一种电磁暂态仿真求解模块及系统的制作方法

本发明涉及电力系统领域，具体而言，涉及一种电磁暂态仿真求解模块及系统。

背景技术：

1、随着能源需求的不断增加，新能源发电发展迅速，电网系统呈现高比例新能源、高比例电力电子设备接入的“双高”特性，大量如光伏、风电等新能源发电系统连接电网，对电网的安全性和稳定性造成影响。为确保电网的安全稳定运行，电网从业者和新能源厂家在寻求更高准确性和可靠性的方案来分析设备接入对电网的稳定性影响。因此，电磁暂态仿真在系统规划、设计和操作中扮演着越来越重要的角色。

2、硬件在环仿真是目前常用的评估设备入网安全风险的手段。区别于大规模系统级的全电磁暂态仿真，硬件在环仿真的规模往往受限，它要求在保证精度的同时，被测设备与数字模型进行实时仿真，即仿真结果须与实时时钟相同步，以实现真实物理设备和数字模型的实时数据交互。在实时仿真中，仿真步长是重现高频率暂态特性的关键因素。对于电力电子系统而言，存在大量快速开合的电力电子器件，开关频率一般为khz级别。根据采样定律，为准确地采样和仿真这类系统的脉宽调制(pulse width modulation,pwm)信号，仿真周期需要是pwm周期的1/50或1/100，即一个pwm周期内至少需要采样50～100次才能较好地模拟出控制信号对电力电子系统的影响。因此，需要微秒级或纳秒级的仿真步长来满足高频电力电子器件的电磁暂态仿真要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电磁暂态仿真求解模块及系统，以改善上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明实施例提供一种电磁暂态仿真求解模块，所述电磁暂态仿真求解模块包括组内节点电流合并单元、z个可控累加模组以及乘法器模组，z为电磁暂态仿真求解系统中的节点总数；

4、所述组内节点电流合并单元用于获取各个节点的电流集合，其中，所述电流集合包括各个节点与各个元件组合的各条支路相关的流入电流和流出电流；

5、第z个可控累加模组用于对所述电流集合中与第z个节点相关的流入电流和流出电流进行累加，以确定第z个节点对应的节点电流；

6、所述乘法器模组用于根据节点电流向量和阻抗矩阵参数进行解算，以得到各个节点对应的电压集合，其中，所述节点电流向量包括各个节点对应的节点电流，所述电压集合包括各个节点对应的电压信息；

7、第z个可控累加模组用于对所述电压集合中与第z个节点相关的电压进行累加，以确定第z个节点对应的节点电压，进而生成节点电压向量。

8、可选地，所述组内节点电流合并单元包括多个组内节点电流合并装置；

9、第(i，2j-1)组内节点电流合并装置用于计算第一类节点的流入电流，其中，第一类节点为对第i元件组合中任一元件的第j支路的首端节点，第一类节点的流入电流包括第一类支路的历史电流之和，第一类支路为首端节点为所述第一类节点，且是第i元件组合中任一元件的第j支路；

10、第(i，2j)组内节点电流合并装置用于计算第二类节点的流出电流，其中，第二类节点为对第i元件组合中任一元件的第j支路的末端节点，第二类节点的流出电流包括第二类支路的历史电流之和的负数，第二类支路为末端节点为所述第二类节点，且是第i元件组合中任一元件的第j支路；

11、当第i元件组合为rlc元件组合、电源型元件组合以及开关型元件组合中的任一种时，j的取值为1，当第i元件组合为四端口元件组合时，j的取值为1或2，当第i元件组合六端口元件组合时，j的取值为1至3。

12、可选地，所述可控累加模组包括控制器、存储单元、选择器以及m级流水加法器；

13、所述选择器的第一端连接于所述组内节点电流合并单元，所述选择器的第二端连接于所述乘法器模组，所述选择器的第三端连接于所述存储单元，所述选择器的第四端连接于所述控制器，所述选择器的第五端连接于第1级加法器的第一输入端，第m级加法器的输出端分别与第1级加法器的第二输入端、所述存储单元以及所述乘法器模组连接；

14、所述控制器与所述存储单元连接。

15、可选地，第z个可控累加模组用于处理的所述电流集合或所述电压集合为目标数据集合，所述目标数据集合包括n个数据；

16、所述选择器用于按照时钟周期依次将所述目标数据集合中的数据传输给第1级加法器的第一输入端；

17、所述第m级加法器的输出数据作为下一个时钟周期第1级加法器的第二输入端的输入数据；

18、所述m级流水加法器用于计算第1级加法器的第一输入端的输入数据和第二输入端的输入数据的和，并通过所述第m级加法器输出，其中的计算时长为m个时钟周期；

19、所述控制器用于控制所述存储单元对所述m级流水加法器的部分和进行存储，并在对应的读取时刻，向所述选择器发送切换指令，以通过所述选择器将所述存储单元中的部分和传输给第1级加法器的第一输入端，直至得到所述目标数据集合的累加结果，所述目标数据集合的累加结果为第z个节点对应的节点电流或节点电压。

