CN110765594B - 一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法及装置，所述方法包括：读取各子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；根据第一交互控制量，采用风电场实时仿真器对电气系统进行当前仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各子系统的所有第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；根据第一交互电气量，采用风电场实时仿真器对控制系统进行当前仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各子系统的所有第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号，能有效解决现有技术数据交互延迟时间过长将会影响实时仿真器的仿真精度和仿真速度的问题。

Description

一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统仿真技术领域，尤其涉及一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法及装置。

背景技术

目前，风电场日益庞大的仿真规模和种类多样的电力电子设备对实时仿真器的仿真精度、计算速度、硬件资源提出了严峻的挑战。在风电场中，换流器等高频电力电子设备的存在会带来数值震荡等一系列问题，对该类元件的精确仿真通常需要较小的仿真步长；另外，风电场中各种风机控制设备的数学模型具有较强的非线性，对非线性系统的处理加剧了实时仿真器的计算负担，同时，风电场与日俱增的建设规模也使仿真规模变得更加庞大，导致实时仿真器需要更长的计算时间。这种仿真步长与求解规模之间的矛盾给风电场仿真的实时性带来了极大的考验，也为实时仿真器的硬件资源带来了严重的负担。

基于常规CPU处理器或DSP等串行硬件的实时仿真器囿于处理速度和物理结构的限制，在较小的仿真步长下实现风电场实时仿真计算的能力较为有限，而基于FPGA(FieldProgrammable Gate Array)的计算求解为风电场的实时仿真提供了一种新的思路。FPGA是专用集成电路领域的一种半定制电路，具有完全可配置的固有硬件并行结构，其逻辑资源可配置为并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA上具有大量嵌入式存储块，可配置为大量分布式ROM或RAM；此外，FPGA还拥有丰富的传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟；更为重要的是，FPGA允许使用流水线技术，针对风电场实时仿真中可分为若干步骤且单流向处理数据的计算流程，流水线技术通过延伸重叠方式，使指令解释过程进一步细化，在提高程序处理单元利用率的同时，加快指令执行速度，大大增强了基于FPGA的风电场实时仿真器的数据处理能力；FPGA的这些硬件结构特征为风电场实时仿真器的高效精确求解奠定了坚实的基础。

针对风电场中的数量众多、种类各异的电气元件和控制设备，要对其在FPGA上实现微秒级仿真步长下的实时仿真，需要首先根据风电场的拓扑连接关系对风电场进行分割，然后将分割后各子系统的电气元件和控制设备分别在实时仿真器的电气系统和控制系统中以流水线的形式进行求解。考虑到实时仿真器的控制系统和电气系统在每个仿真步长都要交互大量数据，而数据交互延迟时间过长将会影响实时仿真器的仿真精度和仿真速度。

发明内容

本发明实施例提供一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法及装置，能有效解决现有技术数据交互延迟时间过长将会影响实时仿真器的仿真精度和仿真速度的问题，提供了一种能够满足实时仿真器电气系统与控制系统之间大量数据高速稳定交互的内部接口设计。

本发明一实施例提供一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，包括：

将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数；

读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；

根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；

根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号；

根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。

作为上述方案的改进，所述将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中，具体包括：

根据所述待仿真风电场的拓扑连接关系和所述风电场实时仿真器的FPGA的仿真计算资源，将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统；

读取各所述子系统的所述电气元件基本参数，生成所述电气系统的节点电导矩阵；

读取各所述子系统的所述风机模型的控制参数，生成所述控制系统的计算矩阵；

将预先获取到的各所述子系统的风机运行参数信息、所述电气系统的节点电导矩阵及所述控制系统的计算矩阵下载至所述FPGA中；其中，所述风机运行参数信息包括风机的启动转矩参数及风速参数。

