CN111460648B - 一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，包括以下步骤：步骤S1:根据电网中不同模块间的仿真速率要求的不同，将电网划分为大仿真步长子网和小仿真步长子网;步骤S2：将大仿真步长子网在Linux服务器上仿真，而小仿真步长子网在FPGA上仿真，通过服务器和FPGA间的数据交互，实现粗粒度并行的大小步长异构计算；步骤S3:在FPGA内部使用细粒度并行的设计，优化小步长子网仿真速率;步骤S4:设计符合条件的光纤通信方案、实时数据交互方案、接口硬件设计方案和通信协议帧,实现电力系统电磁暂态实时仿真数据通信。本发明实现了大电网电磁暂态实时仿真中大、小步长仿真系统之间的高速数据交互，有效保证计算与通信的稳定性与实时性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统电磁暂态仿真领域，具体涉及一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法。
背景技术
设计基于 FPGA 的完整的电磁暂态仿真数据通信方案具有一些共性的挑战。由于每一种计算需要被划定到某个特定的硬件计算模块，各个模块并行工作。因此，在复杂的算法中，要找到内部的并行性，分别设计独立模块并通过互联模块交互数据并不容易，数据相关性问题使得算法并行有一定的困难。
目前基于 FPGA 进行电磁暂态仿真及相关通信方案研究已有很多，有的实时性比较好，但只针对单个器件进行仿真，远远无法支持大规模电网的仿真。有的受限于板间通信与数据同步问题而实时性较差。无法有效保证计算与通信的稳定性与实时性，已经达到了性能极限，无法通过系统优化大幅提升平台性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，解决了传统方案无法支持大规模电网的实时仿真需求的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，包括以下步骤：
步骤S1:根据电网中不同模块间的仿真速率要求的不同，将电网划分为大仿真步长子网和小仿真步长子网;
步骤S2：将大仿真步长子网在Linux服务器上仿真，而小仿真步长子网在FPGA上仿真，通过服务器和FPGA间的数据交互，实现粗粒度并行的大小步长异构计算；
步骤S3:在FPGA内部使用细粒度并行的设计，优化小步长子网仿真速率;
步骤S4:设计符合条件的光纤通信方案、实时数据交互方案、接口硬件设计方案和通信协议帧,实现电力系统电磁暂态实时仿真数据通信。
进一步的，所述步骤S2数据交互硬件结构具体为，Linux服务器连接PCI转光纤接口后通过光纤连接FPGA；所述FPGA通过光纤连接物理装置接口。
进一步的，所述光纤通信方案采用采用基于SFP和FPGA的高速串行通道GTH实现数据通信。
进一步的，所述FPGA的内置GTP/GTH通道将上层发来的数据进行编码、串并转换、预加重等操作后，变成一路串行信号通过板级布线发送给光电装换模块SFP，SFP将其转换成光信号发送出去，接收通路则反之。
进一步的，所述FPGA在链路层选用Xilinx提供的Aurora通信协议IP来实现链路层的数据通信。
进一步的，所述实时数据交互方案具体为：
(1)设大、小步长仿真系统实时交互周期为N个小步长仿真周期为例，大步长服务器需要在每N个周期中的第N-2个小步长周期结束之前，将仿真实时激励信号发送至小步长;
(2)小步长将收到的数据进行缓存，并在第N-1个小步长周期的固定时间段将数据放在总线上，之后UD,LC,CIS,CVS等元件利用接收到的新值进行下一步的仿真计算。
（3）在第N个周期，小步长通过总线提取传输线的接口电压值以及其他元件的仿真参数，接口模块总线读取到的数据进行组帧并发送给大步长服务器。
进一步的，所述总线时序安排具体为：
（1）对于大小步长数据接收流程，在KLOOP=24之前，大小步长模块已经接收到传输线元件的输入电流SUB4_LCU和新的UD控制信号，在通信接口模块中被存入FIFO中，在每个小步长的1-130个周期之间才会被读出来，发出写总线命令
