基于FPGA的分布式发电系统混合步长实时仿真算法

对于含大量电力电子设备的电力系统,传统的电磁暂态实时仿真器难以实现小步长仿真,针对该问题,采用了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)和CPU的电力系统混合步长实时仿真方法,搭建了电力系统暂态实时仿真器。以光伏发电系统为例,利用模型分割方法将系统分割为大步长部分与小步长部分,通过以太网实现FPGA与CPU异步通信,形成大步长—小步长混合步长联合仿真平台。针对模型分割后系统数据交互产生的误差问题,提出了一种脉冲等效平均化方法来对逆变器交流侧输出电压进行等效,以此降低误差和FPGA硬件资源占用率。最后,将实时仿真结果与Simulink离线模型和优化前的模型仿真结果比较,验证了在保证仿真精度的前提下,该方法在降低资源占用率方面具有一定的优势。     

中压直流综合电力系统建模与实时仿真实现方法

舰船中压直流综合电力系统包含大量特种电机和电力电子设备,其模型阶数高、非线性强,电磁暂态仿真计算量大。文章以典型中压直流综合电力系统为对象,首先,介绍了多相发电机整流系统、多相推进电机及其变频器、隔离型DC/DC变流器等组成设备的模型,构建了全系统电磁暂态实时仿真模型。其次,以开关分布平均化和节点数最少为优化目标,提出一种基于元件的启发式系统剖分方法,提高了系统优化剖分计算效率,在消耗较少计算资源的情况下,实现了系统高精度实时仿真。最后,物理试验验证了仿真模型的准确性,并通过对比分析,验证了所提出剖分方法的高效性。     

集成排序网络的模块化多电平换流器实时仿真模型

为实现模块化多电平换流器(modularmultilevel converter,MMC)的实时仿真,提出一种基于电力系统实时数字仿真器(real time digital simulation,RTDS)的高效MMC实时仿真模型,并应用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)开发实现。模型使用流水线技术进行MMC桥臂阀组的等值计算,采用双调排序网络实现电容电压快速均压控制,避免大量子模块电容电压和触发控制信号的实时吞吐。基于此模型搭建单端201电平仿真系统,与PSCAD/EMTDC模型进行了仿真对比测试,并对比分析不同流水线个数和电平数下FPGA资源占用情况和时间性能。结果表明,该模型具备较高的集成度和仿真精度,使用单个ML605开发板即可实现高达501电平单端MMC的实时仿真,适用于构建大规模MMC直流电网实时仿真平台。     

基于RTDS的电力系统实时仿真

随着我国电力系统建设的迅速发展,传统的非实时仿真技术越来越难以满足电力系统规划和设计的需要.采用实时仿真工具对电力系统进行实时仿真势在必行.基于高速处理器的实时仿真器(RTDS)的出现,满足了对电力系统进行实时仿真的需要.介绍了RTDS的结构和特点,然后在RTDS环境下建立了一个典型电力系统的模型.并就此模型进行了实时仿真分析.仿真结果表明,RTDS可以实现对电力系统的实时仿真.     

基于FPGA的变流器并行多速率电磁暂态实时仿真方法

随着电力电子器件越来越多地融入现代电力系统,对微秒级步长实时化电磁暂态仿真的需求不断增加,通过现场可编程门阵列（FPGA）提高仿真系统的计算能力是实现变流器实时化仿真的重要途径。引入FPGA作为硬件加速设备优化仿真系统的实时性能,提出一种变流器多速率实时仿真方法。针对控制系统多速率解耦和并行计算时序产生的误差进行分析,采用结合拉格朗日插值的改进线性插值算法有效降低了控制系统解耦后多速率并行仿真时序下的延迟误差。仿真结果证明,所提出的仿真方法与无插值算法的并行计算相比精度更高。性能分析验证了基于该算法所建立的仿真平台相比于单独基于中央处理器（CPU）或FPGA实现的仿真平台,在实时性能和资源占用率方面具有一定优势。     

