阅读说明：本技术 一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置 (Electromagnetic transient simulation device for alternating current and direct current power system ) 是由 翟鹤峰 赵利刚 洪潮 王长香 周挺辉 甄鸿越 黄冠标 吴小珊 徐原 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置,包括：大步长仿真系统、小步长仿真系统、快速数据交互模块及连接模块；大步长仿真系统,用于采用预设的电磁暂态仿真模型,按照第一仿真步长对交流仿真系统进行仿真；小步长仿真系统,用于采用预先建立的FPGA高频仿真模型,按照第二仿真步长对由高频电力电子开关器件组成的直流系统进行仿真；连接模块,用于连接直流系统与交流系统；连接模块为变压器或传输线接口模型；快速数据交互模块,与大步长仿真系统、小步长仿真系统连接,用于对大步长仿真系统与小步长仿真系统进行仿真数据交互,能有效提升交直流大电网电磁暂态仿真的速度,同时适应大规模电力系统的快速仿真需求和精度需求。(The invention discloses an electromagnetic transient simulation device of an alternating current and direct current power system, which comprises: the system comprises a large-step-size simulation system, a small-step-size simulation system, a rapid data interaction module and a connection module; the large-step simulation system is used for simulating the alternating current simulation system according to a first simulation step length by adopting a preset electromagnetic transient simulation model; the small-step-size simulation system is used for simulating a direct-current system consisting of high-frequency power electronic switching devices according to a second simulation step size by adopting a pre-established FPGA high-frequency simulation model; the connecting module is used for connecting the direct current system and the alternating current system; the connecting module is a transformer or transmission line interface model; the rapid data interaction module is connected with the large-step-size simulation system and the small-step-size simulation system, is used for carrying out simulation data interaction on the large-step-size simulation system and the small-step-size simulation system, can effectively improve the speed of electromagnetic transient simulation of the AC/DC large power grid, and is suitable for the rapid simulation requirement and the precision requirement of the large-scale power system.)

一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置

技术领域

本发明涉及电力系统仿真技术领域，尤其涉及一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置。

背景技术

随着区域电网的互联，现代电力系统在规模上不断拓展，高压直流输电和FACTS等大功率电力电子装备在电力系统中得到大量应用，使得电力系统在元件构成上日趋复杂，不同时间尺度的动态特性的交织，这也对电力系统的电磁暂态仿真技术提出了新的挑战。

虽然电磁暂态仿真方法具有非常高的仿真精度，但是因为其基于三相瞬时量的计算原理，仿真规模和仿真速度受到很大的限制。为了提高电磁暂态计算方法的计算速度，现有研究主要基于两种方法进行。一是利用并行计算技术，将大规模交直流电网分割成若干个较小规模的系统，然后分别进行仿真计算，在每个步长进行信息的交互，此种方法对计算速度的提高幅度有限，且随着子系统的个数增大，各子系统之间的信息交互时间会逐渐增大，常用的PSCAD软件即采用此方法提高计算速度。另外一种方法是基于大量的计算硬件，通过计算程序与底层硬件之间的密切配合，提高电磁暂态计算的计算速度，常用的RTDS即采用此方法提高计算速度。

但上述方法属于全定制集成电路的范畴，具有串行处理器的特性。一方面仿真装置可承载的处理器数量毕竟有限，不可能无限制的增加；另一方面大量的并行处理器间的相互通讯反而会成为仿真速度的瓶颈。而现场可编程门阵列(FPGA)具有高度并行特性以及流水线处理能力，能实现超高速数值运算，且不同FPGA开发板之间可通过高速通讯手段进行数据交互，能够很好地适应现代大规模电力系统的快速仿真需求。

发明内容

本发明实施例提供一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置，实现基于FPGA硬件仿真模型与电磁暂态软件仿真模型的联合仿真，能有效提升交直流大电网电磁暂态仿真的速度，同时适应大规模电力系统的快速仿真需求和精度需求。

本发明一实施例提供一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置，所述装置包括：大步长仿真系统、小步长仿真系统、快速数据交互模块及连接模块；

所述大步长仿真系统，用于采用预设的电磁暂态仿真模型，按照第一仿真步长对交流仿真系统进行仿真；

所述小步长仿真系统，用于采用预先建立的FPGA高频仿真模型，按照第二仿真步长对由高频电力电子开关器件组成的直流系统进行仿真；其中，所述第一仿真步长大于所述第二仿真步长；

