基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究(一):功能模块实现

随着配电网技术的发展,有源配电网及其数字仿真技术受到越来越多的重视。现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)具有高度硬件并行结构、资源丰富、运行频率高、成本低等优点。面向有源配电网的仿真需求,提出基于FPGA的暂态实时仿真器的计算求解框架,并给出基本无源元件、线路、电源、断路器等多个关键功能模块的硬件实现方式。所提暂态实时仿真方法,充分利用FPGA具有的高度并行特性以及流水线结构,采用浮点数运算保证数值精度,为后续基于FPGA的有源配电网暂态实时仿真系统的进一步开发奠定了基础。     

基于多FPGA的有源配电网实时仿真器并行架构设计

有源配电网实时仿真是研究系统动态特性、模拟实际运行环境、测试保护控制策略的有效手段。文中利用现场可编程门阵列(FPGA)的固有高并行度、深度流水线、分布式存储资源,设计并开发了基于多FPGA的具有多层级并行架构的有源配电网实时仿真器。面向实时仿真器的可扩展性需求,首先采用物理解耦的方法对有源配电网的数学模型进行粗粒度分割,进而将得到的子系统进行细粒度模型分割。在此基础上将分割后的模型映射到对应的FPGA中,通过协调分配硬件资源,形成系统级—单元级—模块级—元件级多层级并行的实时仿真架构。针对含多个光伏发电单元、储能单元的配电网实现了实时仿真,通过与PSCAD/EMTDC结果的比较,验证了提出的多层级并行架构的有效性。     

大容量分布式电源接入配电网仿真研究

分布式电源接入配电网会对原系统中的潮流、损耗、电压及谐波等带来不同程度的影响,轻则电压闪变,重则危及系统的安全稳定运行.为此,对分布式电源接入配网进行仿真建模与分析,在DIgSILENT/Power Factory仿真平台上搭建分布式电源及系统网架仿真模型,分析分布式电源不同接入位置及接入容量对配网在损耗、谐波及故障电...     

基于数据驱动的有源配电网实时调度降损策略

农村配网通常接入有较大容量的小水电等分布式电源,在向上级电网反送电能的过程中造成了大量的线损,因此本文提出了一种实时调度策略旨在降低配电网的线损。首先,考虑分布式电源的有功无功控制以及有载调压分接头的控制,基于支路潮流模型建立了配电网调度降损模型;进一步,通过构造高维随机矩阵,从配电网运行时间序列数据中提取能够表征运行状态的特征作为输入,对配电网历史调节策略进行热编码作为输出;然后利用深度双向长短时记忆网络学习配电网特征与网络降损策略之间的函数映射关系,建立基于数据深度学习驱动的有源配电网实时调度降损模型。最后,基于实际有源配电网系统进行了仿真,仿真结果表明所提出的实时调度算法能在保证小水电上网收益的前提下,优化小水电的出力曲线,提高分布式电能的就地消纳率,从而降低了网损。     

交直流配电网接纳分布式电源的实时仿真研究

含多种分布式电源的交直流混合配电网是未来智能配电网的架构特点。首先,建立了含两个区域的交直流混合配电基本架构,并根据各种分布式电源的容量和发电特性,将光伏电源、直驱风机、双馈风机和储能装置接入配电网的合适区域。然后,详细分析了交直流接口换流器的数学模型及其几种典型控制策略。最后,利用变流器控制方式和运行策略的多样性,对上述交直流混合配电网进行了均衡馈线出力、不间断供电和能量调度实时仿真实验。仿真结果验证了该配电网系统架构在接纳多种分布式电源方面的技术优势。     

含分布式电源的配电网三相时域仿真

随着可再生能源的发展与利用,分布式电源开始大量接入配电网,其位置的多样性与容量的提升给配电网带来了稳定性问题。从基本的分布式电源建模入手,构建dq坐标系下分布式电源的电路、控制器模型,解决分布式电源对称模型与配电网不对称电压之间的矛盾;借鉴输电网单相机电暂态方法,提出配电网三相时域仿真方法,给出仿真中关键步骤的处理方法。在测试案例中实现配电网的三相时域仿真,结果验证了理论分析的正确性。     