基于分层次DBSCAN-VBSO算法的区域综合能源系统两阶段调度优化

构建了一种面向园区级区域综合能源系统的日前-实时两阶段经济性调度优化模型。建立了综合考虑系统各类运行成本的日前经济性调度模型;在日前调度基础上通过修正各个微源机组、储能的运行状态并考虑柔性负荷的需求响应,构建了实时调度优化模型;为求解上述调度优化模型,提出了一种分层次密度聚类的变异头脑风暴优化(DBSCAN-VBSO)算法,通过保持种群多样性以增强算法的优化性能和计算效率;对综合能源系统两阶段调度模型和求解算法进行仿真计算。算例结果表明:采用两阶段调度优化模型能够有效提高可再生能源利用率,降低系统运行成本。并且算例结果验证了分层次DBSCAN-VBSO算法在求解此类优化问题时的有效性和优越性。     

基于现场可编程门阵列的分布式发电系统实时仿真相关问题研究

分布式发电系统在用户侧的大规模广泛接入对配电网的运行、控制与保护带来了革命性的影响与挑战,其暂态仿真和实时仿真的重要性日益凸显,其中实时仿真可借助现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)强大的硬件计算能力。提出并实现了基于FPGA的电气和控制系统异步通讯数据交互方法,缩短了实时仿真的计算步长;在交流源模块中,实现了基于FPGA的数值计算插值方法,在不增加较多计算资源的同时放宽了实时仿真的步长选择。通过搭建光蓄混合发电系统算例对实时仿真器进行验证,电气和控制系统的仿真步长分别为1.096?s以及1.696?s,通过与PSCAD/EMTDC的仿真结果比较,验证了设计方法的计算精度。     

面向灵活资源配置的电力系统超短期优化调度

大规模新能源的并网,导致电力系统的波动性增加,产生较为严重的调峰和爬坡问题。为了研究面向灵活资源的配置如何在超短期优化调度中进行灵活资源的使用以满足系统调峰、爬坡的要求,首先提出超短期时段内的灵活资源运行模型和电力系统优化调度模型;其次,为考虑电力系统灵活性不足时需增加灵活资源的数量,提出灵活资源配置模型,并给出面向灵活资源配置的超短期优化调度流程;最后通过某省实际算例,对灵活资源两种情形的超短期优化调度进行仿真分析,证明了所提方法的有效性。     

基于无损传输线理论的特高压线路稳态过电压装置需求判别

利用无损传输线理论建立了特高压线路空充时沿线电压分布公式,综合考虑了特高压线路参数和甩空侧高抗配置,得到了不同合空侧电压下特高压线路的极限长度。在合空侧电压相同情况下,若特高压线路实际长度超过极限长度,则必须配置稳态过电压装置,避免特高压线路空充时沿线电压超过1 100 kV。该方法克服了现有判断方法完全依赖电力系统模拟软件进行大量繁琐仿真的问题,用PSD-BPA电力系统仿真软件的计算结果表明,该方法计算结果准确可靠,具有较高的应用价值。     

基于RTDS和FPGA联合仿真平台的多速率实时仿真方法

为实现含分布式电源的电力系统实时仿真,研究了一种基于实时数字仿真器(RTDS)和现场可编程门阵列(FPGA)联合仿真平台的多速率实时仿真方法。采用局部延迟插入方法分解电力系统网络,并利用拟合法和外插法实施并行多速率接口电气量交互。为减小通信延时对仿真精度的影响,提出了一种FPGA数据发送适当早于RTDS数据发送的接口电气量异步交互方法。在RTDS和FPGA联合仿真平台上以50μs/1μs混合仿真步长实时仿真了一个含2个光伏发电的IEEE 5节点电力系统,并与PSCAD平台下的仿真数据进行对比,验证了所提联合仿真平台的可行性和实时仿真方法的准确性。     

基于边云协同的产消者群合作式博弈优化调度方法

高渗透率的分布式电源接入负荷侧以后,配电网的结构形态和运行形态将发生重大改变。在此背景下,研究边缘计算-云计算协同（简称“边云协同”）框架下的新型电力系统调度方式和优化模型。采用合作式博弈作为边云协同交互优化的理论基础,边云两侧分别搭建需求侧灵活性资源调度优化模型和配电网侧考虑网络拓扑约束的出清优化模型。此外,考虑到通信过程中可能出现的丢包现象,建立以边缘服务平台为枢纽的双层闭环控制模型。通过算例仿真验证了交互调度方案和控制模型的经济性与可靠性。     