所述连接模块，均与所述大步长仿真系统、所述小步长仿真系统连接，用于连接所述直流系统与所述交流系统；其中，所述连接模块为变压器或传输线接口模型；

所述快速数据交互模块，均与所述大步长仿真系统、所述小步长仿真系统连接，用于对所述大步长仿真系统与所述小步长仿真系统进行仿真数据交互。

作为上述方案的改进，所述装置还包括第一外部连接模块、第二外部连接模块和外部控制及保护模块；

所述外部控制及保护模块，与所述大步长仿真系统、所述第一外部连接模块连接，用于对所述交流系统内的元件进行保护与控制；与所述小步长仿真系统、所述第二外部连接模块连接，用于对所述直流系统内的元件进行保护与控制；

其中，所述第一外部连接模块包括第一IO接口及第一数模转换模块；所述第一IO接口与所述第一数模转换模块连接，所述第一IO接口与所述大步长仿真系统双向连接；

所述第二外部连接模块包括第二IO接口及第二数模转换模块；所述第二IO接口与所述第二数模转换模块连接，所述第二IO接口与所述小步长仿真系统双向连接；

所述外部控制及保护模块包括第一模数转换模块、第二模数转换模块及外部控制及保护装置；所述外部控制及保护装置均与所述第一模数转换模块、所述第二模数转换模块连接；所述第一模数转换模块与所述第一数模转换模块连接，所述第二模数转换模块与所述第二数模转换模块连接。

作为上述方案的改进，所述快速数据交互模块包括基于FPGA的快速数据交互接口、第一通信接口及第二通信接口；

所述基于FPGA的快速数据交互接口均与所述第一通信接口、所述第二通信接口连接；所述大步长仿真系统与所述第一通信接口连接，所述小步长仿真系统与所述第二通信接口连接。

作为上述方案的改进，外部控制及保护模块通过光纤与第一外部连接模块、第二外部连接模块连接；

所述大步长仿真系统通过光纤与所述第一外部连接模块、所述快速数据交互模块连接；

所述小步长仿真系统通过光纤与所述第二外部连接模块、所述快速数据交互模块连接。

作为上述方案的改进，所述小步长仿真系统，还用于采用预设的L/C开关模型对所述高频电力电子开关器件进行仿真建模，得到开关模型；其中，所述开关模型满足如下关系：

dt为所述第二仿真步长，L_s为开关闭合时的等效电感，C_s为开关断开时的等效电容，R_s为电阻。

作为上述方案的改进，所述快速数据交互模块，还用于采用预设的异步交互方式对所述大步长仿真系统与所述小步长仿真系统进行仿真数据交互；其中，所述第一仿真步长为所述第二仿真步长的整数倍。

作为上述方案的改进，所述基于FPGA的快速数据交互接口为支持可插拔光电收发接口的FPGA开发板。

相比于现有技术，本发明实施例公开的一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置，具有如下有益效果：

所述交直流电力系统电磁暂态仿真装置包括大步长仿真系统、小步长仿真系统、快速数据交互模块及连接模块；通过设置所述大步长仿真系统，采用预设的电磁暂态仿真模型，按照第一仿真步长对交流仿真系统进行仿真，实现在保证计算精度的同时大大提高了计算速度；通过设置所述小步长仿真系统，采用预先建立的FPGA高频仿真模型，按照第二仿真步长对由高频电力电子开关器件组成的直流系统进行仿真，其中，所述第一仿真步长大于所述第二仿真步长，实现快速实时仿真；通过设置所述连接模块，均与所述大步长仿真系统、所述小步长仿真系统连接，连接所述直流系统与所述交流系统，其中，所述连接模块为变压器或传输线接口模型，起到连接大步长仿真系统与小步长仿真系统，以及利用传输线模型的自然延迟特性实现快慢系统之间并行计算的作用；通过设置所述快速数据交互模块，均与所述大步长仿真系统、所述小步长仿真系统连接，实现所述大步长仿真系统与所述小步长仿真系统进行仿真数据交互，以满足快速数据交互的需求，并满足数据延时要求。这样，通过利用FPGA的并行计算特性，且针对交直流电力系统的不同开关频率部分采用不同仿真步长进行仿真，实现基于FPGA硬件仿真模型与电磁暂态软件仿真模型的联合仿真，能有效提升交直流电网电磁暂态仿真的速度，同时适应大规模电力系统的快速仿真需求和精度需求，大大提高了仿真系统的仿真规模和快速仿真能力，可实现跨平台的联合仿真。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的交流系统与直流系统的接口等效电路示意图；

