本發(fā)明涉及一種有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器接口設(shè)計(jì)方法。特別是涉及一種基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、柔性交流配電以及智能配用電技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)無源網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣磸?fù)雜自治系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)過程也因眾多新元素、新技術(shù)的加入而變得更加復(fù)雜，有源配電系統(tǒng)的暫態(tài)仿真問題也開始逐漸引起人們的關(guān)注。同時(shí)在計(jì)算難度上，有源配電網(wǎng)暫態(tài)仿真面臨著更大規(guī)模的系統(tǒng)在更長時(shí)間尺度上仿真計(jì)算的挑戰(zhàn)。因此，必須借助準(zhǔn)確、高效的暫態(tài)仿真工具來深入了解有源配電網(wǎng)的運(yùn)行機(jī)理與動(dòng)態(tài)特征。

與離線的電磁暫態(tài)仿真不同，有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真能夠在物理時(shí)間尺度上真實(shí)地模擬系統(tǒng)的暫態(tài)過程，并具備硬件在環(huán)仿真的能力，在有源配電網(wǎng)各種保護(hù)與控制裝置的功能試驗(yàn)、性能測試、入網(wǎng)檢測中發(fā)揮著重要作用：一方面，為了減少物理實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性、降低實(shí)驗(yàn)成本以及避免對真實(shí)系統(tǒng)的影響，大量涉及配電網(wǎng)和分布式電源的控制、保護(hù)等二次設(shè)備的試驗(yàn)、測試與功能驗(yàn)證等技術(shù)需求均需要在硬件在環(huán)仿真環(huán)境下完成；另一方面，通過接入真實(shí)的設(shè)備或輸入真實(shí)的數(shù)據(jù)，硬件在環(huán)仿真可以更為真實(shí)地模擬有源配電網(wǎng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，得到較離線仿真更加真實(shí)的仿真結(jié)果。

目前，包括rtds、hypersim、emegasim、netomac等在內(nèi)的商業(yè)化實(shí)時(shí)仿真器已在電力系統(tǒng)運(yùn)行與保護(hù)、分布式電源控制器設(shè)計(jì)、電力電子裝備研發(fā)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著有源配電網(wǎng)規(guī)模的不斷增大和分布式電源等設(shè)備模型的日趨復(fù)雜，對實(shí)時(shí)仿真器的計(jì)算能力以及外部設(shè)備接入能力提出了更高要求。傳統(tǒng)的商業(yè)仿真器價(jià)格昂貴且i/o接口資源有限，相比之下，基于fpga(fieldprogrammablegatearray)的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器接口設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

fpga是具有固有并行性質(zhì)的可編程邏輯器件，可實(shí)現(xiàn)多線程的并行處理。fpga具有豐富的接口資源，可根據(jù)有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真的需求，通過多種i/o接口與各種外部設(shè)備互連完成硬件在環(huán)仿真。fpga憑借其高度并行的硬件結(jié)構(gòu)、分布式內(nèi)存、流水線架構(gòu)以及可編程特性，在實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。

在基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器設(shè)計(jì)中，往往需要fpga實(shí)時(shí)地接收外部物理設(shè)備的模擬信號。為此，需要提出一種基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠在基于fpga的實(shí)時(shí)仿真器中，實(shí)現(xiàn)仿真器高速、通用的模數(shù)接口設(shè)計(jì)，以滿足仿真器對外部模擬信號采樣需求的基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

1)在fpga中生成實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_sim，生成模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_ad及模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡的使能信號oe_ad，設(shè)置fir濾波器參數(shù)m，計(jì)算濾波器階數(shù)n＝2^m，設(shè)置0至n-1階fir濾波器抽頭系數(shù)，使模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡處于持續(xù)工作狀態(tài)；

2)將模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡輸出的數(shù)字信號寫入fpga的雙端口存儲器ram中，雙端口存儲器ram的寫時(shí)鐘為clk_ad，雙端口存儲器ram的寫地址設(shè)置為循環(huán)狀態(tài)；

3)設(shè)置仿真時(shí)刻t＝0，啟動(dòng)仿真；

4)仿真時(shí)間向前推進(jìn)一個(gè)步長，t＝t+δt；

5)在實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的每個(gè)周期內(nèi)，fpga選定當(dāng)前雙端口存儲器ram的寫地址addr_w，經(jīng)由兩個(gè)寄存器將模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_ad時(shí)域中的寫地址信號addr_w賦值給實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_sim時(shí)域中的地址信號ini_addr_r，fpga選取地址信號ini_addr_r及所述地址信號ini_addr_r之前的n-1個(gè)地址信號，并將這n個(gè)地址信號對應(yīng)的數(shù)字信號以實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_sim從雙端口存儲器ram中讀出，用于實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡輸出的數(shù)字信號的跨時(shí)鐘域轉(zhuǎn)化；

6)對雙端口存儲器ram中讀出的數(shù)字信號進(jìn)行fir濾波處理；

7)將fir濾波處理后輸出的數(shù)字信號，經(jīng)fpga中的定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)浮點(diǎn)數(shù)模塊，轉(zhuǎn)換為64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)供實(shí)時(shí)仿真器使用；

