CN108897939A - 基于fpga的区域性电网可控性可观性仿真实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的区域性电网可控性可观性仿真实验平台，其特征在于，包括上位机、电压传感器、FPGA仿真系统三部分，三部分相互协作，实现对人为设定数据和电网真实数据的建模和可控性可观性分析，以及对分析结果的显示；所述上位机用于人为设定电网参数，计算矩阵行列式和可控可观指数，以及显示电网可控性可观性的分析结果，上位机可以与FPGA仿真系统进行无线通信；所述电压传感器分布在区域性电网的各个节点以及各节点之间的线路上，用于实时采集电网参数，并将数据传送至FPGA仿真系统；所述FPGA仿真系统包括无线通信模块、预处理模块、FPGA分析模块和存储模块。

Description

基于FPGA的区域性电网可控性可观性仿真实验平台

技术领域

本发明涉及电网控制领域，特别是一种基于FPGA的区域性电网可控性可观性仿真实验平台。

背景技术

电力网络将发电站、输电节点、配电站、用电节点多个部分有机地联合起来。随着光伏发电、风力发电、生物质能发电等新型能源发电技术的迅速发展和渗入，电网的各方面特征趋向复杂化，这就使得电网的控制难度逐渐提升。分析系统可控性和可观性对系统控制方式的优化设计起到了关键性作用。现有的电力网络具有明显的非线性特征，利用卡尔曼可控性可观性分析方法不能准确分析出电网的可控性和可观性，而且现有的可控性可观性分析方法针对复杂网络的较少。

现有的技术存在以下不足之处：(1)现有可控性可观性分析方法无法准确量化电网的可控性和可观性；(2)目前尚无基于FPGA的功能较为完善的专用于电网可控性可观性实验平台；(3)无法对电网的可控性和可观性进行实时分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种一种基于FPGA的区域性电网可控性可观性仿真实验平台，实现对电网可控性和可观性的仿真分析。本发明提供的实验平台，一方面可以对上位机人为设定的电网参数进行电网建模和可控性可观性分析，另一方面可以对利用电压传感器采集的真实数据进行电网建模和可控性可观性实时分析。本发明实验平台能够量化系统的可控性和可观性，可为电网控制提供有效的理论依据。本发明采用的技术方案是：

一种基于FPGA的区域性电网可控性可观性仿真实验平台，其特征在于，包括上位机、电压传感器、FPGA仿真系统三部分，三部分相互协作，实现对人为设定数据和电网真实数据的建模和可控性可观性分析，以及对分析结果的显示；

所述上位机用于人为设定电网参数，计算矩阵行列式和可控可观指数，以及显示电网可控性可观性的分析结果，上位机可以与FPGA仿真系统进行无线通信；所述电压传感器分布在区域性电网的各个节点以及各节点之间的线路上，用于实时采集电网参数，并将数据传送至FPGA仿真系统；

所述FPGA仿真系统包括无线通信模块、预处理模块、FPGA分析模块和存储模块，无线通信模块一方面能够接收上位机设定的电网参数和电压传感器采集到的电网参数，另一方面能够向上位机发送可控性可观性分析结果；预处理模块用于对电压传感器采集到的数据信号进行均值化处理，减小噪声对信号的干扰，处理后的数据用于构建电网模型；FPGA分析模块实现对电网的建模和可控矩阵和可观矩阵的计算；存储模块用于存储FPGA分析模块的可控性可观性分析计算过程中的数据；整个实验平台一方面对上位机人为设定的电网参数进行可控性可观性分析，另一方面可以对利用电压传感器采集得到的电网真实数据进行分析；

电力网络建模和可控性可观性分析采用加法器、乘法器和查找表模块实现，利用查找表可实现复杂函数的硬件电路，基本原理即先把复杂函数以一维数组的形式存储至其内部的连续存储空间，然后对自变量进行偏置和增益运算，映射得到其对应的存储地址，最后经过读取存储区域地址实现运算；

FPGA分析模块收到上位机或电压传感器的网络数据后，根据网络数据，采用加法器、乘法器和查找表模块编写上述电网模型、可控矩阵内部元素和可观矩阵内部元素的程序，将程序下载至FPGA芯片中，实现对电力网络的建模以及可控矩阵和可观矩阵的计算；