图3是本发明一实施例提供的通信接口的内部示意图；

图4是本发明一实施例提供的小步长仿真中高频电力电子开关器件的等效电路图；

图5是本发明一实施例提供的基于FPGA的电力电子开关模型的硬件实现示意图；

图6是本发明一实施例提供的小步长仿真系统架构示意图；

图7是本发明一实施例提供的大步长仿真系统与小步长仿真系统的数据交互方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明一实施例提供的一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置的结构示意图，包括：大步长仿真系统11、小步长仿真系统12、快速数据交互模块13及连接模块14；

所述大步长仿真系统11，用于采用预设的电磁暂态仿真模型，按照第一仿真步长对交流仿真系统进行仿真；

所述小步长仿真系统12，用于采用预先建立的FPGA高频仿真模型，按照第二仿真步长对由高频电力电子开关器件组成的直流系统进行仿真；其中，所述第一仿真步长大于所述第二仿真步长；

所述连接模块14，均与所述大步长仿真系统11、所述小步长仿真系统12连接，用于连接所述直流系统与所述交流系统；其中，所述连接模块13为变压器或传输线接口模型；

所述快速数据交互模块13，均与所述大步长仿真系统11、所述小步长仿真系统12连接，用于对所述大步长仿真系统11与所述小步长仿真系统12进行仿真数据交互。

需要说明的是，小步长仿真系统12存储有FPGA电磁暂态仿真程序，具体为将VSC-HVDC等包含高开关频率的电力电子设备的直流系统，利用FPGA高频硬件仿真模型进行小步长仿真。大步长仿真系统11存储有常规的电磁暂态仿真程序，具体为将交流系统和直流线路等其他低频元件，利用电磁暂态软件仿真模型进行大步长仿真。优选的，小步长仿真系统12以5微秒以下的第二仿真步长，仿真MMC换流阀等高频开关电路组成的直流系统，同时大步长仿真系统11以50微秒以上的第一仿真步长仿真交流系统。

本实施例中，两个仿真系统中的交流系统与直流系统之间通过传输线路接口模型或变压器进行连接。参见图2，是本发明一实施例提供的交流系统与直流系统的接口等效电路示意图，交流系统大步长仿真中将直流系统等效为电流源，直流系统小步长仿真中将交流系统等效为电压源。优选的，对于变压器或传输线接口模型，可采用贝瑞龙输电线路模型或解耦变压器等加以实现，起到连接大小步长两个仿真系统或利用传输线模型的自然延迟特性实现快慢系统之间并行计算的作用。

在一种优选的实施例中，所述装置还包括第一外部连接模块15、第二外部连接模块16和外部控制及保护模块17；

所述外部控制及保护模块17，与所述大步长仿真系统11、所述第一外部连接模块15连接，用于对所述交流系统内的元件进行保护与控制；与所述小步长仿真系统12、所述第二外部连接模块16连接，用于对所述直流系统内的元件进行保护与控制；

其中，所述第一外部连接模块15包括第一IO接口151及第一数模转换模块152；所述第一IO接口151与所述第一数模转换模块152连接，所述第一IO接口151与所述大步长仿真系统11双向连接；

所述第二外部连接模块16包括第二IO接口161及第二数模转换模块162；所述第二IO接口161与所述第二数模转换模块162连接，所述第二IO接口161与所述小步长仿真系统12双向连接；

所述外部控制及保护模块17包括第一模数转换模块171、第二模数转换模块172及外部控制及保护装置173；所述外部控制及保护装置173均与所述第一模数转换模块171、所述第二模数转换模块172连接；所述第一模数转换模块171与所述第一数模转换模块152连接，所述第二模数转换模块172与所述第二数模转换模块162连接。

本实施例中，外部控制及保护装置173具体为与大步长仿真系统11、小步长仿真系统12连接的外部控制保护系统，主要是对交直流仿真系统内的元件进行保护和控制，输出控制信号，如触发脉冲、保护信号等。其中，第一IO接口151、第二IO接口161、第一数模转换模块152、第二数模转换模块162、第一模数转换模块171及第二模数转换模块172用于实现大步长仿真系统11、小步长仿真系统12与外部控制及保护装置173联合仿真的作用，通过模数转换与数模转换实现模拟量与数字量之间的相互转换，以及将外部控制及保护装置173的信号传递给大步长仿真系统11、小步长仿真系统12进行仿真。本实施例可实现外部实际物理装置(如控制保护系统)与仿真系统的交互仿真，为验证实际物理装置的功能提供了一定的便利性。

