[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于：/n所述的离线预处理过程包括如下步骤：/n1)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′；/n2)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″；/n3)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；/n4)将第三行置换矩阵P与原始电流向量i的地址向量A_i相乘，生成新的电流向量i′的地址向量A′_i，将第三列置换矩阵Q与原始电压向量u的地址向量A_u相乘，生成新的电压向量u′的地址向量A′_u，将新的电流向量i′的地址向量A′_i和新的电压向量u′的地址向量A′_u分别下载到有源配电网实时仿真平台的存储器ROM_i和存储器ROM_u中；/n5)采用LDU分解法对第二节点电导矩阵G″进行分解，分别生成前代求解过程系数矩阵L、单位化求解过程系数矩阵D和回代求解过程系数矩阵U；/n6)根据FPGA的乘法运算和减法运算的特性，对前代求解过程系数矩阵L进行拓扑分析，分别生成前代求解过程系数矩阵L中所有非对角线上非零元素参与运算的起始时刻T_Lij、前代求解过程时钟周期数T_f和前代求解过程处理单元数num_L；对单位化求解过程系数矩阵D进行拓扑分析，分别生成单位化求解过程系数矩阵中所有对角线上非零元素参与运算的起始时刻T_Dii和单位化求解过程处理单元数num_D；对回代求解过程系数矩阵U进行拓扑分析，分别生成回代求解过程系数矩阵中所有非对角线上非零元素参与运算的起始时刻T_Uij、回代求解过程时钟周期数T_b和回代求解过程处理单元数num_U；/n7)将前代求解过程系数矩阵L和回代求解过程系数矩阵U中的非对角线上的非零元素按参与运算的起始时刻进行排序，并采用坐标存储格式进行压缩，将压缩后的前代求解过程系数矩阵L和回代求解过程系数矩阵U中的非对角线上的非零元素下载到有源配电网实时仿真平台的存储器ROM_Li和存储器ROM_Ui中；/n8)将单位化求解过程系数矩阵D按参与运算的起始时刻进行排序，采用压缩列存储格式，将排序后的单位化求解过程系数矩阵D中的对角线上的非零元素及非零元素的行索引下载到有源配电网实时仿真平台的存储器ROM_Di中；/n所述的在线求解过程包括如下步骤：/n9)设置有源配电网实时仿真的解算器的系数矩阵的维数为N，N为大于零的整数，前代求解过程时钟周期数为T_f，T_f为大于零的整数，回代求解过程时钟周期数为T_b，T_b为大于零的整数，前代求解过程处理单元数num_L，num_L为大于零的整数，单位化求解过程处理单元数num_D，num_D为大于零的整数，回代求解过程处理单元数num_U，num_U为大于零的整数；/n10)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；/n11)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；/n12)解算开始时，电流向量输入启动信号ena_input置1，全局计时器从1开始进行加法计数，同时，输入到解算器的原始电流向量i，根据预存于存储器ROM_i中的新的电流向量i′的地址向量A′_i寻址排序，生成对应的新的电流向量i′；/n13)当全局计时器计数到N时，初始化过程结束，前代求解过程的启动信号ena_forward置1，前代求解过程的处理单元启动，预存于存储器ROM_Li中的前代求解过程系数矩阵L中的非对角线上非零元素及非零元素的行索引L_row[i]和列索引L_column[i]以流水线的形式输入到前代处理单元PE_L中，与输入的新的电流向量i′完成浮点数乘法和减法操作后输出到寄存器i_update[i]中，并通过前代数据总线完成新的电流向量i′的更新，同时，将预存于存储器ROM_pi中的单位化求解过程系数矩阵D中的对角线上的非零元素及非零元素的行索引D_row[i]，以流水线的形式输入到单位化处理单元PE_D中，与更新后的新的电流向量i′进行浮点数除法操作后输出到寄存器u_temp[i]中，并通过回代数据总线完成新的电压向量u′的赋值；/n14)当全局计时器计数到N+T_f时，前代求解过程和单位化求解过程结束，回代求解过程的启动信号ena_backward置1，回代求解过程的处理单元启动，预存于存储器ROM_Ui中的U矩阵中的非对角线上非零元素及其行索引U_row[i]、列索引U_column[i]以流水线的形式输入到处理单元PE_U中，与输入的电流向量i′完成浮点数乘法和减法操作后输出到寄存器u_update[i]中，并通过回代数据总线完成新的电压向量u′的更新；/n15)当全局计时器计数到N+T_f+T_b时，回代求解过程结束，生成回代求解过程的电压向量u′，并根据预存于存储器ROM_u中的新的电压向量u′的地址向量A′_u寻址排序后得到原始电压向量u，输出到仿真器中用于各节点电压和支路电流的更新，解算终止信号ena_end置1，解算完成；/n16)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤11)。/n