基于FPGA的有源配电网实时仿真器I/O接口设计

分布式电源、电动汽车及需求侧响应资源的广泛接入使有源配电网动态特性变得更加复杂。对基于实时仿真的有源配电网硬件在环仿真提出了新的需求和挑战。基于FPGA(field programmable gate array)的有源配电网实时仿真器具有仿真步长小、仿真精度高、I/O接口丰富、易于扩展、成本低等优点。面向基于FPGA的有源配电网实时仿真器的多种通信需求,以FPGA自身硬件结构为基础,提出了基于FPGA的有源配电网实时仿真I/O接口的设计框架,并设计了用于接收外部设备模拟信号、具有数字滤波功能的高精度通用A/D接口,用于仿真结果输出的通用D/A接口以及用于实现多FPGA全双工通信的高速光模块接口。同时,针对含光伏发电的有源配电网实现了3μs步长的实时仿真测试,其光照强度信号由光照采集器通过A/D接口输入到仿真器中,仿真结果经由D/A接口输出到示波器显示,通过与PSCAD/EMTDC软件仿真结果的对比,充分验证了I/O接口设计的有效性和正确性。     

电力现货市场环境下电动汽车充换电站的优化调控策略

在构建新型电力系统的战略目标下,电力现货市场不断对电动汽车充换电站等需求侧资源提出新的需求与要求。基于南方电力现货市场系列试点规则,考虑现货电能量、调频辅助服务、多阶段需求响应等交易品种,建立了电动汽车充换电站的调控模型,设计了日前-日内-实时多阶段优化调控策略。日前阶段针对换电需求、调频调用电量和各交易品种价格的不确定性构建鲁棒优化问题,并采用二阶锥规划算法进行求解;日内阶段构建基于模型预测控制的滚动优化环节,实现对需求响应日内邀约的有效响应,同时改善日前调控计划的保守性;实时阶段以调控成本最低为目标,考虑需求响应实时邀约和电价波动,求解电池功率分配策略。仿真算例表明,所提策略可充分发挥充换电站的调节潜力,提升其经济效益。     

基于HCM3000直流控制保护平台新型仿真系统实现与应用

介绍了基于HCM3000直流控制保护平台的新型仿真系统的整体构建,阐述了实时数字仿真器RTLAB的应用和HCM3000直流控制保护平台多种设备的配置。详细论述了仿真系统中直流控制保护系统的优化方法、与实时数字仿真器RTLAB互联的接口设计、仿真系统设备间互联的实现方式。利用工程师工作站采集实时数据对仿真系统进行监控,从而建成了较常规仿真系统结构简单且经济实用的直流输电仿真系统。最后通过在基于实际工程构建的仿真系统上进行试验验证,表明基于HCM3000直流控制保护平台的新型仿真系统能够准确地反映实际的电力系统暂态物理过程,可有效用于常规和柔性直流控制保护策略研究和优化、现场事故分析和决策。     

电力系统数字仿真及其发展

电力系统数字仿真已成为电力系统研究、试验和人员培训的有效工具,文中讨论了系统仿真的定义、分类、特点和阐述了电力系统数字仿真在系统研究、试验和培训中的发展前景。认为改进现有电力系统研究仿真软件,开发用于实时试验和培训仿真器的新软件是今后的主要任务,必须采用面向对象技术,人工智能技术,新的数值计算方法和实时仿真算法新技术。     

面向区块链电力接入网的边缘计算资源分配策略

新型电力系统发展亟需安全高效的电力边缘通信网络支撑。现有工作重点讨论了区块链技术在电力通信网的应用模式,但未考虑区块链引入电力通信网引起的传输性能恶化问题。对此,提出一种面向区块链电力接入网的边缘计算资源分配策略。首先,提出一种基于区块链资源管理架构,以最小化网络时延为目标构建联合虚拟机资源分配与通信资源调度模型;其次,针对优化问题为混合整数非线性规划,提出一种基于广义Benders分解的计算资源优化算法获取问题最优解。仿真算例表明：所提算法在不同用户请求任务需求及计算资源不足时有效削减计算任务处理时延,解决了区块链应用在电力通信网导致通信质量下降的问题。     