8)判斷物理時(shí)間是否達(dá)到t，如達(dá)到t，則進(jìn)入下一步，否則返回步驟5)；

9)判斷仿真時(shí)間是否達(dá)到設(shè)定的仿真終了時(shí)刻，如達(dá)到設(shè)定的仿真終了時(shí)刻，則仿真結(jié)束，否則返回步驟4)。

步驟6)中是采用fir濾波器對雙端口存儲器ram中讀出的數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，所述fir濾波器的輸入輸出關(guān)系為其中n為已輸入的采樣個(gè)數(shù)，n為fir濾波器階數(shù)，x(i)為第i個(gè)輸入的樣本，h(i)為fir濾波器第i階抽頭系數(shù)。

本發(fā)明的一種基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法，能夠充分考慮有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器與外部物理設(shè)備通訊的需求和自身硬件集成結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮fpga的i/o接口資源優(yōu)勢和硬件并行性的技術(shù)優(yōu)勢，在保證仿真器模數(shù)接口通訊速度和通用性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了仿真器對外部模擬信號有效、高速的采樣，為實(shí)現(xiàn)基于fpga的有源配電系統(tǒng)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明

附圖1是模數(shù)轉(zhuǎn)換接口中fir濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2是本發(fā)明基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法的流程圖；

附圖3是含單極光伏發(fā)電系統(tǒng)的有源配電網(wǎng)測試算例；

附圖4是短時(shí)間尺度光伏發(fā)電系統(tǒng)光照強(qiáng)度的變化；

附圖5是短時(shí)間尺度光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流的仿真結(jié)果；

附圖6是短時(shí)間尺度光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出故障相電壓的仿真結(jié)果；

附圖7是長時(shí)間尺度光伏發(fā)電系統(tǒng)光照強(qiáng)度的變化；

附圖8是長時(shí)間尺度光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出平均有功功率的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的一種基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法做出詳細(xì)說明。

如圖2所示，本發(fā)明的一種基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

1)在fpga中生成實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_sim，生成模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_ad及模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡的使能信號oe_ad，設(shè)置fir濾波器參數(shù)m，計(jì)算濾波器階數(shù)n＝2^m，設(shè)置0至n-1階fir濾波器抽頭系數(shù)，使模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡處于持續(xù)工作狀態(tài)，持續(xù)地將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；

2)將模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡輸出的數(shù)字信號寫入fpga的雙端口存儲器ram中，雙端口存儲器ram的寫時(shí)鐘為clk_ad，雙端口存儲器ram的寫地址設(shè)置為循環(huán)狀態(tài)，使數(shù)字信號被持續(xù)不斷的寫入雙端口存儲器ram中；

3)設(shè)置仿真時(shí)刻t＝0，啟動(dòng)仿真；

4)仿真時(shí)間向前推進(jìn)一個(gè)步長，t＝t+δt；

5)在實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的每個(gè)周期內(nèi)，fpga選定當(dāng)前雙端口存儲器ram的寫地址信號addr_w，經(jīng)由兩個(gè)寄存器將模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_ad時(shí)域中的寫地址信號addr_w賦值給實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_sim時(shí)域中的地址信號ini_addr_r，fpga選取地址信號ini_addr_r及所述地址信號ini_addr_r之前的n-1個(gè)地址信號，并將這n個(gè)地址信號對應(yīng)的數(shù)字信號以實(shí)時(shí)仿真器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘clk_sim從雙端口存儲器ram中讀出，用于實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡輸出的數(shù)字信號的跨時(shí)鐘域轉(zhuǎn)化；

6)對雙端口存儲器ram中讀出的數(shù)字信號進(jìn)行fir濾波處理；對數(shù)字信號進(jìn)行fir濾波處理，是為了消除高頻噪聲信號的干擾，提高采樣信號的精度。

本發(fā)明是采用fir濾波器對雙端口存儲器ram中讀出的數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，所述fir濾波器的輸入輸出關(guān)系為其中n為已輸入的采樣個(gè)數(shù)，n為fir濾波器階數(shù)，x(i)為第i個(gè)輸入的樣本，h(i)為fir濾波器第i階抽頭系數(shù)。濾波開始時(shí)，從雙端口存儲器ram中讀取n個(gè)數(shù)字信號x(n)，x(n-1)，…，x(n-n+1)，同時(shí)從fpga中的只讀存儲器讀取對應(yīng)的抽頭系數(shù)h(0)，h(1)，…，h(n-1)，對應(yīng)相乘后累加，得到當(dāng)前濾波結(jié)果y，并存入到fpga中的隨機(jī)存儲器，每完成一次fir濾波，需要進(jìn)n次乘法和n-1次加法；

7)將fir濾波處理后輸出的數(shù)字信號，經(jīng)fpga中的定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)浮點(diǎn)數(shù)模塊，轉(zhuǎn)換為64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)供實(shí)時(shí)仿真器使用；

