CN107608232A - 一种基于fpga的智能变电站实时仿真器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的智能变电站实时仿真器，包括人机交互模块、嵌入式处理模块、FPGA仿真模块、千兆光纤收发器、千兆以太网接口、SD卡读写控制器，用户通过人机交互模块输入参数，嵌入式处理模块管理用户行为，将仿真模型参数下发至FPGA仿真模块进行仿真，将仿真结果通过嵌入式处理模块反馈至人机交互模块，向用户进行显示，并且嵌入式处理模块生成智能变电站的网络报文，通过千兆光纤收发器、千兆以太网接口发送给外部网络。本发明可以实现智能变电站一次系统、二次系统及两者功能关联的实时仿真，满足行业需求。

Description

一种基于FPGA的智能变电站实时仿真器

技术领域

本发明属于智能变电站仿真技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于FPGA的智能变电站实时仿真器。

背景技术

智能变电站的仿真包括一次系统电网的电磁暂态仿真和二次系统行为逻辑的仿真。

电网的电磁暂态计算不仅在空间上涉及成百上千的母线节点、电网元件的节点电压方程求解，在时间上还需要按照步长进行递推计算。整个计算过程较潮流计算、机电暂态计算等更为复杂，也需要花费更多的计算时间。研究表明，对于一个100节点规模的变电站，如果步长设置为50us，仿真时间为1s，采用经典EMTP计算程序在双核处理器的计算机上进行仿真，所花费的时间大约为25s。仿真时间是真实物理过程的20倍。在实际使用，尤其是应用在变电站现场培训、调试工作中时，将会影响到工作的效率。更重要的是，在考虑实时闭环仿真时，由于开关动作的随机性，单步长计算时间也需要控制在微秒数量级。

而解决计算速度问题的最好方法是采用并行计算方式。已有学者在此领域进行过研究，形成了相应的成果。中国电科院的PSASP大电网仿真平台是其中的代表，其根据一次接线图进行区域划分，将电磁暂态计算任务分解，通过大型集群计算机进行各任务进程的求解。在50us步长情况下，通过特殊的通信网络进行各计算子单元数据交互，已可满足实时计算要求。但是，应该看到此方法无论从造价还是使用环境上，都难以在变电站现场使用，仅适合于试验室环境。

至于变电站二次系统的行为逻辑仿真，传统做法是通过PSCAD软件完成，属于离线仿真，并且只是单一的原理仿真，难以与实际变电站的信息以及一次系统的状态发生关联，也难以在时间尺度上完整仿真保护与控制逻辑的完整时序过程，从而在本质上不能满足变电站现场需要。

由此可见，目前技术条件下，尚缺乏一种可以对智能变电站一次系统、二次系统及其功能关联的实时仿真手段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于FPGA的智能变电站实时仿真器，实现智能变电站一次系统、二次系统及两者功能关联的实时仿真。

为实现上述发明目的，本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器，包括人机交互模块、嵌入式处理模块、FPGA仿真模块、千兆光纤收发器、千兆以太网接口、SD卡读写控制器，其中：

人机交互模块包括输入设备和显示屏，输入设备用于用户输入参数，发送给嵌入式处理模块，显示屏用于向用户显示仿真结果；

嵌入式处理模块用于管理用户行为，包括记录用户通过人机交互模块1输入的参数，对仿真步长、仿真规模、仿真运行方式进行设置，并将仿真模型参数下发至FPGA仿真模块；接收FPGA仿真模块3的仿真结果，反馈给人机交互模块；

FPGA仿真模块用于根据嵌入式处理模块发送的参数对智能变电站的模型进行实时仿真，包括一次系统主接线的电磁暂态仿真和二次系统的行为逻辑仿真，将仿真结果反馈给嵌入式处理模块；并且将仿真结果转化为实际变电站中所使用的IEC 61850的网络报文，其中包含一次系统的电流、电压瞬时值的SV报文和包含开关分合动作信息、位置信息以及告警信息的GOOSE报文，发送给千兆光纤收器，二次系统的保护与控制行为报文、告警报文、状态信息报告发送给千兆以太网接口；