（2）对于小步长数据发送流程，小步长发送给大步长最新的传输线元件LC的接口电压BUSU，以及其他元件的仿真SimValue，需要读总线，总线的0-20个周期是用来读LC元件的BUSU, 仿真元件区的SimValue是从第73个周期读，是因为第72个周期所有的元件更新计算完成，此时开始可以读到最新的元件更新状态值；
（3）总线的169-250个周期用于每个周期都需要读总线的AO/DO物理接口模块。
进一步的，所述Aurora协议的时钟和系统的时钟在不同的时钟域，采用异步FIFO的方式实现协议数据的跨时钟域传输。
进一步的，所述接口硬件设计方案具体为：通信接口模块在接收到大步长传输来的数据后，Aurora module将接受到的数据放在接口上，rx_fifo_interface模块将数据读取并存入rx_fifo中，frame_recv模块当发现FIFO非空时，提取数据，同时进行协议的解析，去掉协议头，生成相应的读总线或者写总线的的命令；由于frame_recv模块发送总线读写命令时可能总线被占用，bus_conflict_control在发生总线冲突时将数据进行缓存，然后再属于通信接口模块的总线时间内将数据发送总线接口模块。
进一步的，所述通信协议帧具体为：在初始化阶段和实时交互阶段通用，支持双精度浮点数和整形数的传输，同时设置了若干个数据段Data字段，用于传输一些个数较少的元件的若干个参数，并利用CRC校验进行通信数据的验证，当发现数据传输错误时，根据协议帧编号进行重传。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明实现了大电网电磁暂态实时仿真中大、小步长仿真系统之间的高速数据交互，有效保证计算与通信的稳定性与实时性；
2、本发明解决了传统方案无法支持大规模电网的实时仿真需求的问题。
3、本发明将仿真速率要求不高的电路网络实现在服务器上，减小了系统对FPGA计算资源的消耗。
附图说明
图1是本发明一实施例中光纤通信接口示意图；
图2是本发明一实施例中Aurora 协议结构示意图；
图3是本发明一实施例中 联合仿真通信方案示意图；
图4是本发明一实施例中总线时序设计示意图；
图5是本发明一实施例中通信接口模块结构图；
图6是本发明一实施例中vsc1_new_PWM+STATCOM_Con_BRK算例拓扑；
图7是本发明一实施例中无功补偿器侧母线Bus-490的三相瞬时电压；
图8是本发明一实施例中换流器侧母线Bus-493的三相瞬时电压；
图9是本发明一实施例中直流侧开关SinglePhaseBreaker-569的i侧瞬时电流；
图10是本发明一实施例中算例4.1 小步长仿真平台仿真结果；
图11是本发明一实施例中代码覆盖率；
图12是本发明一实施例中三相桥式PWM无功补偿电路；
图13是本发明一实施例中小步长仿真FPGA板卡；
图14是本发明一实施例中物理接口装置；
图15是本发明一实施例中实时仿真中的三相交流电压；
图16是本发明一实施例中实时仿真中的换流器阀电压波形。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，包括以下步骤：
步骤S1:根据电网中不同模块间的仿真速率要求的不同，将电网划分为大仿真步长子网和小仿真步长子网;
步骤S2：将大仿真步长子网在Linux服务器上仿真，而小仿真步长子网在FPGA上仿真，通过服务器和FPGA间的数据交互，实现粗粒度并行的大小步长异构计算；
步骤S3:在FPGA内部使用细粒度并行的设计，优化小步长子网仿真速率;
步骤S4:设计符合条件的光纤通信方案、实时数据交互方案、接口硬件设计方案和通信协议帧,实现电力系统电磁暂态实时仿真数据通信。
本实施例中，采用基于SFP和FPGA的高速串行通道GTH实现数据通信方案。小步长仿真系统通过光纤通讯与大步长系统交互数据、与外部实际控制装置交互信息，其硬件结构组成如图1所示