在仿真时，FPGA分析模块根据接收到的数据编写电网节点耦合关系程序，得到一定时间范围内每个节点的电压相位角；根据接收到的电网数据编写可控矩阵和可观矩阵内各元素的FPGA实现程序，利用电网模型求得的各节点电压相位角求得可控矩阵和可观矩阵内元素的具体数值；

FPGA仿真实验平台对可控性和可观性分析的流程为，首先根据接收到的电网参数编写并在FPGA芯片运行电网模型程序、可控矩阵元素计算程序和可观矩阵元素计算程序；首先得到电网各节点的电压相位，利用此结果计算可控和可观矩阵内元素的具体数值，得到可控和可观矩阵，将计算结果上传至上位机，上位机计算矩阵行列式，根据结果对各节点进行分类，对于可控或可观的节点进一步计算其可控指数和可观指数，最终上位机显示分析计算结果。

本发明的有益效果是：(1)可以实现复杂网络整体以及内部各个节点的可控性和可观性分析；(2)该仿真实验平台既可以处理人为设定的参数又可以处理从电网采集的真实数据，并用这些数据对电力网络的建模；(3)利用并行计算的FPGA实现可控性可观性分析，有效提升了运算速率，可以将分析结果实时返回至上位机。

附图说明

图1为本发明基于FPGA的区域性电网仿真实验平台结构示意图；

图2为本发明FPGA分析模块电网建模电路图；

图3为本发明FPGA分析模块可控矩阵元素的计算电路图；

图4为本发明FPGA分析模块可观矩阵元素的计算电路图；

图5为本发明FPGA分析模块可控性可观性分析流程图；

图6为本发明基于FPGA的区域性电网仿真实验平台上位机界面。

图中：

1-上位机，2-电压传感器，3-FPGA仿真系统，31-无线通信模块，32-预处理模块，33-FPGA分析模块，34-存储模块

具体实施方式

下面结合实施例及附图内容对本发明的技术方案进行清楚完整的描述及说明，但并不以此作为本申请保护范围的限定。

本发明基于FPGA的区域性电网仿真实验平台(参见图1-5)，包括上位机1，电压传感器2和FPGA仿真实验平台3，三部分共同作用，实现对实验数据和数据的电网建模以及可控性和可观性分析。

所述上位机1用于人为设定电网的节点个数、节点特性(包括发电、用电、储电三种类型)、节点间的连接强度、电网的拓扑结构等电网参数，并可以通过无线通信的方式将数据发送至FPGA仿真系统3；计算可控矩阵和可观矩阵的行列式，并计算可控或可观节点的可控可观指数；显示FPGA仿真系统3对电网可控性和可观性的分析结果，具体为网络中具有不同可控性和可观性的节点个数(分为可控且可观、可控不可观、不可控可观、不可控不可观)、可控指数和可观指数随时间的变化波形。

所述电压传感器2具有多个，分别设置在电网不同特性节点和不同节点间的连接线路上，设置在不同特性节点上的电压传感器2采集节点的电压数据，在节点之间线路上的电压传感器2采集节点间的通电情况相关数据，两部分数据共同用于构建电网模型，分别对应得到节点个数、节点特性、节点间连接强度和网络拓扑结构。电压传感器2可以将采集到的数据实时传送至FPGA仿真系统3。

所述FPGA仿真系统3包括无线通信模块31、预处理模块32、FPGA分析模块33和存储模块34；所述无线通信模块31用于接收上位机1和电压传感器2的电网数据，并向上位机1发送FPGA分析模块的计算结果；所述预处理模块32用于对电压传感器2采集到的数据进行均值化处理，减小噪声对信号的干扰，处理后的数据用于构建电网模型；所述FPGA分析模块33根据电网数据建立电网模型，并分析电网的可控性和可观性；所述存储模块34用于存储FPGA分析模块33在建模前后、可控性可观性分析前后的数据或结果。

整个实验平台一方面可以对上位机1人为设定的电网参数进行可控性可观性分析，首先在上位机1上人为设定一系列电网参数，并将参数无线传输至FPGA仿真系统3，FPGA分析模块33接收到数据后建立电网模型，计算其可控矩阵和可观矩阵，这一过程中的数据缓存在存储模块34中，存储模块34将计算结果通过无线通信模块31发送至上位机1，上位机1计算矩阵行列式和可控可观指数后，将最终的分析计算结果显示出来。

