CN105005652A - 一种基于fpga的小步长实时仿真系统 - Google Patents

一种基于fpga的小步长实时仿真系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于FPGA的小步长实时仿真系统，包括大小步长接口模块、顶层控制模块、数据存储模块、元件更新模块和核心计算模块；所述大小步长接口模块与顶层控制模块双向连接，所述顶层控制模块与数据存储模块、元件更新模块、核心计算模块单向连接。本发明提供一种基于FPGA的小步长实时仿真系统，在计算延时和资源消耗方面取得了较好的平衡，很好的保证了小步长混合仿真的正确性和实时性。

Description

一种基于FPGA的小步长实时仿真系统
技术领域
本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种基于FPGA的小步长实时仿真系统。
背景技术
当前电网中，含晶闸管、绝缘栅双极晶体管等电力电子器件的设备越来越多，而采用纯软件形式的电磁暂态程序对这些高频开关元件进行仿真时，步长太大不能准确模拟元件特性，步长太小又不能实时，矛盾难以调和。解决方法之一就是利用硬件实现这些小步长计算，同时与常规电磁暂态软件的大步长仿真混合运行，本专利设计的FPGA硬件系统较好地实现了这一目标；
电力系统全数字仿真装置(Advanced Digital Power System Simulator，简称ADPSS)是基于高性能PC机群的全数字仿真系统。该仿真装置利用机群的多节点结构和高速本地通讯网络采用网络并行计算技术对计算任务进行分解并对进程进行实时和同步控制实现了大规模复杂交直流电力系统机电暂态和电磁暂态的实时和超实时仿真以及外接物理装置试验。利用该仿真装置可以进行1000台机；5000至10000个节点的大系统交直流电力系统机电暂态仿真以及机电、电磁暂态混合仿真研究，可以与调度自动化系统相连取得在线数据进行仿真，可接入继电保护、安全自动装置、FACTS控制装置以及直流输电控制装置等实际物理装置进行闭环仿真试验，可接入MATLAB等商用软件进行局部和子任务计算，接入用户自定义模型以完成用户指定功能和任务。
电力系统全数字仿真装置包含了软件计算形式的电磁暂态计算程序，实现了电磁暂态程序和机电暂态程序的混合仿真。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的小步长实时仿真系统，在计算延时和资源消耗方面取得了较好的平衡，很好的保证了小步长混合仿真的正确性和实时性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种基于FPGA的小步长实时仿真系统，所述小步长实时仿真系统包括大小步长接口模块、顶层控制模块、数据存储模块、元件更新模块和核心计算模块；所述大小步长接口模块与顶层控制模块双向连接，所述顶层控制模块与数据存储模块、元件更新模块、核心计算模块单向连接。
所述大小步长接口模块包括光电转换器和串行通道GTH，所述小步长实时仿真系统通过串行通道GTH与大步长实时仿真系统进行数据交互，所述串行通道GTH与大步长实时仿真系统之间通过光纤连接；所述大步长实时仿真系统基于服务器实现。
所述大步长实时仿真系统与小步长实时仿真系统之间的物理通路包括发送通路和接收通路；
在所述发送通路中，串行通道GTH将顶层控制模块发送的数据变成串行信号，光电转换模块将串行信号转换成光信号发送给大步长实时仿真系统；
在所述接收通路中，光电转换模块将光信号转换成串行信号，串行通道GTH将串行信号发送给小步长实时仿真系统。
所述顶层控制模块通过大小步长接口模块接收大步长实时仿真系统发送的控制信号和就绪信号，顶层控制模块对控制信号进行处理后，将使能信号、处理后的控制信号、就绪信号、仿真开始信号、仿真停止信号和仿真结束信号发送给小步长实时仿真系统中的其他模块。
所述数据存储模块包括矩阵存储模块、变量存储模块、元件信息存储模块和矩阵选取模块；
所述矩阵存储模块选用Block RAM，用于存储电导矩阵；
所述变量存储模块选用寄存器，用于存储节点电压向量与节点电流向量；
所述元件信息存储模块用于存储元件的初始状态和更新状态；
所述矩阵选取模块用于选取电导矩阵，所述电导矩阵的选取由电路拓扑结构决定，所述电路拓扑结构由开关状态决定，矩阵选取模块以开关状态数组作为输入，输出最大维度为64×64的电导矩阵。
所述元件包括SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件。
所述元件更新模块包括SLA元件更新模块、STB元件更新模块、TB2元件更新模块、CICV元件更新模块和BRK元件更新模块；