进一步，优选的，外部控制及保护模块17通过光纤与第一外部连接模块15、第二外部连接模块16连接；所述大步长仿真系统11通过光纤与所述第一外部连接模块15连接；所述小步长仿真系统12通过光纤与所述第二外部连接模块16连接。为了提高电磁暂态仿真的速度，所有数据交互均采用光纤进行传输交互。

在一种优选的实施例中，所述快速数据交互模块13包括基于FPGA的快速数据交互接口133、第一通信接口131及第二通信接口132；

所述基于FPGA的快速数据交互接口133均与所述第一通信接口131、所述第二通信接口132连接；所述大步长仿真系统11与所述第一通信接口131连接，所述小步长仿真系统12与所述第二通信接口132连接。

优选的，所述基于FPGA的快速数据交互接口133为支持可插拔光电收发接口的FPGA开发板，可支持与其他板卡或外部设备的数据交互。

进一步，优选的，所述快速数据交互模块13通过光纤与大步长仿真系统11、小步长仿真系统12连接。具体的，第一通信接口131、第二通信接口132采用传输速率高、传输速度快的光纤连接大步长仿真系统11、小步长仿真系统12，并采用点到点的高速串行传输的Aurora协议进行数据通信。

更进一步，第一通信接口131、第二通信接口132优选为基于FPGA的通信接口。示例性的，参见图3，是本发明一实施例提供的通信接口的内部示意图，包括仿真通讯数据缓存模块1、数据拼接模块2、拼接数据缓存模块3和高速收发器4。仿真通讯数据缓存模块1由双速率RAM实现，用于解决发送数据时域和拼接数据时钟域的匹配问题；数据拼接模块2用于将通讯数据拆分成高速收发器4支持的16位或8位数据宽度的数据；拼接数据缓存模块3由FIFO(First InputFirst Output)实现，用于解决拼接数据时钟域和数据收发时钟域的匹配问题；高速收发器4用于接收和发送拼接完成的通讯数据。同时，FPGA的主电路和收发器IP核由不同时钟驱动。

在一种优选的实施例中，所述小步长仿真系统12，还用于采用预设的L/C开关模型对所述高频电力电子开关器件进行仿真建模，得到电力电子开关模型。

本实施例中，参见图4，是本发明一实施例提供的小步长仿真中高频电力电子开关器件的等效电路图，为达到提高电磁暂态仿真速度的目的，对于高频电力电子开关器件采用行为建模方法，即采用L/C开关模型(即如图4(a)所示用小电感模拟开关闭合，Ls表示开关闭合时的电感，如图4(b)所示用小电容模拟开关断开，Cs表示开关断开时的电容)，使不同的变流器运行状态下的导纳矩阵相同，开关状态的切换只与历史量有关，从而避免矩阵因子化计算以及大量逆矩阵带来的存储压力，大大提升了仿真的计算速度。此外，为了尽可能消除数值振荡以及能量振荡的影响，保证数值稳定，进一步使用电阻Rs、电容Cs串联支路模拟开关断开，通过电阻Rs阻尼开关状态突变引起的振荡，开关断开与闭合的等效电路如图4(b)所示。

其中，为满足开关闭合和断开时，系统的导纳阵不变，所述电力电子开关模型中电阻、电感、电容满足如下关系：

dt为所述第二仿真步长，L_s为开关闭合时的等效电感，C_s为开关断开时的等效电容，R_s为电阻。

进一步，在一种优选的实施例中，参见图5，是本发明一实施例提供的基于FPGA的电力电子开关模型的硬件实现示意图，参数A₁和A₂的取值由开关状态决定，存储器RAM_v、RAM_i及RAM_hist用于存储开关电压、开关电流以及历史量。其中，RAM_{A1_open}、RAM_{A1_closed}、RAM_{A2_open}、RAM_{A2_closed}分别用于存储每一个开关断开或闭合时A₁和A2的取值A_{1_open}、A_{1_closed}、A_{2_open}、A_{2_closed}，RAM_state用于存储每个IGBT的开关状态state。请参见图4，历史量求解步骤如下：每一时步的计算开始时，A_{1_open}、A_{1_closed}、A_{2_open}、A_{2_closed}以及state同时从存储器中读出，其中A_{1_open}、A_{1_closed}、A_{2_open}、A_{2_closed}分别通过两个数据分配器，并由通过开关状态state判断本时步A₁和A₂对应的取值。同时，上一时步的开关端电压v(t-Δt)和开关电流i(t-Δt)延迟一个时钟读出，与数据分配器的输出结果A₁、A₂保持数据对齐，并同时通过2个浮点数乘法器进行乘法运算，最后通过浮点数加法器求出历史量I_h(t-Δt)，其中，I_h(t)＝A₁v(t-Δt)+A₂i(t-Δt)，后存入RAM_hist中，用于下一时步计算。本实施例中，通过高度空间并行性以及时间并行性，为电力电子设备的小步长快速仿真奠定了基础。