8)判斷物理時(shí)間是否達(dá)到t，如達(dá)到t，則進(jìn)入下一步，否則返回步驟5)；

9)判斷仿真時(shí)間是否達(dá)到設(shè)定的仿真終了時(shí)刻，如達(dá)到設(shè)定的仿真終了時(shí)刻，則仿真結(jié)束，否則返回步驟4)。

下面以圖3所示的含單極光伏發(fā)電系統(tǒng)的有源配電網(wǎng)為例進(jìn)行說明。

該算例的執(zhí)行fpga開發(fā)板為altera公司的ivgxfpga530官方開發(fā)板。開發(fā)板配有stratixiv系列fpgaep4sgx530kh40c2n，該芯片包含744個(gè)i/o；測試模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡型號ad7606，分辨率為16位，最高支持200khz的模擬信號采樣；測試傳感器為phgdz光電式光照強(qiáng)度傳感器，可實(shí)時(shí)將采集的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成0到15v的電壓信號。

測試算例為含光伏發(fā)電系統(tǒng)的有源配電網(wǎng)，仿真步長設(shè)為3μs，如圖3所示。在光伏發(fā)電單元中，逆變器采用vdc-q控制，光伏電壓參考值vref以常量形式給出。算例中溫度設(shè)置為298k，光照強(qiáng)度為傳感器實(shí)時(shí)采集的光照強(qiáng)度，vref設(shè)為350v，qref設(shè)為0var。

fpga由100mhz的全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，通過鎖相環(huán)pll倍頻至135mhz輸入仿真解算部分，分頻至100khz和8mhz驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡；實(shí)際物理設(shè)備為光電式光照強(qiáng)度傳感器，用于采集實(shí)際光照并轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換板卡以100khz的采樣速率將模擬形式的光照強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為16位數(shù)字信號，經(jīng)由開發(fā)板高速中間接口的a端口輸入到仿真系統(tǒng)中進(jìn)行計(jì)算。

相同算例在pscad/emtdc中進(jìn)行搭建與仿真。pscad/emtdc的仿真步長設(shè)定為3μs，考慮到短時(shí)間內(nèi)，光照強(qiáng)度的變化不明顯，因此可由fpga實(shí)時(shí)仿真器采集得到的光照強(qiáng)度估計(jì)得到算例中的光照強(qiáng)度。

為了驗(yàn)證實(shí)時(shí)仿真器的模數(shù)接口的準(zhǔn)確性和有效性，測試考慮了短時(shí)間尺度和長時(shí)間尺度兩種仿真場景。

(1)短時(shí)間尺度驗(yàn)證

短時(shí)間尺度驗(yàn)證選取了光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生單相接地故障的仿真場景，仿真時(shí)長為4s，仿真步長為3μs，與pscad/emtdc進(jìn)行了仿真比較，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。其中，故障使用斷路器模擬，仿真進(jìn)行到1.5s時(shí)發(fā)生c相接地短路故障，0.2s后故障切除。圖4給出了基于fpga的實(shí)時(shí)仿真器與商業(yè)軟件pscad/emtdc接收光照強(qiáng)度的變化，圖5和圖6給出了實(shí)時(shí)仿真器與商業(yè)軟件pscad/emtdc離線仿真結(jié)果的比較。從圖4可以看出實(shí)時(shí)仿真器通過模數(shù)接口對外部模擬信號進(jìn)行了有效采樣，從圖5和圖6中可以看出，兩個(gè)仿真系統(tǒng)給出的仿真結(jié)果基本一致，從而在短時(shí)間尺度上驗(yàn)證了基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口的正確性以及有效性。

(2)長時(shí)間尺度驗(yàn)證

長時(shí)間尺度驗(yàn)證選取了天津市某日下午4點(diǎn)到6點(diǎn)對仿真器的數(shù)模接口進(jìn)行了測試，并與pscad/emtdc3μs的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，其中，仿真器輸入的是實(shí)際的光照強(qiáng)度，pscad/emtdc輸入的是每個(gè)采樣間隔內(nèi)光照強(qiáng)度的平均值，采樣間隔是2分鐘。圖7是該日下午4點(diǎn)到下午6點(diǎn)實(shí)時(shí)仿真器采集的光照強(qiáng)度變化以及pscad/emtdc輸入的光照強(qiáng)度變化，圖8是實(shí)時(shí)仿真器和pscad/emtdc對應(yīng)每個(gè)采樣間隔內(nèi)有功功率平均值的變化。從有功功率的變化來看，基于fpga的實(shí)時(shí)仿真器與pscad/emtdc的仿真結(jié)果接近，且具有相同的變化趨勢，從而在長時(shí)間尺度上驗(yàn)證了基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口的正確性以及有效性。

以上算例測試結(jié)果證明，本發(fā)明的一種基于fpga的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真器模數(shù)接口設(shè)計(jì)方法，能夠在保證速度和精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了仿真器對外部模擬信號有效、高速的采樣，為實(shí)現(xiàn)基于fpga的有源配電系統(tǒng)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真奠定基礎(chǔ)。