千兆光纤收发器用于向外部网络转发FPGA仿真模块3所模拟的智能变电站过程层报文，包括SV报文和GOOSE报文；

千兆以太网接口用于向外部网络转发FPGA仿真模块3所模拟的智能变电站站控层MMS报文；

SD卡读写控制器6用于存储仿真过程的结果和报告，供用户在智能变电站仿真完成后离线调阅。

本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器，包括人机交互模块、嵌入式处理模块、FPGA仿真模块、千兆光纤收发器、千兆以太网接口、SD卡读写控制器，用户通过人机交互模块输入参数，嵌入式处理模块管理用户行为，将仿真模型参数下发至FPGA仿真模块进行仿真，将仿真结果通过嵌入式处理模块反馈至人机交互模块，向用户进行显示，并且嵌入式处理模块生成智能变电站的网络报文，通过千兆光纤收发器、千兆以太网接口发送给外部网络。本发明可以实现智能变电站一次系统、二次系统及两者功能关联的实时仿真，满足行业需求。

附图说明

图1是本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器的具体实施方式结构图；

图2是本实施例中基于FPGA的智能变电站实时仿真器的硬件结构图；

图3是本实施例中单个FOGA的内部逻辑框图；

图4是本实施例中电流已知节点的电压向量U_P的求解方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器包括人机交互模块1、嵌入式处理模块2、FPGA仿真模块3、千兆光纤收发器4、千兆以太网接口5、SD卡读写控制器6，下面分别对每个模块进行详细说明。

人机交互模块1包括输入设备和显示屏，输入设备用于用户输入参数，发送给嵌入式处理模块2，显示屏用于向用户显示仿真结果。

嵌入式处理模块2用于管理用户行为，包括记录用户通过人机交互模块1输入的参数，对仿真步长、仿真规模、仿真运行方式进行设置，并将仿真模型参数下发至FPGA仿真模块3；接收FPGA仿真模块3的仿真结果，反馈给人机交互模块1。

FPGA仿真模块3用于根据嵌入式处理模块2发送的参数对智能变电站的模型进行实时仿真，包括一次系统主接线的电磁暂态仿真和二次系统的行为逻辑仿真，将仿真结果反馈给嵌入式处理模块2；并且将仿真结果转化为实际变电站中所使用的IEC 61850的网络报文，其中包含一次系统的电流、电压瞬时值的SV(Sampled Value,采样值)报文和包含开关分合动作信息、位置信息以及告警信息的GOOSE(Generic Object-Oriented SubstationEvent，通用对象的变电站事件)报文，发送给千兆光纤收器4，二次系统的保护与控制行为报文、告警报文、状态信息报告发送给千兆以太网接口5。仿真过程不仅可根据设置的参数进行稳态仿真，还可以针对嵌入式处理模块2设置的运行方式改变，诸如开关分合、光纤断链等条件，进行暂态过程仿真，所模拟的报文也会随条件变化，实时改变报文内容。

千兆光纤收发器4用于向外部网络转发FPGA仿真模块3所模拟的智能变电站过程层报文，包括SV报文和GOOSE报文；

千兆以太网接口5用于向外部网络转发FPGA仿真模块3所模拟的智能变电站站控层MMS报文，这类报文包括的是实际智能变电站中的状态告知类信息和监控后台下发遥控、遥调信息等。

SD卡读写控制器6用于存储仿真过程的结果和报告，供用户在智能变电站仿真完成后离线调阅。

图2是本实施例中基于FPGA的智能变电站实时仿真器的硬件结构图。如图2所示，本实施例中，嵌入式处理模块2采用FreeScale T4240处理器。T4240是一款64位多核处理器，内部采用12个e6500内核，该内核支持双线程功能，每个内核相当于两个虚拟内核，单核主频可达1.8Ghz。e6500每个线程都有专用的提取、解码、发部和完成资源，而且内核的存储器寻址空间达1TB。e6500配置512KB至2MB的二级缓存，以提高多核处理应用的本地缓存。同时该处理器提供4路PCIE 3.0接口，用于与FPGA仿真模块3通信，传输率可达8.0GB/s。内存上T4240支持16GB DDR3内存，可用于装载嵌入式LINUX系统和嵌入式处理模块所需的基本处理程序。

本实施例中，FPGA仿真模块3包含了独立工作的四块FPGA，单个FPGA采用ALTERAEP4CGX150DF31I7N，单片包含149760个逻辑单元，6480KB嵌入式RAM，以及可以直接服务于千兆光纤通信的8个收发器，由这8个收发器构成千兆光纤收发器4。每个FPGA外部时钟频率为50MHz，内部通过PLL倍频至100MHz。按照仿真功能，四块FPGA分别独立承担变电站线路、主变三侧、高压侧母线、中低压母线的实时仿真任务。四块FPGA之间通过片内总线通信，交互必要信息，从而可以完成一个220kV等级智能变电站整站级仿真。

