一種基于fpga的小步長實時仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于FPGA的小步長實時仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前電網(wǎng)中，含晶閘管、絕緣柵雙極晶體管等電力電子器件的設(shè)備越來越多，而采用純軟件形式的電磁暫態(tài)程序?qū)@些高頻開關(guān)元件進行仿真時，步長太大不能準(zhǔn)確模擬元件特性，步長太小又不能實時，矛盾難以調(diào)和。解決方法之一就是利用硬件實現(xiàn)這些小步長計算，同時與常規(guī)電磁暫態(tài)軟件的大步長仿真混合運行，本專利設(shè)計的FPGA硬件系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了這一目標(biāo)；
[0003]電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置(AdvancedDigital Power System Simulator，簡稱ADPSS)是基于高性能PC機群的全數(shù)字仿真系統(tǒng)。該仿真裝置利用機群的多節(jié)點結(jié)構(gòu)和高速本地通訊網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)并行計算技術(shù)對計算任務(wù)進行分解并對進程進行實時和同步控制實現(xiàn)了大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實時和超實時仿真以及外接物理裝置試驗。利用該仿真裝置可以進行1000臺機；5000至10000個節(jié)點的大系統(tǒng)交直流電力系統(tǒng)機電暫態(tài)仿真以及機電、電磁暫態(tài)混合仿真研究，可以與調(diào)度自動化系統(tǒng)相連取得在線數(shù)據(jù)進行仿真，可接入繼電保護、安全自動裝置、FACTS控制裝置以及直流輸電控制裝置等實際物理裝置進行閉環(huán)仿真試驗，可接入MATLAB等商用軟件進行局部和子任務(wù)計算，接入用戶自定義模型以完成用戶指定功能和任務(wù)。
[0004]電力系統(tǒng)全數(shù)字仿真裝置包含了軟件計算形式的電磁暫態(tài)計算程序，實現(xiàn)了電磁暫態(tài)程序和機電暫態(tài)程序的混合仿真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于FPGA的小步長實時仿真系統(tǒng)，在計算延時和資源消耗方面取得了較好的平衡，很好的保證了小步長混合仿真的正確性和實時性。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供一種基于FPGA的小步長實時仿真系統(tǒng)，所述小步長實時仿真系統(tǒng)包括大小步長接口模塊、頂層控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、元件更新模塊和核心計算模塊；所述大小步長接口模塊與頂層控制模塊雙向連接，所述頂層控制模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊、元件更新模塊、核心計算模塊單向連接。
[0008]所述大小步長接口模塊包括光電轉(zhuǎn)換器和串行通道GTH，所述小步長實時仿真系統(tǒng)通過串行通道GTH與大步長實時仿真系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，所述串行通道GTH與大步長實時仿真系統(tǒng)之間通過光纖連接；所述大步長實時仿真系統(tǒng)基于服務(wù)器實現(xiàn)。
[0009]所述大步長實時仿真系統(tǒng)與小步長實時仿真系統(tǒng)之間的物理通路包括發(fā)送通路和接收通路；
[0010]在所述發(fā)送通路中，串行通道GTH將頂層控制模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)變成串行信號，光電轉(zhuǎn)換模塊將串行信號轉(zhuǎn)換成光信號發(fā)送給大步長實時仿真系統(tǒng)；
[0011]在所述接收通路中，光電轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)換成串行信號，串行通道GTH將串行信號發(fā)送給小步長實時仿真系統(tǒng)。
[0012]所述頂層控制模塊通過大小步長接口模塊接收大步長實時仿真系統(tǒng)發(fā)送的控制信號和就緒信號，頂層控制模塊對控制信號進行處理后，將使能信號、處理后的控制信號、就緒信號、仿真開始信號、仿真停止信號和仿真結(jié)束信號發(fā)送給小步長實時仿真系統(tǒng)中的其他模塊。
[0013]所述數(shù)據(jù)存儲模塊包括矩陣存儲模塊、變量存儲模塊、元件信息存儲模塊和矩陣選取模塊；
[0014]所述矩陣存儲模塊選用Block RAM，用于存儲電導(dǎo)矩陣；
[0015]所述變量存儲模塊選用寄存器，用于存儲節(jié)點電壓向量與節(jié)點電流向量；
[0016]所述元件信息存儲模塊用于存儲元件的初始狀態(tài)和更新狀態(tài)；