基于FPGA实时仿真的光储独立直流微电网协调控制策略

现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)具有数据并行度高、运行频率高等优点,可以满足电力系统微秒级步长的精细化仿真需求,在微电网实时仿真中展现出巨大潜力。为了深入研究光储微网中光伏和储能系统的动态特性,基于FPGA设计了光储独立低压直流微电网实时仿真系统。首先搭建了低压直流微电网实时仿真框架,设计了一系列电气系统典型模块。其次考虑到实时仿真的不同动态需求,搭建了涵盖多种控制策略的光储控制系统模型。然后在此基础上提出了基于直流母线信号(DC bus signaling, DBS)的分层协调控制策略,通过协调光储变换器的控制策略平衡系统能量流动。最后将FPGA实时仿真结果和Simulink软件作对比,一方面验证了FPGA实时仿真器的精确性和可靠性,另一方面也验证了分层协调控制策略可平滑切换工作层区,自主平衡系统功率流动,有效维持直流母线电压稳定。     

反映实时供需互动的Stackelberg博弈模型及其强化学习求解

为充分挖掘供给侧发电机和需求侧柔性负荷的联合优化调度空间,实现分布式自律计算与集中协调的互动框架,满足供需互动快速决策的需求,最大化系统的整体效益,搭建了基于Stackelberg博弈的电力系统实时供需互动模型,并提出了一种全新的深度迁移强化学习(deep transfer reinforcement learning,DTRL)算法。该算法通过对历史优化任务的有效信息进行知识存储,利用深度学习实现高精度的非线性迁移学习,并借助分布式计算优势,可快速获得高质量的最优解。算例仿真表明:DTRL在保证最优解质量的同时,其求解速度可达其他6种对比算法的419倍以上,适合求解大规模电力系统的供需互动快速决策问题。     

电力系统对角加边模型的数据中心求解方法

随着超大规模区域互联电网的发展,智能电子设备和相量测量单元广泛应用,如何实现对所产生的PB级大数据的高速处理成为完成实时(超实时)计算的关键。云计算作为一种新型的互联网计算模式,为实现电力系统大数据分析和复杂电网高效并行计算提供了可能。针对电力系统基本计算单元对角加边模型(block bordered diagonal form,BBDF)和分解协调并行算法,提出一种低能耗数据中心的优化映射和并行计算方法。依据任务间计算耦合性,将分解协调并行算法进行拆分,并提出依据任务计算复杂度的任务到虚拟机偏好绑定放置方法。随后建立以虚拟机的CPU利用率、内存利用率为约束条件,以节能为目标的Bin-Packing模型,求解BBDF分解协调并行计算到数据中心映射的最优配置。通过Cloud Sim平台对IEEE 118节点电网模型和含有538节点和1133节点的大规模电网进行仿真计算。结果表明,应用虚拟机技术的数据中心计算在时间和系统能耗方面都优于传统单机多线程并行计算。IEEE 118节点算例计算时间降低42.32%,随着系统规模增大,1133节点实际电网计算时间降低75.8%。     

电压源换流器闭环控制的实时联合仿真

为解决电压源换流器闭环控制实时仿真中计算效率和仿真精度难以兼顾、计算量大的问题,提出了基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、个人计算机(PC)架构的电力电子实时联合仿真方案。该方案为电力电子系统提供了一个多速率仿真平台。在该平台上,采用连续–离散模型分离法分割电压源换流器模型以及提取参数,采用开关函数法与状态空间法设计浮点型解算器,运用系统快速成型法快速建立仿真系统模型。对三相两电平逆变器闭环控制系统算例进行实时多速率仿真测试,FPGA以500 ns的仿真步长实现逆变器的高速解算,DSP以2μs的步长实现控制部分的低速仿真。结果表明:实时联合仿真比多速率离线仿真提速233倍,比单速率离线仿真提速991倍,且范式误差仅为1%,显著提高了仿真准确度与计算效率;且系统快速成型法采用自动代码生成技术,明显缩短了开发周期。