本实施例中，基于GTP设计的整个FPGA系统通信的数据物理通路为：FPGA的内置GTP/GTH通道将上层发来的数据进行编码、串并转换、预加重等操作后，变成一路串行信号通过板级布线发送给光电装换模块SFP，SFP将其转换成光信号发送出去，接收通路则反之。
整个系统的通信方案如图2所示，本文在链路层选用Xilinx提供的Aurora通信协议IP来实现链路层的数据通信。Aurora是Xilinx开放的精简、高效的链路层协议，协议通过一个或多个高速串行通道完成数据的点对点传输。协议将物理层进行封装，为上层协议提供了便捷的操作接口，并将物理层链路状态信息发送给上层。Aurora是由于其灵活性和开放性，非常适合用来实现大电网电磁暂态实时仿真中的端到端数据通信。
在本实施例中，由于大小步长同时进行实时仿真，需要确定两者实时交互的时序安排。如图3所示。蓝色框表示小步长相应大步长发送来的实时数据，红色框表示小步长系统提取当前的仿真数据返回给大步长系统的操作。
如图3以大、小步长仿真系统实时交互周期为25个小步长仿真周期为例，大步长服务器需要在每25个周期中的第23个小步长周期结束之前，将仿真实时激励信号发送至小步长。小步长将收到的数据进行缓存，并在第24个小步长周期的固定时间段将数据放在总线上，之后UD,LC,CIS,CVS等元件利用接收到的新值进行下一步的仿真计算。
同时，在第25个周期，小步长通过总线提取传输线的接口电压值以及其他元件的仿真参数，接口模块总线读取到的数据进行组帧并发送给大步长服务器。
另外，由于大步长通信接口模块以及物理接口通信模块都需要读、写总线，所以需要对总线进行时序安排。
如图4所示，首先对于大小步长数据接收流程，在KLOOP=24之前，大小步长模块已经接收到传输线元件的输入电流SUB4_LCU和新的UD控制信号，它们在通信接口模块中被存入FIFO中，在每个小步长的1-130个周期之间才会被读出来，发出写总线命令。
而对于小步长数据发送流程，小步长发送给大步长最新的传输线元件LC的接口电压BUSU，以及其他元件的仿真SimValue，需要读总线，但是本类型读总线的过程只发生在交互周期（每隔25个小步长），所以，总线的0-20个周期是用来读LC元件的BUSU, 仿真元件区的SimValue是从第73个周期读，是因为第72个周期所有的元件更新计算完成，此时开始可以读到最新的元件更新状态值。
总线的169-250个周期是留给每个周期都需要读总线的AO/DO物理接口模块。
在本实施例中，通信接口模块的功能主要包括初始化数据解析和实时数据交互两大部分。在Aurora协议IP的基础上，还需要考虑异步通信的问题，Aurora协议的时钟和系统的时钟在不同的时钟域，采用异步FIFO的方式实现协议数据的跨时钟域传输，具体的结构如图5所示。
光纤通信建立起来后，通信接口模块在接收到大步长传输来的数据后，Auroramodule将接受到的数据放在接口上，rx_fifo_interface模块将数据读取并存入rx_fifo中，frame_recv模块当发现FIFO非空时，提取数据，同时进行协议的解析，去掉协议头，生成相应的读总线或者写总线的的命令。由于frame_recv模块发送总线读写命令时可能总线被占用，bus_conflict_control在发生总线冲突时将数据进行缓存，然后再属于通信接口模块的总线时间内将数据发送总线接口模块。
通信接口的数据发送流程为：在到达每个大小步长交互周期时，frame_send_ctrl模块通过总线读取要发送的数据，控制frame_send模块组帧并将数据发送出去。
在本实施例中，通信协议帧设计具体为，大步长服务器与小步长仿真平台的通信包括初始化数据通信和实时数据交互通信两个方面，统一的数据帧格式如表1-1所示。
表 1-1通信帧设计
其中，帧头的格式说明如表1-2，每一段Data域的具体格式见表1-3 。
由于电磁暂态实时仿真服务器端是通过PCI转SFP光纤通信的，一帧数据的最大长度为2KB。上面的帧结构是一个标准化的帧结构，在初始化阶段和实时交互阶段通用，支持双精度浮点数和整形数的传输，同时设置了多个数据段Data字段，便于传输一些个数较少的元件的多个参数，从而不需要发送新的帧，提高了通信的效率。利用CRC校验进行通信数据的验证，当发现数据传输错误时，根据协议帧编号进行重传。