所述SLA元件更新模块、STB元件更新模块、TB2元件更新模块、CICV元件更新模块和BRK元件更新模块分别对SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件完成更新。
所述核心计算模块包括由64个PE单元组成的计算阵列，所述计算阵列通过加法器和乘法器完成GAB×vB和GAA -1×i(t)all的计算，GAB表示已知电压节点与未知电压节点之间的互导纳矩阵，其最大维度为64×10，vB表示已知电压节点的电压列向量，GAA -1表示未知电压节点的自导纳矩阵，其最大维度为64×10，i(t)all表示未知电压节点的电流列向量。
所述乘法器和加法器均为多级流水线结构；
所述乘法器为5级流水线结构，加法器为3级流水线结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明提供的基于FPGA的小步长实时仿真系统实现了电磁暂态小步长仿真计算功能，本身含接口可通过光纤网络与已有的大步长实时仿真系统互连，实现两者的混合仿真计算；
2)小步长实时仿真系统最大支持74节点(含10个与理想电压源相连节点)规模的电网仿真，需要存储多个64×64规模矩阵，并完成64×64规模矩阵与64×1向量乘法的运算，硬件开销很大，本发明提供的小步长实时仿真系统较好的解决了这一问题；
3)小步长实时仿真系统的时钟频率为125MHz，通过对各模块的精心设计，使计算的整体处理延迟维持在250个时钟周期以内，从而保证了仿真的实时性。
附图说明
图1是本发明实施例中基于FPGA的小步长实时仿真系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
小步长实时仿真系统与大步长实时仿真系统共同完成仿真计算。大步长实时仿真系统承担大步长仿真任务，其仿真步长通常为50us。FPGA需要承担实时性要求更高，而规模较小的子网小步长电磁暂态仿真，仿真步长为2us。系统仿真所需要的数据由大步长实时仿真系统产生，因此需要大步长实时仿真系统通过光纤将所有小步长仿真所需初始化数据发送给FPGA并存储于FPGA本地存储器中。初始化数据包括各元件参数信息、电路拓扑结构、电导逆矩阵等。电导矩阵求逆的工作在大步长实时仿真系统完成，而FPGA只需接收电导逆矩阵并在核心计算模块中完成矩阵-向量乘法计算。每一步长计算完成后通过元件更形模块更新矩阵和等效电流源，以备下一步计算使用。
如图1，本发明提供一种基于FPGA的小步长实时仿真系统，所述小步长实时仿真系统包括大小步长接口模块、顶层控制模块、数据存储模块、元件更新模块和核心计算模块；所述大小步长接口模块与顶层控制模块双向连接，所述顶层控制模块与数据存储模块、元件更新模块、核心计算模块单向连接。
所述大小步长接口模块包括光电转换器和串行通道GTH，所述小步长实时仿真系统通过串行通道GTH与大步长实时仿真系统进行数据交互，所述串行通道GTH与大步长实时仿真系统之间通过光纤连接；所述大步长实时仿真系统基于服务器实现。
所述大步长实时仿真系统与小步长实时仿真系统之间的物理通路包括发送通路和接收通路；
在所述发送通路中，串行通道GTH将顶层控制模块发送的数据变成串行信号，光电转换模块将串行信号转换成光信号发送给大步长实时仿真系统；
在所述接收通路中，光电转换模块将光信号转换成串行信号，串行通道GTH将串行信号发送给小步长实时仿真系统。
所述顶层控制模块通过大小步长接口模块接收大步长实时仿真系统发送的控制信号和就绪信号，顶层控制模块对控制信号进行处理后，将使能信号、处理后的控制信号、就绪信号、仿真开始信号、仿真停止信号和仿真结束信号发送给小步长实时仿真系统中的其他模块。
在仿真过程中往往遇到一些突发状况需要停止仿真。仿真停止信号由数据接口模块发送。其产生原因是在大步长(50us)时间节点处未收到大步长传来的实时交互数据，因此仿真需要停止以等待大步长传输数据。收到该信号后小步长实时仿真系统需要停止仿真，整个系统保持当前数据，直至仿真停止信号失效后仿真继续。
在仿真过程中需要实时记录当前时间，以便在达到所规定的仿真结束时间后能正确产生仿真结束信号。
所述数据存储模块包括矩阵存储模块、变量存储模块、元件信息存储模块和矩阵选取模块；
所述矩阵存储模块选用Block RAM，用于存储电导矩阵；
所述变量存储模块选用寄存器，用于存储节点电压向量与节点电流向量；
所述元件信息存储模块用于存储元件的初始状态和更新状态；
所述矩阵选取模块用于选取电导矩阵，所述电导矩阵的选取由电路拓扑结构决定，所述电路拓扑结构由开关状态决定，矩阵选取模块以开关状态数组作为输入，输出最大维度为64×64的电导矩阵。
所述元件包括SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件。