作为上述方案的改进，在读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量之前，还包括：

设置所述风电场实时仿真器的仿真步长、仿真时段、时钟周期及仿真终止时刻。

作为上述方案的改进，所述读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量，具体包括：

所述控制系统在每个预设的时钟周期内读取上一个预设的仿真步长中计算得到的所有第一交互电气量；

所述电气系统在每个预设的仿真时段内依次读取上一个所述仿真步长中计算得到的所有第一交互控制量。

作为上述方案的改进，通过如下步骤采用流水线结构求解所述控制系统和所述电气系统：

计算各所述子系统所有电气元件的历史项电流源，并根据所述历史项电流源，得到各所述子系统的历史项电流源列向量；

根据所述历史项电流源列向量，计算各所述子系统的节点电压列向量；

根据各所述子系统的节点电压列向量，更新支路电压与支路电流。

作为上述方案的改进，所述根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验，还包括：

当所述电气系统的仿真求解结束时，生成电气系统计算结束信号；

当所述控制系统的仿真求解结束时，生成控制系统计算结束信号；

检测所述电气系统计算结束信号、所述控制系统计算结束信号、所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号是否同时为高电平；若是，则确定完成当前所述仿真步长的仿真结束校验；若否，则等待至当前所述仿真步长的仿真结束。

作为上述方案的改进，在所述根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验之后，还包括：

当完成当前所述仿真步长的仿真结束校验时，判断当前时刻是否超过预设的仿真时间；若所述当前时刻未超过所述仿真时间，则待机至所述仿真时间；其中，所述仿真时间为在当前所述仿真步长的仿真结束时对应的时刻；

若所述当前时刻超过所述仿真时间，则判断所述当前时刻是否达到所述仿真终止时刻；若是，则确认仿真结束；若否，则将所述仿真时间推进一个所述仿真步长，进而重新读取各所述子系统在上一个所述仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量，直至所述当前时刻达到所述仿真终止时刻。

本发明另一实施例对应提供了一种风电场实时仿真器内部交互接口控制装置，包括：

参数下载模块，用于将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数；

数据读取模块，用于读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；

电气系统仿真模块，用于根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；

控制系统仿真模块，用于根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号；

仿真结束校验模块，用于根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。

本发明实施例公开的一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法及装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：

通过将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数；读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号；根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。本发明能有效解决现有技术数据交互延迟时间过长将会影响实时仿真器的仿真精度和仿真速度的问题，提供了一种能够满足实时仿真器电气系统与控制系统之间大量数据高速稳定交互的内部接口设计，并通过考虑风电场实时仿真器内部数据交互的需求和自身硬件资源，发挥了FPGA内部的资源优势和硬件并行设计的技术优势，在保证仿真器内部交互接口稳定性的同时，实现了实时仿真器内部数据交互的正确性和高效性，为基于FPGA的大规模风电场的实时仿真奠定了基础。

本发明另一实施例提供了一种风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述发明实施例所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法。

本发明另一实施例提供了一种存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述发明实施例所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一中五个永磁直驱风力发电机的风电场示意图；

图3是本发明实施例一中风机子系统1的并网点A相电流仿真结果对比图；

图4是本发明实施例一中风机子系统2的并网点A相电流仿真结果对比图；

图5是本发明实施例一中风机子系统3的并网点A相电流仿真结果对比图；

图6是本发明实施例一中风机子系统4的并网点A相电流仿真结果对比图；

图7是本发明实施例一中风机子系统5的并网点A相电流仿真结果对比图；

图8是本发明实施例一中风机子系统1的换流器并联电容端电压仿真结果图；

图9是本发明实施例一中风机子系统1的输出有功功率仿真结果图；

图10是本发明实施例二提供的一种风电场实时仿真器内部交互接口控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图1，是本发明实施例一提供的一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法的流程示意图，所述方法包括步骤S101至步骤S105。

S101、将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数。

在一种可选的实施例中，步骤S101具体包括：

根据所述待仿真风电场的拓扑连接关系和所述风电场实时仿真器的FPGA的仿真计算资源，将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统；

读取各所述子系统的所述电气元件基本参数，生成所述电气系统的节点电导矩阵；

读取各所述子系统的所述风机模型的控制参数，生成所述控制系统的计算矩阵；

将预先获取到的各所述子系统的风机运行参数信息、所述电气系统的节点电导矩阵及所述控制系统的计算矩阵下载至所述FPGA中；其中，所述风机运行参数信息包括风机的启动转矩参数及风速参数。

S102、读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量。

在一种可选的实施例中，在步骤S102之前，还包括：

设置所述风电场实时仿真器的仿真步长、仿真时段、时钟周期及仿真终止时刻。

示例性的，在每个仿真步长上共需N+3个仿真时段进行计算，设定实时仿真器的仿真步长为Δt，仿真时段大小为Δτ，实时仿真的时钟周期为Δs，且需满足Δt之(N+3)Δτ，Δτ＝pΔs，p＞1且为正整数，p为每个仿真时段中的时钟个数。

