一种基于FPGA的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法与流程

本发明涉及一种有源配电网实时仿真器接口设计方法。特别是涉及一种基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法。

背景技术：

近年来，随着分布式发电、微电网、柔性交流配电以及智能配用电技术的不断发展与应用，配电网由传统无源网络转变为多源复杂自治系统，其动态过程也因众多新元素、新技术的加入而变得更加复杂，有源配电系统的暂态仿真问题也开始逐渐引起人们的关注。同时在计算难度上，有源配电网暂态仿真面临着更大规模的系统在更长时间尺度上仿真计算的挑战。因此，必须借助准确、高效的暂态仿真工具来深入了解有源配电网的运行机理与动态特征。

与离线的电磁暂态仿真不同，有源配电网实时仿真能够在物理时间尺度上真实地模拟系统的暂态过程，并具备硬件在环仿真的能力，在有源配电网各种保护与控制装置的功能试验、性能测试、入网检测中发挥着重要作用：一方面，为了减少物理实验的复杂性、降低实验成本以及避免对真实系统的影响，大量涉及配电网和分布式电源的控制、保护等二次设备的试验、测试与功能验证等技术需求均需要在硬件在环仿真环境下完成；另一方面，通过接入真实的设备或输入真实的数据，硬件在环仿真可以更为真实地模拟有源配电网的各种运行状态，得到较离线仿真更加真实的仿真结果。

目前，包括rtds、hypersim、emegasim、netomac等在内的商业化实时仿真器已在电力系统运行与保护、分布式电源控制器设计、电力电子装备研发等领域获得了广泛的应用。随着有源配电网规模的不断增大和分布式电源等设备模型的日趋复杂，对实时仿真器的计算能力以及外部设备接入能力提出了更高要求。传统的商业仿真器价格昂贵且i/o接口资源有限，相比之下，基于fpga(fieldprogrammablegatearray)的有源配电网实时仿真器接口设计提供了一种新的思路。

fpga是具有固有并行性质的可编程逻辑器件，可实现多线程的并行处理。fpga具有丰富的接口资源，可根据有源配电网实时仿真的需求，通过多种i/o接口与各种外部设备互连完成硬件在环仿真。fpga凭借其高度并行的硬件结构、分布式内存、流水线架构以及可编程特性，在实时仿真领域受到了广泛的关注。

在基于fpga的有源配电网实时仿真器设计中，往往需要fpga实时地接收外部物理设备的模拟信号。为此，需要提出一种基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在基于fpga的实时仿真器中，实现仿真器高速、通用的模数接口设计，以满足仿真器对外部模拟信号采样需求的基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法，包括如下步骤：

1)在fpga中生成实时仿真器驱动时钟clk_sim，生成模数转换板卡的驱动时钟clk_ad及模数转换板卡的使能信号oe_ad，设置fir滤波器参数m，计算滤波器阶数n＝2^m，设置0至n-1阶fir滤波器抽头系数，使模数转换板卡处于持续工作状态；

2)将模数转换板卡输出的数字信号写入fpga的双端口存储器ram中，双端口存储器ram的写时钟为clk_ad，双端口存储器ram的写地址设置为循环状态；

3)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；

4)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+δt；

5)在实时仿真器驱动时钟的每个周期内，fpga选定当前双端口存储器ram的写地址addr_w，经由两个寄存器将模数转换板卡的驱动时钟clk_ad时域中的写地址信号addr_w赋值给实时仿真器驱动时钟clk_sim时域中的地址信号ini_addr_r，fpga选取地址信号ini_addr_r及所述地址信号ini_addr_r之前的n-1个地址信号，并将这n个地址信号对应的数字信号以实时仿真器驱动时钟clk_sim从双端口存储器ram中读出，用于实现模数转换板卡输出的数字信号的跨时钟域转化；

6)对双端口存储器ram中读出的数字信号进行fir滤波处理；

7)将fir滤波处理后输出的数字信号，经fpga中的定点数转浮点数模块，转换为64位双精度浮点数供实时仿真器使用；

8)判断物理时间是否达到t，如达到t，则进入下一步，否则返回步骤5)；

9)判断仿真时间是否达到设定的仿真终了时刻，如达到设定的仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤4)。

步骤6)中是采用fir滤波器对双端口存储器ram中读出的数字信号进行滤波处理，所述fir滤波器的输入输出关系为其中n为已输入的采样个数，n为fir滤波器阶数，x(i)为第i个输入的样本，h(i)为fir滤波器第i阶抽头系数。

本发明的一种基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法，能够充分考虑有源配电网实时仿真器与外部物理设备通讯的需求和自身硬件集成结构，充分发挥fpga的i/o接口资源优势和硬件并行性的技术优势，在保证仿真器模数接口通讯速度和通用性的同时，实现了仿真器对外部模拟信号有效、高速的采样，为实现基于fpga的有源配电系统硬件在环实时仿真奠定了基础。

附图说明

附图1是模数转换接口中fir滤波器的结构示意图；

附图2是本发明基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法的流程图；

附图3是含单极光伏发电系统的有源配电网测试算例；

附图4是短时间尺度光伏发电系统光照强度的变化；

附图5是短时间尺度光伏发电系统输出电流的仿真结果；

附图6是短时间尺度光伏发电系统输出故障相电压的仿真结果；

附图7是长时间尺度光伏发电系统光照强度的变化；

附图8是长时间尺度光伏发电系统输出平均有功功率的仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法做出详细说明。

如图2所示，本发明的一种基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法，包括如下步骤：

1)在fpga中生成实时仿真器驱动时钟clk_sim，生成模数转换板卡的驱动时钟clk_ad及模数转换板卡的使能信号oe_ad，设置fir滤波器参数m，计算滤波器阶数n＝2^m，设置0至n-1阶fir滤波器抽头系数，使模数转换板卡处于持续工作状态，持续地将接收到的模拟信号转化为数字信号；