另一方面，实验平台可以对利用电压传感器2采集得到的电网真实数据进行分析，首先电压传感器2将采集到的数据传至FPGA仿真系统3，经过预处理模块32处理后传至FPGA分析模块33，FPGA分析模块33利用电网参数建立电网模型，分析其可控性和可观性，这一过程中的数据缓存在存储模块34中，存储模块34将分析结果通过无线通信模块31发送至上位机1，上位机1计算行列式和可控可观指数后，将最终的分析计算结果显示出来。

电网模型的公式可描述为：

各参数如下：

节点i和节点j电压的相位角：θ_i、θ_j

阻尼系数D_i：用电节点D_i＝0.254；发电节点D_i＝0.09067；储能节点D_i＝0.1632；

节点i电压频率：ω_i

节点i和节点j的连接强度：λ

电网的连接矩阵：A_ij

节点i和节点j之间的相位差：

根据可控矩阵判断可控性的过程具体如下：

(1)对于非线性系统：

y＝h(x)

(2)根据输入函数和输出函数求得LB₁、LB₂、…、LB_n-1

…

(3)求可控矩阵C(x)

C(x)＝[g,LB₁,...,LB_n-1]

(4)计算C(x)的行列式，

det(C(x))＝0

若为零，则所测节点不可控；若不为零，则所测节点可控。

(5)可控指数公式可描述为：

在一定时间范围内取平均：

其中，各参数如下：

最大特征值：λ_max，最小特征值：λ_min

根据可观矩阵判断可观性的过程具体如下：

(1)对于非线性系统：

y＝h(x)

(2)根据输入函数和输出函数计算得到

…

(3)计算可观矩阵O(x)

(4)计算O(x)的行列式

det(O(x))＝0

若为零，则所测节点不可观；若不为零，则所测节点可观。

(5)计算可观指数，其公式可描述为：

在一定时间范围内取平均：

其中，各参数如下：

最大特征值：λ_max，最小特征值：λ_min。

基于FPGA的区域性电网仿真实验平台具体实现过程如下所述。FPGA仿真系统3中的无线通信模块31采用GPRS远程无线通信模块实现，既可以满足上位机1设定参数向FPGA仿真系统3的传输，又可以满足电压传感器2采集的数据向FPGA仿真系统3的传输。所述存储模块34利用RAM实现，RAM存储FPGA仿真系统3仿真过程中的所有数据。

所述FPGA分析模块33对电网的建模和可控性可观性分析通过FPGA芯片实现。对硬件实验平台进行设计，FPGA芯片用Altera公司生产的Cyclone IIIEP3C120F484C8N芯片，根据电网的KURAMOTO模型表达式以及可控性矩阵、可控指数、可观性矩阵和可观指数的数学模型，采用欧拉法进行数字离散化。数据输入总线接收上位机1设置的数据到硬件系统中，电网模型和可控性可观性分析模型的所有数据通路均在同一时钟下同步运行，利用MATLAB软件中的DSPBuilider编写基于模块的电网和可控性可观性分析流水线模型，经过QuartusII软件编写完整的运算逻辑和程序结构；编译、分析综合、布局布线，最后下载到FPGA芯片中运行。

电力网络建模和可控性可观性分析主要采用加法器、乘法器和查找表模块实现。其中，加法器和乘法器分别实现基础的加法和乘法运算，查找表相当于一个存储器，可存储一个一维数组，利用查找表可实现复杂函数的硬件电路，基本原理即先把复杂函数以一维数组的形式存储至其内部的连续存储空间，然后对自变量进行偏置和增益运算，映射得到其对应的存储地址，最后经过读取存储区域地址实现运算。

FPGA分析模块33收到上位机1或电压传感器2的电压数据后，根据网络数据，主要采用加法器、乘法器和查找表模块(LUT1-LUT8)编写上述电网模型、可控矩阵内部元素和可观矩阵内部元素的程序，将程序下载至FPGA芯片中，实现对电力网络的建模以及可控矩阵和可观矩阵的计算。

建立电网模型的程序，电网系统中任意两个节点节点相互耦合的FPGA流水数据通路图具体如图2所示。其中LUT1和LUT2分别实现电网中两个相互耦合节点模型中的正弦函数部分，反馈环节体现出微分方程的递推关系。在仿真时，根据接收到的数据编写电网节点耦合关系程序，得到一定时间范围内每个节点的电压相位角。