T4240支持两路千兆以太网收发接口，用于模拟变电站站控层MMS报文的接收与发送，这两路接口即实现千兆以太网接口5。

根据以上描述可知，在本发明基于FPGA的智能变电站实时仿真器中，FPGA仿真模块3是关键模块，因此接下来对本实施例中FPGA仿真模块3中的单个FPGA进行详细说明。图3是本实施例中单个FOGA的内部逻辑框图。如图3所示，DDR2控制器模块对外部2GBDDR2SDRAM进行读写控制，该SDRAM作为FPGA模块接收和发送数据的缓冲区。EPSCS64为FPGA的配置芯片，用于固化FPGA代码和启动加载。整个模块的运行流程为，在PCIE接口收到嵌入式处理模块2下发的参数配置信息后，经过DDR2的缓存送入协议处理模块。再由协议处理模块控制仿真模块进行计算处理，反馈仿真结果。仿真结果由协议处理模块转换为相应的报文，SV、GOOSE报文经过RGMII接口传输至光纤收发器，通过光纤传播至模拟的过程层网络。MMS报文则再经过DDR2缓冲，由PCIE接口回传给嵌入式处理模块2传播至模拟的站控层网络。

变电站线路仿真是智能变电站实时仿真的重要组成部分，其重要组成部分为一次系统的电磁暂态仿真，主要作用是求取电流、电压瞬时值，本实施例中电流、电压瞬时值的求取方法采用隐式积分法，并且由于本发明仿真模块是基于FPGA来实现的，需要对其进行适应性改进。电网中各集中参数元件或可近似处理为集中参数的元件，总可以通过常微分方程描述其在暂态过程中电压与电流的关系。这类微分方程的求解需要应用数值方法。隐式积分法计算过程简单，并且具有较高的精度和良好的数值稳定性，因此为电磁暂态计算所采用。该方法的积分公式可表达为：

对于常微分方程

在t-τ到t积分步长内，有：

由上述公式可知，电磁暂态仿真中每一步长计算需要依赖上一步长的计算结果，实际是一种递推运算过程。因此，计算过程有严格的先后顺序，这就导致在时域上难以实现并行化。并且，结合具体元件模型时，式(1)中x往往对应的是电流瞬态值，f(x)对应的是电压瞬态值。电流、电压的求解过程是交替进行的，难以根据未知量进行划分求解。但是，在考虑进行分相仿真时，如果对电压、电流的A、B、C三相并行处理，利用FPGA的并行性，计算速度仍然可以较顺序计算结构获得较大的提高。

对于单步长情况下的电磁暂态仿真计算，单步长下各节点电压、电流瞬时值求解方程可表达为：

YU＝I (3)

其中Y为N节点的三相等值导纳矩阵，U为N节点的三相节点电压，I为N节点的三相节点电流。由隐式积分法的递推过程可知，N节点中包含两类节点，一类是已知初始电流，节点电压待求。另一类是已知节点电压，节点电流待求。据此，将式(3)可分解表达为：

其中，P个节点为电流已知节点，Q个节点为电压已知节点，U_P、U_Q分别表示电流已知节点、电压已知节点的电压向量，I_P、I_Q表示电流已知节点、电压已知节点的电流向量，Y_PP表示电流已知节点间的三相等值导纳矩阵，Y_PQ表示电流已知节点和电压已知节点间的三相等值导纳矩阵，Y_QP表示电压已知节点和电流已知节点间的三相等值导纳矩阵，Y_QQ表示电压已知节点间的三相等值导纳矩阵。因此可得：

U_P＝Y_PP ^-1(I_P-Y_PQ*U_Q) (5)

I_Q＝Y_QP*(Y_PP ^-1(I_P-Y_PQ*U_Q)+Y_QQ*U_Q (6)

比较式(4)与式(5)可知，关键是求解U_P。

图4是本实施例中电流已知节点的电压向量U_P的求解方法。如图4所示，电流已知节点的电压向量U_P的求解过程如下：

步骤1：将电压已知节点的电压向量U_Q分别与三相等值导纳矩阵Y_PQ中的每个列向量Y_pQ通过数乘累加模块FDM求取数量积，得到P个电流I_tp，其中p＝1,2,…,P，q＝1,2,…,Q；