表 1-2 帧头格式说明
表 1-3 Data域的数据格式说明
实施例1：
本实施例中，针对vsc1_new_PWM_STATCOM_Con_BRK算例，提供提高电压型三相桥式PWM电路结构图6如下所示，采用IGBT作为开关器件，可以看成由三个半桥逆变电路组成。其基本工作方式是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。在任一瞬间，有三个桥臂同时导通。交流电网使用一个含有内阻的无穷大电源替代，变压器采用了YnY接线。直流侧采用直流电压源进行稳定电压。
在电磁暂时实时仿真平台中建立电压型三相桥式PWM逆变电路的电磁暂态测试算例，
直流侧电容C1、C2为1000μF，直流电压为±1V；交流侧三相对称负载参数为RA=RB=RC=1Ω，LA=LB=LC=0.01H。
全桥逆变电路的控制器选用传统控制器，调制比选择0.8，频率50Hz。
在0.3秒发生直流侧故障，无功补偿装置响应故障，0.4秒故障消除，无功补偿装置恢复直流侧电压。
使用软件对该算例进行仿真，对无功补偿器侧母线Bus-490的三相瞬时电压、环流器侧母线Bus-493的三相瞬时电压、直流侧开关SinglePhaseBreaker-569的i侧瞬时电流进行采样，结果波形如下图7-图10所示。
本实施例，采用小步长开关模型进行三相桥式PWM无功补偿电路的仿真，仿真系统输出的三相交流电压和换流阀电压波形较为平稳，在0.3s时开关动作后的电路仿真波形符合相关电路特性，仿真结果充分证明了小步长开关模型在电磁暂态实时仿真平台上得到了较好的实现。
仿真该算例时使用ModelSim软件测试整个电磁暂态实时仿真平台的代码覆盖率，如图11所示。该算例中的所有igbt开关都通过ud控制模块进行控制，故ud的代码覆盖力较高，其他模块如sla由于使用的数量较少，故相应模块的代码覆盖率较低。
实施例2：
本实施例中，与外部物理装置的IO接口的测试电路（vsc1_new_PWM_STATCOM_Con_BRK_Phy）；提供三相桥式PWM无功补偿电路结构图13如所示，采用IGBT作为开关器件。交流电网使用一个含有内阻的无穷大电源替代，变压器采用了YnY接线。直流侧采用直流电压源进行稳定电压。
在电磁暂态实时仿真平台中建立上述算例的电磁暂态模型。右侧电源为带内阻的1KV三相交流电压源，左侧为的三相交流受控电流源。
采用了6个IGBT开关组成换流器电路，三相对称RLC等效负载的电阻值和电感值均为0.01 p.u。
开关SinglePhaseBreaker-10、SinglePhaseBreaker-17、SinglePhaseBreaker-19初始状态断开，在仿真时间100s后动作。
同时将母线BUS-493的三相电压电流都作为AO输出，输出到NI控制装置进行IGBT的控制，并将控制信号通过DI接口发送给基于FPGA的元件级硬件并行实时仿真加速平台进行开关的控制，实现母线电压的稳定。
参考图15和图16，可以看出，电磁暂态实时仿真平台与NI控制装置进行三相桥式PWM无功补偿电路控制闭环的仿真，仿真系统输出的三相交流电压和换流阀电压波形较为平稳，符合相关电路特性，仿真结果充分证明了电磁暂态实时仿真的AO和DI功能得到了较好的实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:根据电网中不同模块间的仿真速率要求的不同，将电网划分为大仿真步长子网和小仿真步长子网；
步骤S2：将大仿真步长子网在Linux服务器上仿真，而小仿真步长子网在FPGA上仿真，通过服务器和FPGA间的数据交互，实现粗粒度并行的大小步长异构计算；
步骤S3:在FPGA内部使用细粒度并行的设计，优化小步长子网仿真速率；
步骤S4:设计符合条件的光纤通信方案、实时数据交互方案、接口硬件设计方案和通信协议帧,实现电力系统电磁暂态实时仿真数据通信；
所述实时数据交互方案具体为：