2)将模数转换板卡输出的数字信号写入fpga的双端口存储器ram中，双端口存储器ram的写时钟为clk_ad，双端口存储器ram的写地址设置为循环状态，使数字信号被持续不断的写入双端口存储器ram中；

3)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；

4)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+δt；

5)在实时仿真器驱动时钟的每个周期内，fpga选定当前双端口存储器ram的写地址信号addr_w，经由两个寄存器将模数转换板卡的驱动时钟clk_ad时域中的写地址信号addr_w赋值给实时仿真器驱动时钟clk_sim时域中的地址信号ini_addr_r，fpga选取地址信号ini_addr_r及所述地址信号ini_addr_r之前的n-1个地址信号，并将这n个地址信号对应的数字信号以实时仿真器驱动时钟clk_sim从双端口存储器ram中读出，用于实现模数转换板卡输出的数字信号的跨时钟域转化；

6)对双端口存储器ram中读出的数字信号进行fir滤波处理；对数字信号进行fir滤波处理，是为了消除高频噪声信号的干扰，提高采样信号的精度。

本发明是采用fir滤波器对双端口存储器ram中读出的数字信号进行滤波处理，所述fir滤波器的输入输出关系为其中n为已输入的采样个数，n为fir滤波器阶数，x(i)为第i个输入的样本，h(i)为fir滤波器第i阶抽头系数。滤波开始时，从双端口存储器ram中读取n个数字信号x(n)，x(n-1)，…，x(n-n+1)，同时从fpga中的只读存储器读取对应的抽头系数h(0)，h(1)，…，h(n-1)，对应相乘后累加，得到当前滤波结果y，并存入到fpga中的随机存储器，每完成一次fir滤波，需要进n次乘法和n-1次加法；

7)将fir滤波处理后输出的数字信号，经fpga中的定点数转浮点数模块，转换为64位双精度浮点数供实时仿真器使用；

8)判断物理时间是否达到t，如达到t，则进入下一步，否则返回步骤5)；

9)判断仿真时间是否达到设定的仿真终了时刻，如达到设定的仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤4)。

下面以图3所示的含单极光伏发电系统的有源配电网为例进行说明。

该算例的执行fpga开发板为altera公司的ivgxfpga530官方开发板。开发板配有stratixiv系列fpgaep4sgx530kh40c2n，该芯片包含744个i/o；测试模数转换板卡型号ad7606，分辨率为16位，最高支持200khz的模拟信号采样；测试传感器为phgdz光电式光照强度传感器，可实时将采集的光照强度转换成0到15v的电压信号。

测试算例为含光伏发电系统的有源配电网，仿真步长设为3μs，如图3所示。在光伏发电单元中，逆变器采用vdc-q控制，光伏电压参考值vref以常量形式给出。算例中温度设置为298k，光照强度为传感器实时采集的光照强度，vref设为350v，qref设为0var。

fpga由100mhz的全局时钟驱动，通过锁相环pll倍频至135mhz输入仿真解算部分，分频至100khz和8mhz驱动模数转换板卡；实际物理设备为光电式光照强度传感器，用于采集实际光照并转换为对应的电信号，模数转换板卡以100khz的采样速率将模拟形式的光照强度信号转换为16位数字信号，经由开发板高速中间接口的a端口输入到仿真系统中进行计算。

相同算例在pscad/emtdc中进行搭建与仿真。pscad/emtdc的仿真步长设定为3μs，考虑到短时间内，光照强度的变化不明显，因此可由fpga实时仿真器采集得到的光照强度估计得到算例中的光照强度。

为了验证实时仿真器的模数接口的准确性和有效性，测试考虑了短时间尺度和长时间尺度两种仿真场景。

(1)短时间尺度验证

短时间尺度验证选取了光伏系统并网点发生单相接地故障的仿真场景，仿真时长为4s，仿真步长为3μs，与pscad/emtdc进行了仿真比较，并对仿真结果进行了分析。其中，故障使用断路器模拟，仿真进行到1.5s时发生c相接地短路故障，0.2s后故障切除。图4给出了基于fpga的实时仿真器与商业软件pscad/emtdc接收光照强度的变化，图5和图6给出了实时仿真器与商业软件pscad/emtdc离线仿真结果的比较。从图4可以看出实时仿真器通过模数接口对外部模拟信号进行了有效采样，从图5和图6中可以看出，两个仿真系统给出的仿真结果基本一致，从而在短时间尺度上验证了基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口的正确性以及有效性。

(2)长时间尺度验证

长时间尺度验证选取了天津市某日下午4点到6点对仿真器的数模接口进行了测试，并与pscad/emtdc3μs的仿真结果进行了比较，其中，仿真器输入的是实际的光照强度，pscad/emtdc输入的是每个采样间隔内光照强度的平均值，采样间隔是2分钟。图7是该日下午4点到下午6点实时仿真器采集的光照强度变化以及pscad/emtdc输入的光照强度变化，图8是实时仿真器和pscad/emtdc对应每个采样间隔内有功功率平均值的变化。从有功功率的变化来看，基于fpga的实时仿真器与pscad/emtdc的仿真结果接近，且具有相同的变化趋势，从而在长时间尺度上验证了基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口的正确性以及有效性。

以上算例测试结果证明，本发明的一种基于fpga的有源配电网实时仿真器模数接口设计方法，能够在保证速度和精度的同时，实现了仿真器对外部模拟信号有效、高速的采样，为实现基于fpga的有源配电系统硬件在环实时仿真奠定基础。