[0017]所述矩陣選取模塊用于選取電導(dǎo)矩陣，所述電導(dǎo)矩陣的選取由電路拓撲結(jié)構(gòu)決定，所述電路拓撲結(jié)構(gòu)由開關(guān)狀態(tài)決定，矩陣選取模塊以開關(guān)狀態(tài)數(shù)組作為輸入，輸出最大維度為64X64的電導(dǎo)矩陣。
[0018]所述元件包括SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件。
[0019]所述元件更新模塊包括SLA元件更新模塊、STB元件更新模塊、TB2元件更新模塊、CICV元件更新模塊和BRK元件更新模塊；
[0020]所述SLA元件更新模塊、STB元件更新模塊、TB2元件更新模塊、CICV元件更新模塊和BRK元件更新模塊分別對SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件完成更新。
[0021]所述核心計算模塊包括由64個PE單元組成的計算陣列，所述計算陣列通過加法器和乘法器完成GabXvJP Gaa 1X i (t)all的計算，Gab表示已知電壓節(jié)點與未知電壓節(jié)點之間的互導(dǎo)納矩陣，其最大維度為64X10，vB表示已知電壓節(jié)點的電壓列向量，G M1表示未知電壓節(jié)點的自導(dǎo)納矩陣，其最大維度為64X 10，i(t)all表示未知電壓節(jié)點的電流列向量。
[0022]所述乘法器和加法器均為多級流水線結(jié)構(gòu)；
[0023]所述乘法器為5級流水線結(jié)構(gòu)，加法器為3級流水線結(jié)構(gòu)。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0025]I)本發(fā)明提供的基于FPGA的小步長實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了電磁暫態(tài)小步長仿真計算功能，本身含接口可通過光纖網(wǎng)絡(luò)與已有的大步長實時仿真系統(tǒng)互連，實現(xiàn)兩者的混合仿真計算；
[0026]2)小步長實時仿真系統(tǒng)最大支持74節(jié)點(含10個與理想電壓源相連節(jié)點)規(guī)模的電網(wǎng)仿真，需要存儲多個64 X 64規(guī)模矩陣，并完成64X64規(guī)模矩陣與64 X I向量乘法的運算，硬件開銷很大，本發(fā)明提供的小步長實時仿真系統(tǒng)較好的解決了這一問題；
[0027]3)小步長實時仿真系統(tǒng)的時鐘頻率為125MHz，通過對各模塊的精心設(shè)計，使計算的整體處理延遲維持在250個時鐘周期以內(nèi)，從而保證了仿真的實時性。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明實施例中基于FPGA的小步長實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0030]小步長實時仿真系統(tǒng)與大步長實時仿真系統(tǒng)共同完成仿真計算。大步長實時仿真系統(tǒng)承擔(dān)大步長仿真任務(wù)，其仿真步長通常為50us。FPGA需要承擔(dān)實時性要求更高，而規(guī)模較小的子網(wǎng)小步長電磁暫態(tài)仿真，仿真步長為2us。系統(tǒng)仿真所需要的數(shù)據(jù)由大步長實時仿真系統(tǒng)產(chǎn)生，因此需要大步長實時仿真系統(tǒng)通過光纖將所有小步長仿真所需初始化數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA并存儲于FPGA本地存儲器中。初始化數(shù)據(jù)包括各元件參數(shù)信息、電路拓撲結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)逆矩陣等。電導(dǎo)矩陣求逆的工作在大步長實時仿真系統(tǒng)完成，而FPGA只需接收電導(dǎo)逆矩陣并在核心計算模塊中完成矩陣-向量乘法計算。每一步長計算完成后通過元件更形模塊更新矩陣和等效電流源，以備下一步計算使用。
[0031]如圖1，本發(fā)明提供一種基于FPGA的小步長實時仿真系統(tǒng)，所述小步長實時仿真系統(tǒng)包括大小步長接口模塊、頂層控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、元件更新模塊和核心計算模塊；所述大小步長接口模塊與頂層控制模塊雙向連接，所述頂層控制模塊與數(shù)據(jù)存儲模塊、元件更新模塊、核心計算模塊單向連接。
[0032]所述大小步長接口模塊包括光電轉(zhuǎn)換器和串行通道GTH，所述小步長實時仿真系統(tǒng)通過串行通道GTH與大步長實時仿真系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，所述串行通道GTH與大步長實時仿真系統(tǒng)之間通過光纖連接；所述大步長實時仿真系統(tǒng)基于服務(wù)器實現(xiàn)。
[0033]所述大步長實時仿真系統(tǒng)與小步長實時仿真系統(tǒng)之間的物理通路包括發(fā)送通路和接收通路；
[0034]在所述發(fā)送通路中，串行通道GTH將頂層控制模塊發(fā)送