所述元件更新模块包括SLA元件更新模块、STB元件更新模块、TB2元件更新模块、CICV元件更新模块和BRK元件更新模块；
所述SLA元件更新模块、STB元件更新模块、TB2元件更新模块、CICV元件更新模块和BRK元件更新模块分别对SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件完成更新。
所述核心计算模块包括由64个PE单元组成的计算阵列，所述计算阵列通过加法器和乘法器完成GAB×vB和GAA -1×i(t)all的计算，GAB表示已知电压节点与未知电压节点之间的互导纳矩阵，其最大维度为64×10，vB表示已知电压节点的电压列向量，GAA -1表示未知电压节点的自导纳矩阵，其最大维度为64×10，i(t)all表示未知电压节点的电流列向量。
所述乘法器和加法器均为多级流水线结构；所述乘法器为5级流水线结构，加法器为3级流水线结构。乘法器的输入分别来两次矩阵计算，由于本系统的并行算法中这两次矩阵计算是先后时分的，故可以对同一块硬件进行复用，只需要对乘法器的输入进行选通控制即可。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述小步长实时仿真系统包括大小步长接口模块、顶层控制模块、数据存储模块、元件更新模块和核心计算模块；所述大小步长接口模块与顶层控制模块双向连接，所述顶层控制模块与数据存储模块、元件更新模块、核心计算模块单向连接。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述大小步长接口模块包括光电转换器和串行通道GTH，所述小步长实时仿真系统通过串行通道GTH与大步长实时仿真系统进行数据交互，所述串行通道GTH与大步长实时仿真系统之间通过光纤连接；所述大步长实时仿真系统基于服务器实现。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述大步长实时仿真系统与小步长实时仿真系统之间的物理通路包括发送通路和接收通路；
在所述发送通路中，串行通道GTH将顶层控制模块发送的数据变成串行信号，光电转换模块将串行信号转换成光信号发送给大步长实时仿真系统；
在所述接收通路中，光电转换模块将光信号转换成串行信号，串行通道GTH将串行信号发送给小步长实时仿真系统。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述顶层控制模块通过大小步长接口模块接收大步长实时仿真系统发送的控制信号和就绪信号，顶层控制模块对控制信号进行处理后，将使能信号、处理后的控制信号、就绪信号、仿真开始信号、仿真停止信号和仿真结束信号发送给小步长实时仿真系统中的其他模块。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述数据存储模块包括矩阵存储模块、变量存储模块、元件信息存储模块和矩阵选取模块；
所述矩阵存储模块选用Block RAM，用于存储电导矩阵；
所述变量存储模块选用寄存器，用于存储节点电压向量与节点电流向量；
所述元件信息存储模块用于存储元件的初始状态和更新状态；
所述矩阵选取模块用于选取电导矩阵，所述电导矩阵的选取由电路拓扑结构决定，所述电路拓扑结构由开关状态决定，矩阵选取模块以开关状态数组作为输入，输出最大维度为64×64的电导矩阵。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述元件包括SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述元件更新模块包括SLA元件更新模块、STB元件更新模块、TB2元件更新模块、CICV元件更新模块和BRK元件更新模块；
所述SLA元件更新模块、STB元件更新模块、TB2元件更新模块、CICV元件更新模块和BRK元件更新模块分别对SLA元件、STB元件、TB2元件、CICV元件和BRK元件完成更新。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述核心计算模块包括由64个PE单元组成的计算阵列，所述计算阵列通过加法器和乘法器完成GAB×vB和GAA -1×i(t)all的计算，GAB表示已知电压节点与未知电压节点之间的互导纳矩阵，其最大维度为64×10，vB表示已知电压节点的电压列向量，GAA -1表示未知电压节点的自导纳矩阵，其最大维度为64×10，i(t)all表示未知电压节点的电流列向量。
9.根据权利要求8所述的基于FPGA的小步长实时仿真系统，其特征在于：所述乘法器和加法器均为多级流水线结构；
所述乘法器为5级流水线结构，加法器为3级流水线结构。
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