步骤2：分别将P个电流已知节点的电流I_Pp减去对应电流I_tp，得到I′_Pp＝I_Pp-I_tp，从而得到电流向量I′_P＝{I′_P1,…,I′_PP}；

步骤3：将电流向量I′_P分别与三相等值导纳矩阵Y_PP中的每个列向量Y_pP的瘦逆矩阵通过数乘累加模块FDM求取数量积，得到P个电压u_p，从而得到电压向量U_P＝{u₁,…,u_P}。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的智能变电站实时仿真器，其特征在于，包括人机交互模块、嵌入式处理模块、FPGA仿真模块、千兆光纤收发器、千兆以太网接口、SD卡读写控制器，其中：

人机交互模块包括输入设备和显示屏，输入设备用于用户输入参数，发送给嵌入式处理模块，显示屏用于向用户显示仿真结果；

嵌入式处理模块用于管理用户行为，包括记录用户通过人机交互模块1输入的参数，对仿真步长、仿真规模、仿真运行方式进行设置，并将仿真模型参数下发至FPGA仿真模块；接收FPGA仿真模块3的仿真结果，反馈给人机交互模块；

FPGA仿真模块用于根据嵌入式处理模块发送的参数对智能变电站的模型进行实时仿真，包括一次系统主接线的电磁暂态仿真和二次系统的行为逻辑仿真，将仿真结果反馈给嵌入式处理模块；并且将仿真结果转化为实际变电站中所使用的IEC 61850的网络报文，其中包含一次系统的电流、电压瞬时值的SV报文和包含开关分合动作信息、位置信息以及告警信息的GOOSE报文，发送给千兆光纤收器，二次系统的保护与控制行为报文、告警报文、状态信息报告发送给千兆以太网接口；

千兆光纤收发器用于向外部网络转发FPGA仿真模块所模拟的智能变电站过程层报文，包括SV报文和GOOSE报文；

千兆以太网接口用于向外部网络转发FPGA仿真模块所模拟的智能变电站站控层MMS报文；

SD卡读写控制器用于存储仿真过程的结果和报告，供用户在智能变电站仿真完成后离线调阅。

2.根据权利要求1所述的智能变电站实时仿真器，其特征在于，所述嵌入式处理模块采用FreeScale T4240处理器。

3.根据权利要求1所述的智能变电站实时仿真器，其特征在于，所述FPGA仿真模块包含了独立工作的四块FPGA，分别独立承担变电站线路、主变三侧、高压侧母线、中低压母线的实时仿真任务。

4.根据权利要求3所述的智能变电站实时仿真器，其特征在于，所述变电站线路仿真过程中，电流、电压瞬时值的求取方法采用隐式积分法，其中记P个电流已知节点、Q个电压已知节点的电压向量分别为U_P、U_Q，电流向量分别为I_P、I_Q，电流已知节点间的三相等值导纳矩阵为Y_PP，电流已知节点和电压已知节点间的三相等值导纳矩阵Y_PQ，电压已知节点和电流已知节点间的三相等值导纳矩阵Y_QP，表示电压已知节点间的三相等值导纳矩阵Y_QQ，隐式积分法的递推公式表示为：

U_P＝Y_PP ^-1(I_P-Y_PQ*U_Q)

I_Q＝Y_QP*(Y_PP ^-1(I_P-Y_PQ*U_Q)+Y_QQ*U_Q

U_P采用以下方法求解：

步骤1：将电压已知节点的电压向量U_Q分别与三相等值导纳矩阵Y_PQ中的每个列向量Y_pQ通过数乘累加模块FDM求取数量积，得到P个电流I_tp，其中p＝1,2,…,P；

步骤2：分别将P个电流已知节点的电流I_Pp减去对应电流I_tp，得到I′_Pp，从而得到电流向量I′_P＝{I′_P1,…,I′_PP}；

步骤3：将电流向量I′_P分别与三相等值导纳矩阵Y_PP中的每个列向量Y_pP的瘦逆矩阵通过数乘累加模块FDM求取数量积，得到P个电压u_p，从而得到电压向量U_P＝{u₁,…,u_P}。