在一种可选的实施例中，步骤S102具体包括：

所述控制系统在每个预设的时钟周期内读取上一个预设的仿真步长中计算得到的所有第一交互电气量；

所述电气系统在每个预设的仿真时段内依次读取上一个所述仿真步长中计算得到的所有第一交互控制量。

需要说明的是，采用如下两种方式读取N个子系统的第一交互电气量和第一交互控制量：控制系统在每个时钟周期Δs内进行读取操作，同时读出第i个子系统在上一仿真步长计算得到的M个第一交互电气量e_i[M]，i＝1，2，...，N，M为正整数，直至所有第一交互电气量读取完毕；同时，电气系统在每个仿真时段Δτ内进行读取操作，顺序读出第i个子系统在上一仿真步长计算得到的L个第一交互控制量c_i[L]，L为正整数，直至所有第一交互控制量读取完毕。

S103、根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号。

需要说明的是，基于步骤S102中读取的第i个子系统的L个第一交互控制量c_i[L]，风电场实时仿真器求解第i个子系统的电气系统，根据即时交互策略，等待第i个子系统中的第m个第二交互电气量E_m，i求解结束时，m＝1，2，...，M，立即将第二交互电气量E_m，i发送至电气量交互接口，直至第N个子系统的M个第二交互电气量E_N[M]发送至电气量交互接口，实时仿真器生成电气量交互结束信号end_com_ele。其中，即使交互策略是指每个子系统的电气系统求解结束得到仿真结果后，立即将第二交互电气量发送至电气量交互接口，而无需经过缓存处理再发送至电气量交互接口。

优选的，所述电气量交互接口是由先入先出存储器FIFO_m构成的，其功能为：当电气量交互接口在每个时钟周期Δs内依次接收到子系统i的第m个第二交互电气量E_m，i时，将对应的FIFO写使能置高电平，并将E_m，i依次写入M个FIFO中；待电气量交互接口接收到电气量交互信号时，将M个FIFO的读使能置高电平，同时将第i个子系统的M个第一交互电气量e_i[M]读出并送入到控制系统中。

S104、根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号。

需要说明的是，基于步骤S102中读取的第i个子系统的M个第一交互电气量e_i[M]，风电场实时仿真器对第i个子系统的控制系统进行求解，根据即时交互策略，等待第i个子系统的L个第二交互控制量C_i[L]同时求解结束时，立即将第二交互控制量C_i[L]发送至控制量交互接口，直至第N个子系统的L个第二交互控制量C_N[L]发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号end_com_con。

优选的，所述控制量交互接口是由位拼接模块和随机存取存储器RAM构成的，其功能为：当控制量交互接口同时接收到子系统i的L个第二交互控制量C_i[L]时，位拼接模块首先将L个E位数据宽度的交互控制量拼接为一个L*E位数据宽度的控制数据，并以L*E位数据宽度写入随机存取存储器RAM中；待控制量交互接口接收到控制量交互信号时，再以E位数据宽度从RAM中依次读出L个第一交互控制量c_i[L]。

在一种可选的实施例中，通过如下步骤采用流水线结构求解所述控制系统和所述电气系统：

计算各所述子系统所有电气元件的历史项电流源，并根据所述历史项电流源，得到各所述子系统的历史项电流源列向量；

根据所述历史项电流源列向量，计算各所述子系统的节点电压列向量；

根据各所述子系统的节点电压列向量，更新支路电压与支路电流。

S105、根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。

在一种可选的实施例中，步骤S105的当前仿真步长的仿真结束校验为：

当所述电气系统的仿真求解结束时，生成电气系统计算结束信号；

当所述控制系统的仿真求解结束时，生成控制系统计算结束信号；

检测所述电气系统计算结束信号、所述控制系统计算结束信号、所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号是否同时为高电平；若是，则确定完成当前所述仿真步长的仿真结束校验；若否，则等待至当前所述仿真步长的仿真结束。

需要说明的是，在每一仿真步长上，第N个子系统的电气系统求解结束时，实时仿真器生成电气系统计算结束信号end_cal_ele，第N个子系统的控制系统求解结束时，实时仿真器生成控制系统计算结束信号end_cal_conn，第N个子系统的电气系统求解结束时，实时仿真器生成电气系统计算结束信号end_cal_ele，进而计算结束信号end_cal_ele和end_cal_con与交互结束信号end_com_ele和end_com_con均为高电平有效，当end_cal_ele、end_cal_con、end_com_ele和end_com_con同时为高电平时，则确认当前仿真步长的仿真结束校验完成，否则等待至结束校验。