20、可选地，所述控制器用于在第t1个时钟周期将所述m级流水加法器输出的第一部分和s1存储至所述存储单元中，其中，t1表示第一部分和生效时刻；

21、所述控制器用于在第t2个时钟周期将所述m级流水加法器输出的第二部分和s2存储至所述存储单元中，其中，t2表示第二部分和生效时刻；

22、所述控制器用于在第t1+3个时钟周期，将所述第一部分和s1传输给第1级加法器的第一输入端，此时第1级加法器的第二输入端的输入数据为第三部分和s3，所述m级流水加法器执行s1+s3；

23、所述控制器用于在第t2+3个时钟周期，将所述第二部分和s2传输给第1级加法器的第一输入端，此时第1级加法器的第二输入端的输入数据为第四部分和s4，所述m级流水加法器执行s2+s4；

24、所述控制器用于在第tm+m×(i-1)+4个时钟周期，将s2i+3传输给第1级加法器的第一输入端，并在第tm+m×i+3个时钟周期所述m级流水加法器输出s1+s3+…+s2i+3；其中，tm为第m部分和生效时刻，s2i+3为第t2i+3时钟周期所述m级流水加法器输出的部分和；

25、所述控制器用于在第tm+m×(i-1)+5个时钟周期，将s2i+4传输给第1级加法器的第一输入端，并在第tm+m×i+4个时钟周期所述m级流水加法器输出s2+s4+…+s2i+4；其中，s2i+4为第t2i+4时钟周期所述m级流水加法器输出的部分和。

26、可选地，所述控制器用于当m为奇数时，记tsm1为s1+s3+…+sm累加结果生效的时钟周期，则在第tsm1+1个时钟周期，将s2+s4+…+sm-1传输给第1级加法器的第一输入端，并在第tsm1+m个时钟周期得到所述目标数据集合的累加结果；

27、所述控制器用于当m为偶数时，记tsm2为s2+s4+…+sm累加结果生效的时钟周期，则在第tsm2+1个时钟周期，将s1+s3+…sm-1传输给第1级加法器的第一输入端，并在第tsm2+m个时钟周期得到所述目标数据集合的累加结果。

28、

29、其中，floor是向下取整函数，mod是取余函数，n表示目标数据集合中的数据个数，tm表示第m部分和生效时刻。

30、可选地，所述目标数据集合的累加结果的总计算时长为：

31、

32、式中，ceil是向上取整函数，mod是取余函数，tf表示总计算时长。

33、可选地，所述乘法器模组用于从初始化模块中获取阻抗矩阵参数。

34、第二方面，本发明实施例提供一种种电磁暂态仿真求解系统，包括主控模块、初始化模块、元件更新模块以及求解模块，所述求解模块为上述的电磁暂态仿真求解模块；

35、所述主控模块分别与所述元件更新模块、所述求解模块以及所述初始化模块连接，所述元件更新模块与所述求解模块连接，所述初始化模块分别与所述元件更新模块、所述求解模块连接，所述初始化模块用于缓存元件参数和阻抗矩阵参数；

36、在获取到所述主控模块传输的元件更新使能指令时，所述元件更新模块用于根据所述元件参数和上一个仿真时段的节点电压向量，获取仿真时段内各个元件的历史电流；

37、在获取到所述主控模块传输的求解指令，所述求解模块用于根据所述仿真时段内各个元件的历史电流和所述阻抗矩阵参数进行解算，以得到所述仿真时段内的节点电流向量和/或节点电压向量；

38、其中，所述节点电流向量包括各个节点在所述仿真时段内的节点电流，所述节点电压向量包括各个节点在所述仿真时段内的节点电压。

39、相对于现有技术，本发明实施例所提供的一种电磁暂态仿真求解模块及系统，电磁暂态仿真求解模块包括组内节点电流合并单元、z个可控累加模组以及乘法器模组，z为电磁暂态仿真求解系统中的节点总数；组内节点电流合并单元用于获取各个节点的电流集合，其中，电流集合包括各个节点与各个元件组合的各条支路相关的流入电流和流出电流；第z个可控累加模组用于对电流集合中与第z个节点相关的流入电流和流出电流进行累加，以确定第z个节点对应的节点电流；乘法器模组用于根据节点电流向量和阻抗矩阵参数进行解算，以得到各个节点对应的电压集合，其中，节点电流向量包括各个节点对应的节点电流，电压集合包括各个节点对应的电压信息；第z个可控累加模组用于对电压集合中与第z个节点相关的电压进行累加，以确定第z个节点对应的节点电压，进而生成节点电压向量。通过复用可控累加模组进行累加运算，可根据时间约束灵活控制其流水深度m，并且在运行时也可灵活控制其支持的向量长度。因此，该模组可在节点电流合并的累加中使用，也可以在网络方程求解过程的乘累加中复用，大大节省了fpga计算资源，满足高频电力电子器件的电磁暂态仿真要求。

40、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。