应用多级有源滤波系统的分布式电源谐波治理

有源滤波器是配电网谐波治理的动态补偿装置,但分布式电源的接入造成配电网谐波变得复杂,单一的有源滤波器在补偿线路谐波方面难以达到效果。设计了一种多级有源滤波系统,将补偿源设置在各电源母线处,得到一组含多个补偿源的分布式电源接入的配电网模型,通过调节滞环宽度,稳定开关频率。采用改进后的滞环空间矢量控制对各有源滤波单元分别进行控制,并基于MATLAB/Simulink仿真平台,分别搭建了含单一滤波器和两级有源滤波系统的分布式电源接入的配电网仿真模型,仿真对比分析了谐波治理的效果,仿真结果验证了多级有源滤波系统对分布式电源接入的配电网谐波治理的有效性和可行性。     

基于SUNDIALS的有源配电网随机动态仿真方法

随着分布式电源在配电网络中的渗透率不断提高及用电需求的日益增长,分布式电源及负荷具有的随机特性对配用电侧的安全可靠运行带来了新的挑战。为此,文中提出了一种考虑随机扰动影响的有源配电系统动态仿真方法。首先,根据分布式电源及负荷的随机特性,建立了光辐照度、风速、负荷波动的随机动态模型;其次,基于SUNDIALS提出了有源配电网随机动态仿真方法;最后,在中低压有源配电系统算例中进行了测试和验证。该方法与确定性仿真方法相比能够反映配电系统的不确定性,得到更真实的仿真结论。此外,利用SUNDIALS与并行计算策略,在满足了仿真数值精度的同时,提高了仿真效率。     

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。     

面向逆变器型分布式电源的快速建模与仿真方法

在利用数值仿真方法研究逆变器型分布式电源大规模接入配电网的特性和影响时,采用详细模型因涉及非线性的电力电子器件,仿真步长需选取很小,致使仿真速度缓慢,而采用过于简化的模型又不能完整反映系统的动态特性,因此有必要研究准确、高效的分布式电源建模方法。在正负序分离控制的基础上,详细分析了逆变器型分布式电源的动态相量建模方法,并且在PSCAD/EMTDC中建立了分布式电源的电磁暂态模型,同时在MATLAB/Simulink中建立了等效动态相量模型。通过仿真比较,结果表明采用的动态相量模型在配电网电压对称、不对称工况及故障情况下均能准确地反映系统运行的动态过程,并显著加快仿真速度,适合应用于逆变器型分布式电源高渗透率下配电网运行特性的快速仿真。     

电力系统实时仿真技术研究综述

电力系统实时仿真已成为进行电力系统试验研究、规划设计、调度运行和状态安全评估的重要工具。电力系统实时仿真技术的发展经历了物理仿真、数模混合仿真和数字仿真三个阶段。介绍了电力系统实时仿真技术的一般定义、发展历程及现状,突出了该技术的实时性特点,同时,对实时仿真技术的理论基础、涉及的算法和实现方式也作了一定程度的阐述,对电力系统实时仿真技术有较全面的比较和说明。三种实时仿真技术有各自的优缺点,在实际应用中应有选择性地配合使用。数模混合仿真技术在仿真应用中较有优势,成为目前较热门的研究课题,对它作了重点介绍。最后进一步指出了电力系统实时仿真技术急需解决的问题。     

SMRT电磁机电混合实时仿真交流-交流分网技术研究

针对电磁机电混合实时仿真( super mixed real-time simulation, SMRT)中交流-交流(交交)分网方式的难点和实用化的需要,提出了映射式交交分网方案,通过电磁、机电两侧重叠的映射子网络维持交流系统三序网络的完整和交流系统之间的同步。进一步通过基于映射子网的接口等值模型、基于映射关系的预估-校正接口误差治理等关键技术,保证了混合仿真交互计算的稳定和电磁、机电暂态两侧有效、平滑地接口。案例分析表明,映射式交交分网方案有效实用,相对于交流-直流(交直)分网方式,可以更准确地模拟复现交流电网与直流电网或电力电子设备间存在的重要高频暂态过程。     