在一种可选的实施例中，在步骤S105之后，还包括：

当完成当前所述仿真步长的仿真结束校验时，判断当前时刻是否超过预设的仿真时间；若所述当前时刻未超过所述仿真时间，则待机至所述仿真时间；其中，所述仿真时间为在当前所述仿真步长的仿真结束时对应的时刻；

若所述当前时刻超过所述仿真时间，则判断所述当前时刻是否达到所述仿真终止时刻；若是，则确认仿真结束；若否，则将所述仿真时间推进一个所述仿真步长，进而重新读取各所述子系统在上一个所述仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量，直至所述当前时刻达到所述仿真终止时刻。

本发明中，仿真时间为t＝t+Δt，Δt为仿真步长。

在另一优选的实施例中，在以上实施例的基础上，将所述风电场实时仿真器内部交互接口控制方法应用于等值为五个永磁直驱风力发电机的风电场，本实施例中基于FPGA的实时仿真器采用Intel公司的Stratix V系列FPGA 5SGSMD5K2F40C2N及其配套官方开发板对风电场进行实时仿真，整个实时仿真器通过125MHz的时钟驱动。如图2所示，将接在风电场公共接入点处的永磁直驱风力发电机进行等值建模，等效为五台等值永磁直驱风力发电机，整个测试算例采用线路的贝瑞隆模型分割为5个子系统，每台等值永磁直驱风力发电机各作为一个子系统。在每个子系统中，等值永磁直驱风力发电机通过机侧换流器U和网侧换流器，经滤波电路滤波后与公共接入母线相连，永磁直驱风力发电机的容量为30kW，输出线电压有效值为196V，公共接入母线的线电压有效值为196V。在每台等值永磁直驱风力发电机的控制系统中，机侧换流器控制策略采用d轴-最大转矩/电流比控制，q轴-最小定子电流方式，实现最大功率点跟踪控制。网侧换流器采用Vdc-Q控制，保证与电网交互无功功率的同时，维持电容直流电压恒定，其中并联电容端电压Vdc的参考值设为500V，无功功率参考值设为0Var。第一永磁直驱风力发电机G1和第五永磁直驱风力发电机G5的启动转矩设为2100N·m，第二永磁直驱风力发电机G2和第四永磁直驱风力发电机G4的启动转矩设为2000N·m，第三永磁直驱风力发电机G3的启动转矩设为1900N·m，五台等值永磁直驱风力发电机的其他结构参数均相同。

本实施例中设有第一换流器U1、第二换流器U2、第三换流器U3、第四换流器U4及第五换流器U5，各换流器的网侧与永磁直驱风力发电机连接，机侧与滤波电路连接。进而，滤波电路包括电阻、电抗器和电容；其中，电阻的一端与换流器的机侧连接，另一端与电抗器的第一端连接；电抗器的第二端与电容的第一端、公共接入点连接，电容的第二端接地。本实施例中，风机子系统1设有第一电阻R1、第一电抗器L1和第一电容C1；风机子系统2设有第二电阻R2、第二电抗器L2和第二电容C2；风机子系统3设有第三电阻R3、第三电抗器L3和第三电容C3；风机子系统4设有第四电阻R4、第四电抗器L4和第四电容C4；风机子系统5设有第五电阻R5、第五电抗器L5和第五电容C5。

整个算例在基于FPGA的风电场实时仿真器上进行仿真，实时仿真器的仿真步长设为3μs。仿真场景设置为2s时第一永磁直驱风力发电机G1和第四永磁直驱风力发电机G4的风速从9.5m/s增加到10.7m/s，第二永磁直驱风力发电机G2、第三永磁直驱风力发电机G3和第五永磁直驱风力发电机G5的风速从9.7m/s增加到10.5m/s。该测试算例消耗了FPGA约89％的逻辑资源、57％的DSP计算资源、65％的存储器资源以及1个PLL。

基于FPGA的风电场实时仿真器与商业软件PSCAD/EMTDC的仿真结果对比如图3至图9所示，PSCAD/EMTDC也采用3μs仿真步长。从图3至图9中可以看出，两个仿真系统求解出的仿真结果基本一致，从而验证了本发明提出的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法的正确性。