(1)设大、小步长仿真系统实时交互周期为N个小步长仿真周期为例，大步长服务器需要在每N个周期中的第N-2个小步长周期结束之前，将仿真实时激励信号发送至小步长；
(2)小步长将收到的数据进行缓存，并在第N-1个小步长周期的固定时间段将数据放在总线上，之后UD,LC,CIS,CVS元件利用接收到的新值进行下一步的仿真计算；
(3)在第N个周期，小步长通过总线提取传输线的接口电压值以及其他元件的仿真参数，接口模块总线读取到的数据进行组帧并发送给大步长服务器；
所述总线时序安排具体为：
(1)对于大小步长数据接收流程，在KLOOP＝24之前，大小步长模块已经接收到传输线元件的输入电流SUB4_LCU和新的UD控制信号，在通信接口模块中被存入FIFO中，在每个小步长的1-130个周期之间才会被读出来，发出写总线命令；
(2)对于小步长数据发送流程，小步长发送给大步长最新的传输线元件LC的接口电压BUSU，以及其他元件的仿真SimValue，需要读总线，总线的0-20个周期是用来读LC元件的BUSU,仿真元件区的SimValue是从第73个周期读，是因为第72个周期所有的元件更新计算完成，此时开始读到最新的元件更新状态值；
(3)总线的169-250个周期用于每个周期都需要读总线的AO/DO物理接口模块。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于：所述步骤S2数据交互硬件结构具体为，Linux服务器连接PCI转光纤接口后通过光纤连接FPGA；所述FPGA通过光纤连接物理装置接口。
3.根据权利要求1所述的一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于：所述光纤通信方案采用基于SFP和FPGA的高速串行通道GTH实现数据通信。
4.根据权利要求1所述的一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于：所述FPGA的内置GTP/GTH通道将上层发来的数据进行编码、串并转换、预加重操作后，变成一路串行信号通过板级布线发送给光电装换模块SFP，SFP将其转换成光信号发送出去，接收通路则反之。
5.根据权利要求4所述的一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于：所述FPGA在链路层选用Xilinx提供的Aurora通信协议IP来实现链路层的数据通信。
6.根据权利要求5所述的一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于，所述Aurora通信协议的时钟和系统的时钟在不同的时钟域，采用异步FIFO的方式实现协议数据的跨时钟域传输。
7.根据权利要求1所述的一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于，所述接口硬件设计方案具体为：通信接口模块在接收到大步长传输来的数据后，Auroramodule将接收 到的数据放在接口上，rx_fifo_interface模块将数据读取并存入rx_fifo中，frame_recv模块当发现FIFO非空时，提取数据，同时进行协议的解析，去掉协议头，生成相应的读总线或者写总线的命令；由于frame_recv模块发送总线读写命令时总线被占用，bus_conflict_control在发生总线冲突时将数据进行缓存，然后在 属于通信接口模块的总线时间内将数据发送总线接口模块。
8.根据权利要求1所述的一种电力系统电磁暂态实时仿真数据通信方法，其特征在于，所述通信协议帧具体为：在初始化阶段和实时交互阶段通用，支持双精度浮点数和整形数的传输，同时设置了若干个数据段Data字段，用于传输一些预设个数的元件的若干个参数，并利用CRC校验进行通信数据的验证，当发现数据传输错误时，根据协议帧编号进行重传。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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