可控矩阵的计算程序，可控矩阵所包含元素的流水数据通路图如图3所示(以三节点为例)，其中，LUT3和LUT4分别实现节点1、2和节点1、3相耦合模型中的正弦函数部分。三节点电网模型的可控矩阵包含9个元素，其它元素的程序原理与之类似。在仿真时，根据接收到的电网数据编写可控矩阵各元素的FPGA实现程序，利用电网模型求得的各节点电压相位角求得可控矩阵内元素的具体数值。

可观矩阵的计算程序，可观矩阵所包含元素的流水线数据通路图如图4所示(以三节点为例)，其中，LUT3和LUT4分别节点1、2与节点1、3相耦合的模型中的正弦函数部分。三节点电网的可控矩阵共有9个元素，其它元素的程序原理与之类似。在仿真时，根据接收到的电网数据编写可观矩阵各元素的FPGA实现程序，利用电网模型求得的各节点电压相位角求得可观矩阵内元素的具体数值。

FPGA仿真实验平台对可控性和可观性分析的流程如图5所示，首先根据接收到的电网参数编写并在FPGA芯片运行电网模型程序、可控矩阵元素计算程序和可观矩阵元素计算程序。首先得到电网各节点的电压相位，利用此结果计算可控和可观矩阵内元素的具体数值，得到可控和可观矩阵，将计算结果上传至上位机1，上位机1计算矩阵行列式，根据结果对各节点进行分类，对于可控或可观的节点进一步计算其可控指数和可观指数，最终上位机1显示分析计算结果。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的区域性电网可控性可观性仿真实验平台，其特征在于，包括上位机、电压传感器、FPGA仿真系统三部分，三部分相互协作，实现对人为设定数据和电网真实数据的建模和可控性可观性分析，以及对分析结果的显示；

所述上位机用于人为设定电网参数，计算矩阵行列式和可控可观指数，以及显示电网可控性可观性的分析结果，上位机可以与FPGA仿真系统进行无线通信；所述电压传感器分布在区域性电网的各个节点以及各节点之间的线路上，用于实时采集电网参数，并将数据传送至FPGA仿真系统；

所述FPGA仿真系统包括无线通信模块、预处理模块、FPGA分析模块和存储模块，无线通信模块一方面能够接收上位机设定的电网参数和电压传感器采集到的电网参数，另一方面能够向上位机发送可控性可观性分析结果；预处理模块用于对电压传感器采集到的数据信号进行均值化处理，减小噪声对信号的干扰，处理后的数据用于构建电网模型；FPGA分析模块实现对电网的建模和可控矩阵和可观矩阵的计算；存储模块用于存储FPGA分析模块的可控性可观性分析计算过程中的数据；整个实验平台一方面对上位机人为设定的电网参数进行可控性可观性分析，另一方面可以对利用电压传感器采集得到的电网真实数据进行分析；

电力网络建模和可控性可观性分析采用加法器、乘法器和查找表模块实现，利用查找表可实现复杂函数的硬件电路，基本原理即先把复杂函数以一维数组的形式存储至其内部的连续存储空间，然后对自变量进行偏置和增益运算，映射得到其对应的存储地址，最后经过读取存储区域地址实现运算；

FPGA分析模块收到上位机或电压传感器的网络数据后，根据网络数据，采用加法器、乘法器和查找表模块编写上述电网模型、可控矩阵内部元素和可观矩阵内部元素的程序，将程序下载至FPGA芯片中，实现对电力网络的建模以及可控矩阵和可观矩阵的计算；

在仿真时，FPGA分析模块根据接收到的数据编写电网节点耦合关系程序，得到一定时间范围内每个节点的电压相位角；根据接收到的电网数据编写可控矩阵和可观矩阵内各元素的FPGA实现程序，利用电网模型求得的各节点电压相位角求得可控矩阵和可观矩阵内元素的具体数值；

FPGA仿真实验平台对可控性和可观性分析的流程为，首先根据接收到的电网参数编写并在FPGA芯片运行电网模型程序、可控矩阵元素计算程序和可观矩阵元素计算程序；首先得到电网各节点的电压相位，利用此结果计算可控和可观矩阵内元素的具体数值，得到可控和可观矩阵，将计算结果上传至上位机，上位机计算矩阵行列式，根据结果对各节点进行分类，对于可控或可观的节点进一步计算其可控指数和可观指数，最终上位机显示分析计算结果。