在另一种优选的实施例中，参见图6，是本发明一实施例提供的小步长仿真系统架构示意图，示例性的，小步长仿真系统12计算架构主要分为位于PC计算机的非实时仿真部分和基于FPGA设计的实时仿真部分，其非实时部分需要首先采用PC机的离线电磁暂态程序，对仿真算例进行算例读取和拓扑识别，并得到相关元件的计算参数。在经过离线程序的初步处理后，将生成储存节点信息、元件计算参数、全局算例参数等信息的文本文件，进一步转化为HDL代码、存储器初始数据文件、全局参数赋值文件等，并送入PC机的集成开发环境。集成开发环境中的工程设计即为基于硬件描述语言的电力系统实时仿真系统，电气系统的基于节点法的电器系统仿真平台与控制系统的基于顺序求解的控制系统仿真平台进行数据交互，实时仿真系统设计经过管脚分配、综合、布局、布线后可生成bit流文件，由JTAG接口以及USB电缆线下载至硬件开发板上的FPGA芯片中，正式启动实时仿真。进一步，在bit流文件下载至FPGA芯片后，可通过设置的各类按键控制实时仿真的启停、结果输出、状态清零等。仿真输出的结果可以通过USB电缆线、RS232接口或其他接口传递回PC，也可以通过D/A转换器将结果转化为模拟量并通过示波器进行显示。

优选的，大步长仿真系统的电磁暂态仿真程序可以为任何当前通用的或自主开发的电磁暂态仿真程序。示例性的，该电磁暂态仿真程序为由南方电网科学研究院系统研究所自主开发的ESP(Electromagnetic simulation program)程序，该程序采用节点分析法实现电磁暂态仿真程序的求解，目前已开发了包含电力系统所有元件的电磁暂态仿真模型，数据结构采用卡片进行填写每一元件的参数，固定数据格式，使用简单且仿真精度高。

在一种优选的实施例中，所述快速数据交互模块13，还用于采用预设的异步交互方式对所述大步长仿真系统11与所述小步长仿真系统12进行仿真数据交互；其中，所述第一仿真步长为所述第二仿真步长的整数倍。

需要说明的是，参见图7，是本发明一实施例提供的大步长仿真系统与小步长仿真系统的数据交互方式示意图，大步长仿真系统11的仿真步长为△T，小步长仿真系统12的仿真步长为△t，且选取△T为△t的整数倍，在考虑通信延迟的情况下，该数据交互方法能有效降低通信延时对仿真精度的影响。

本发明实施例提供的一种交直流电力系统电磁暂态仿真装置，所述交直流电力系统电磁暂态仿真装置包括大步长仿真系统、小步长仿真系统、快速数据交互模块及连接模块；通过设置所述大步长仿真系统，采用预设的电磁暂态仿真模型，按照第一仿真步长对交流仿真系统进行仿真，实现在保证计算精度的同时大大提高了计算速度；通过设置所述小步长仿真系统，采用预先建立的FPGA高频仿真模型，按照第二仿真步长对由高频电力电子开关器件组成的直流系统进行仿真，其中，所述第一仿真步长大于所述第二仿真步长，实现快速实时仿真；通过设置所述连接模块，均与所述大步长仿真系统、所述小步长仿真系统连接，连接所述直流系统与所述交流系统，其中，所述连接模块为变压器或传输线接口模型，起到连接大步长仿真系统与小步长仿真系统，以及利用传输线模型的自然延迟特性实现快慢系统之间并行计算的作用；通过设置所述快速数据交互模块，均与所述大步长仿真系统、所述小步长仿真系统连接，实现所述大步长仿真系统与所述小步长仿真系统进行仿真数据交互，以满足快速数据交互的需求，并满足数据延时要求。这样，通过利用FPGA的并行计算特性，且针对交直流电力系统的不同开关频率部分采用不同仿真步长进行仿真，实现基于FPGA硬件仿真模型与电磁暂态软件仿真模型的联合仿真，能有效提升交直流电网电磁暂态仿真的速度，同时适应大规模电力系统的快速仿真需求和精度需求，大大提高了仿真系统的仿真规模和快速仿真能力，可实现跨平台的联合仿真。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。