[发明专利]基于FPGA的控制系统实时仿真框架设计方法

说明书

一种基于FPGA的控制系统实时仿真框架设计方法。其包括采用控制系统基本元件对二次系统、分布式电源建模；生成N_c个控制子系统并确定与电气系统接口变量；设定控制系统实时仿真步长为Δt；分配FPGA硬件资源，自动生成N_c个控制子系统求解模块、接口变量读入和输出模块；从读入模块读出N_i个接口数据输入求解模块，同时将新的接口数据存入读入模块；将求出的N_o个接口变量存入电气系统的对应存储器；判断仿真是否结束等步骤。本发明方法利用FPGA高度并行的硬件架构，具有较好的可行性与适用性，实现了控制系统的高速计算，为含高压直流、柔性交流输电、分布式电源的现代电力系统实时仿真提供了很好的解决思路。

技术领域

本发明属于电力系统中电气设备测试技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的控制系统实时仿真框架设计方法。

背景技术

电力系统实时仿真是与现实时间完全同步的电磁暂态仿真，其主要功能在于通过硬件在环仿真(Hardware-in-the-loop-simulation)测试出厂的保护和控制设备。实时仿真器可以与待测设备相连，并模拟较为真实的暂态条件，避免待测设备对真实系统产生影响。从功率等级看，硬件在环仿真可分为信号型硬件在环仿真以及功率型硬件在环仿真，在信号型硬件在环仿真中，待测设备通常为二次控制器、保护设备、智能终端等，与实时仿真器之间进行低功率的信号交互。相对来说，功率型硬件在环仿真中，待测设备一般为实际电气设备，比如发动机、电力电子设备等，需要与实时仿真器之间实现较大的功率流动，因此在实时仿真器与待测设备之间往往需要功率放大器进行接口。

在电力系统实时仿真中，一般将电力系统仿真对象划分为电气系统和控制系统两部分进行求解。在电气系统中，其元件特性是以元件的伏安关系描述的，如线路、变压器、开关元件、电机、阻抗等；在控制系统中，其元件特性是以输入输出关系描述的，如传递函数、延迟环节、限幅环节等，需要基于控制系统进行建模。在传统的电力系统电磁暂态仿真中，控制系统主要用于对发电机的励磁控制、原动部分进行建模，在含电力电子设备的电力系统暂态仿真中，控制系统不仅可以对由各种线性环节、动态环节以及非线性环节构成的二次系统进行建模，在现代电力系统中，控制系统还承担针对高压直流输电、柔性交流输电技术等大功率电力电子设备的二次系统进行仿真的任务，同时，随着可再生能源发电、分布式电源等清洁能源在配电网中广泛接入，具有复杂非线性特性的分布式电源同样可以在控制系统中进行建模和仿真，因此控制系统在电力系统实时仿真中具有十分重要的作用。

然而二次系统以及各类分布式电源本身就具有较强的非线性特征，另外，随着现代电力系统中分布式电源、高压直流输电技术、柔性交流输电技术的大量应用，控制系统的仿真规模在电力系统实时仿真中所占的比重越来越高，对于控制系统的计算往往成为整个实时仿真最大的计算负担，此时就亟需使用新型底层硬件提升控制系统实时仿真的计算能力。

传统电力系统实时仿真主要基于RTDS、HYPERSIM、eMEGAsim等商业实时仿真平台，然而现代电力系统具有了新的特点：1)现代电力系统中引入了大量高频电力电子设备及其二次系统，这使得实时仿真器中控制系统部分的计算资源消耗越来越大，对实时仿真器的计算性能提出了较高的要求，以RTDS等实时仿真平台研究相关问题时，如不借助系统等值等方法，研究的花费和代价过大，也不利于问题的扩展。另一方面，系统等值会使得电网的运行特性发生变化，在涉及电力系统特性研究时，会因电网的等值化简影响到仿真的准确性；2)高压直流、柔性交流输电技术应用大量电力电子装置，要准确反映系统的暂态过程，需要采用更小的仿真步长，这更进一步加剧了计算资源的矛盾，并对仿真的实时性提出了更高的要求。因此，电力系统实时仿真面临计算能力与精度和经济性的双重挑战。