化；

将高频电路的数学模型下载到FPGA中进行计算，低频电路下载到CPU中进行计算；

利用以太网或其他通信方式实现FPGA与CPU的异步通信，以此进行仿真数据交互。

作为本发明所述的基于CPU-FPGA平台电力系统小步长实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述对包含电力电子开关的高频电路进行数学建模包括，采用数值积分法将高频电路中的电感L和电容C离散化，得到高频电路中的电感L和电容C的电压电流关系。