江苏电网实时数字仿真系统介绍

针对江苏省电力试验研究院有限公司与中国电力科学研究院合作开发的基于电力系统全数字实时仿真装置(ADPSS)的江苏电网实时数字仿真系统,详细介绍了该仿真系统的结构和主要功能,以及基于仿真系统开展的现场事故分析和试验研究工作。该仿真系统功能齐全、仿真规模大、可扩展性强,对大规模的电力网络能同时进行机电和电磁暂态的混合实时仿真。     

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。     

基于MATLAB和DSP的滤波器硬件在环实时仿真

本文介绍了一种设计滤波器的新方法.该方法基于硬件在环实时仿真系统,通过MATLAB对DSP的滤波输出信号进行跟踪分析,实现了滤波器的快速设计.该滤波器准确度高,具有较强的实用性与灵活性.     

SMRT在交直流大电网分析中的应用模式及实践

电磁-机电暂态混合实时仿真平台（super-mixed real-time simulation, SMRT）因其仿真规模、仿真精度和易用性等方面优势在交直流大电网分析中展现出广阔的应用前景。目前,SMRT仿真平台已经被用于交直流大电网机电暂态行为和稳定特性的仿真分析与研究、基于典型运行方式的实际电网故障/事故快速复现、交直流系统重大运行风险评估等生产运行服务、系统性能及控制策略课题的研究和电网动态补偿电力电子装置对电网多直流故障后换相失败恢复的作用和影响的分析,以及调度员的教学和培训等领域。经过进一步开发,SMRT仿真平台将被用于解决系统级保护整定与校验等更多问题。     

NETOMAC在电力系统实时仿真中的应用

基于电力系统仿真软件包NETOMAC和实时数字仿真器RIDS，提出了先进的集成混合实时仿真系统。此系统利用实时数字混合接口，将NETOMAC的机电暂态计算和RIDS的电磁暂态计算相结合，为大系统及包含多个灵活交流输电设备和高压直流输电的复杂系统的实时仿真提供了一个经济可行的解决方案。利用NETOMAC与实际的控制器和继电保护装置相结合构成的新型数字—物理混合动态仿真系统，可进行控制器和继电保护装置的实时测试。     

基于变电站数字物理混合仿真技术的多级联合仿真培训系统

介绍了作者研发的基于变电站数字物理混合仿真技术的多级联合仿真培训系统总体结构、关键技术及实现方法。该系统对变电站内监控系统、保护及测控装置、五防系统等采用现场真实物理设备,而变电站一次设备及其邻近电网采用数字仿真,同时采用电磁暂态与全动态电网联合仿真技术,这样既能详细而真实地反映变电站一次设备的行为,又能逼真地再现大电网各类动态过程对变电站的影响。应用该系统可以进行调度、集控站以及变电站运行人员的联合培训和反事故演习,特别是能够有效提高变电站运行人员实际操作的训练效果,并加强变电站人员的电网概念和全局观念。     

基于数字计算机和RTDS的实时混合仿真

阐述了计算机机电暂态仿真、RTDS电磁暂态仿真的实时混合仿真平台设计思想,给出了整体设计架构,详细分析和阐述了两侧接口数据交互和同步协调仿真流程、混合仿真接口方案以及接口数据传输方法等关键技术.以含南方电网贵广高压直流的简单交直流系统算例研究验证了该混合仿真平台的设计和实现是可行的、有效的.     

电力系统数模混合实时仿真技术的现状与发展

电力系统实时数字仿真与物理模拟相结合可以达到优势互补、优化模拟的效果。模拟仿真器与实时数字仿真系统之间能量与信号的交换 ,是数模混合实时仿真接口的主要问题。利用替代定理 ,两者之间可以通过戴维南等值电路和诺顿等值电路进行相互表述。实时数字仿真系统与HVDC原型模拟换流器构成的混合实时仿真系统在天—广高压直流控制与保护系统测试中得到了成功应用。实时数字仿真系统与动模机组的硬件连接则需要开发背靠背变流器。提出了先进的集成混合实时仿真系统的架构 ,其对经济有效地扩大实时仿真系统的规模具有重要的意义