本发明实施例提供的一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法及装置，通过将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数；读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号；根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。本发明能有效解决现有技术数据交互延迟时间过长将会影响实时仿真器的仿真精度和仿真速度的问题，提供了一种能够满足实时仿真器电气系统与控制系统之间大量数据高速稳定交互的内部接口设计，并通过考虑风电场实时仿真器内部数据交互的需求和自身硬件资源，发挥了FPGA内部的资源优势和硬件并行设计的技术优势，在保证仿真器内部交互接口稳定性的同时，实现了实时仿真器内部数据交互的正确性和高效性，为基于FPGA的大规模风电场的实时仿真奠定了基础。

实施例二

参见图10，是本发明实施例二提供的一种风电场实时仿真器内部交互接口控制装置的结构示意图，包括：

参数下载模块201，用于将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数；

数据读取模块202，用于读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；

电气系统仿真模块203，用于根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；

控制系统仿真模块204，用于根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号；

仿真结束校验模块205，用于根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。

优选的，所述参数下载模块201包括：

子系统划分单元，用于根据所述待仿真风电场的拓扑连接关系和所述风电场实时仿真器的FPGA的仿真计算资源，将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统；

电气系统节点电导矩阵生成单元，用于读取各所述子系统的所述电气元件基本参数，生成所述电气系统的节点电导矩阵；

控制系统计算矩阵生成单元，用于读取各所述子系统的所述风机模型的控制参数，生成所述控制系统的计算矩阵；

数据下载单元，用于将预先获取到的各所述子系统的风机运行参数信息、所述电气系统的节点电导矩阵及所述控制系统的计算矩阵下载至所述FPGA中；其中，所述风机运行参数信息包括风机的启动转矩参数及风速参数。

优选的，所述风电场实时仿真器内部交互接口控制装置包括：

参数设置单元，用于设置所述风电场实时仿真器的仿真步长、仿真时段、时钟周期及仿真终止时刻。

优选的，所述数据读取模块202还包括：

第一交互电气量读取单元，用于所述控制系统在每个预设的时钟周期内读取上一个预设的仿真步长中计算得到的所有第一交互电气量；

第一交互控制量读取单元，用于所述电气系统在每个预设的仿真时段内依次读取上一个所述仿真步长中计算得到的所有第一交互控制量。

优选的，所述电气系统仿真模块203和所述控制系统仿真模块204包括：

历史项电流源计算单元，用于计算各所述子系统所有电气元件的历史项电流源，并根据所述历史项电流源，得到各所述子系统的历史项电流源列向量；

节点电压列向量单元，用于根据所述历史项电流源列向量，计算各所述子系统的节点电压列向量；

支路电压电流更新单元，用于根据各所述子系统的节点电压列向量，更新支路电压与支路电流。

优选的，所述仿真结束校验模块205包括：

电气系统计算结束信号生成单元，用于当所述电气系统的仿真求解结束时，生成电气系统计算结束信号；

控制系统计算结束信号生成单元，用于当所述控制系统的仿真求解结束时，生成控制系统计算结束信号；

仿真结束校验单元，用于检测所述电气系统计算结束信号、所述控制系统计算结束信号、所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号是否同时为高电平；若是，则确定完成当前所述仿真步长的仿真结束校验；若否，则等待至当前所述仿真步长的仿真结束。

优选的，所述风电场实时仿真器内部交互接口控制装置还包括：

仿真时间判断单元，用于当完成当前所述仿真步长的仿真结束校验时，判断当前时刻是否超过预设的仿真时间；若所述当前时刻未超过所述仿真时间，则待机至所述仿真时间；其中，所述仿真时间为在当前所述仿真步长的仿真结束时对应的时刻；

仿真终止时刻判断单元，用于若所述当前时刻超过所述仿真时间，则判断所述当前时刻是否达到所述仿真终止时刻；若是，则确认仿真结束；若否，则将所述仿真时间推进一个所述仿真步长，进而重新读取各所述子系统在上一个所述仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量，直至所述当前时刻达到所述仿真终止时刻。

本实施例二提供的所述风电场实时仿真器内部交互接口控制装置用于执行上述实施例一任意一项所述风电场实时仿真器内部交互接口控制方法的步骤，两者的工作原理和有益效果一一对应，因而不再赘述。

本发明实施例三提供的一种风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备。该实施例的风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如风电场实时仿真器内部交互接口控制程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个风电场实时仿真器内部交互接口控制方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S103。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如电气系统仿真模块203。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备中的执行过程。

所述风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备的示例，并不构成对风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，其特征在于，包括：

将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数；

读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；

根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；

根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号；

根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。

2.如权利要求1所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，其特征在于，所述将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中，具体包括：

根据所述待仿真风电场的拓扑连接关系和所述风电场实时仿真器的FPGA的仿真计算资源，将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统；

读取各所述子系统的所述电气元件基本参数，生成所述电气系统的节点电导矩阵；

读取各所述子系统的所述风机模型的控制参数，生成所述控制系统的计算矩阵；

将预先获取到的各所述子系统的风机运行参数信息、所述电气系统的节点电导矩阵及所述控制系统的计算矩阵下载至所述FPGA中；其中，所述风机运行参数信息包括风机的启动转矩参数及风速参数。

3.如权利要求1所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，其特征在于，在读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量之前，还包括：

设置所述风电场实时仿真器的仿真步长、仿真时段、时钟周期及仿真终止时刻。

4.如权利要求1所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，其特征在于，所述读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量，具体包括：

所述控制系统在每个预设的时钟周期内读取上一个预设的仿真步长中计算得到的所有第一交互电气量；

所述电气系统在每个预设的仿真时段内依次读取上一个所述仿真步长中计算得到的所有第一交互控制量。

5.如权利要求1所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，其特征在于，通过如下步骤采用流水线结构求解所述控制系统和所述电气系统：

计算各所述子系统所有电气元件的历史项电流源，并根据所述历史项电流源，得到各所述子系统的历史项电流源列向量；

根据所述历史项电流源列向量，计算各所述子系统的节点电压列向量；

根据各所述子系统的节点电压列向量，更新支路电压与支路电流。

6.如权利要求1所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，其特征在于，所述根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验，还包括：

当所述电气系统的仿真求解结束时，生成电气系统计算结束信号；

当所述控制系统的仿真求解结束时，生成控制系统计算结束信号；

检测所述电气系统计算结束信号、所述控制系统计算结束信号、所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号是否同时为高电平；若是，则确定完成当前所述仿真步长的仿真结束校验；若否，则等待至当前所述仿真步长的仿真结束。

7.如权利要求3和6所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法，其特征在于，在所述根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验之后，还包括：

当完成当前所述仿真步长的仿真结束校验时，判断当前时刻是否超过预设的仿真时间；若所述当前时刻未超过所述仿真时间，则待机至所述仿真时间；其中，所述仿真时间为在当前所述仿真步长的仿真结束时对应的时刻；

若所述当前时刻超过所述仿真时间，则判断所述当前时刻是否达到所述仿真终止时刻；若是，则确认仿真结束；若否，则将所述仿真时间推进一个所述仿真步长，进而重新读取各所述子系统在上一个所述仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量，直至所述当前时刻达到所述仿真终止时刻。

8.一种风电场实时仿真器内部交互接口控制装置，其特征在于，包括：

参数下载模块，用于将待仿真风电场划分为N个包含控制系统和电气系统的子系统，获取各所述子系统的基本参数信息，并将所述基本参数信息对应的计算模型和风机运行参数信息下载至风电场实时仿真器的FPGA中；其中，N为大于1的正整数，所述基本参数信息包括电气元件基本参数及风机模型控制参数；

数据读取模块，用于读取各所述子系统在上一个预设的仿真步长中计算得到的第一交互电气量和第一交互控制量；

电气系统仿真模块，用于根据所述第一交互控制量，采用所述风电场实时仿真器对所述电气系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互电气量，并将各所述子系统的所有所述第二交互电气量发送至电气量交互接口，生成电气量交互结束信号；

控制系统仿真模块，用于根据所述第一交互电气量，采用所述风电场实时仿真器对所述控制系统进行当前所述仿真步长的仿真求解，得到第二交互控制量，并将各所述子系统的所有所述第二交互控制量发送至控制量交互接口，生成控制量交互结束信号；

仿真结束校验模块，用于根据所述电气量交互结束信号和所述控制量交互结束信号，对所述风电场实时仿真器进行当前所述仿真步长的仿真结束校验。

9.一种风电场实时仿真器内部交互接口控制终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任意一项所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的风电场实时仿真器内部交互接口控制方法。

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