基于FPGA的有源配电网实时仿真器高速网络通讯接口设计

基于现场可编程门阵列FPGA(field-programmable gate array)的有源配电网实时仿真器虽然具有步长小、精度高、规模大和成本低的优点,但面临人机交互数据通讯困难的问题。针对有源配电网实时仿真器实时人机通信需求,设计了千兆以太网高速网络通讯接口,通过直接内存访问DMA(direct memory access)与内存管理手段实现了提高传输速度、减小资源占用和多功能支持。针对含有光伏发电的有源配电网进行了实时仿真测试,通过计算机设置仿真参数、启动仿真过程、实时传输显示仿真结果,并与PSCAD/EMTDC仿真结果进行对比,验证了本设计的正确性与有效性。     

基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究(二):系统架构与算例验证

有源配电网暂态实时仿真需要较强的计算能力作为支持,因此提出基于现场可编程门阵列的有源配电网暂态实时仿真中系统级并行、模块级并行以及底层并行的多层级并行架构,并研究了各层级并行的实现方式。利用模块级并行以及底层并行的设计思想,使用Verilog HDL语言开发了基于浮点数运算的配电网暂态实时仿真系统。为验证该实时仿真系统的有效性,选取典型配电网络并以2?s的仿真步长进行了实时仿真测试,充分验证了所提配电网暂态实时仿真系统在仿真速度、仿真规模方面的优势,通过与Matlab/SimPowerSystems的计算结果进行比较,验证了该系统的仿真精度。     

基于FPGA的配电网暂态实时仿真研究(二):系统架构与算例验证EI北大核心CSCD

有源配电网暂态实时仿真需要较强的计算能力作为支持,因此提出基于现场可编程门阵列的有源配电网暂态实时仿真中系统级并行、模块级并行以及底层并行的多层级并行架构,并研究了各层级并行的实现方式。利用模块级并行以及底层并行的设计思想,使用Verilog HDL语言开发了基于浮点数运算的配电网暂态实时仿真系统。为验证该实时仿真系统的有效性,选取典型配电网络并以2?s的仿真步长进行了实时仿真测试,充分验证了所提配电网暂态实时仿真系统在仿真速度、仿真规模方面的优势,通过与Matlab/SimPowerSystems的计算结果进行比较,验证了该系统的仿真精度。     

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。     

基于多FPGA的电力电子实时仿真系统

大功率复杂电力电子装置通常需要实时仿真系统来加速装置开发和功能验证。然而,商业化电力电子实时仿真系统均由国外公司垄断,价格昂贵,系统升级维护费用高,开放性差,仿真容量和接口数量也受限。为此,文中提出了一种基于多现场可编程门阵列(FPGA)的实时仿真系统的实现架构,以多片FPGA作为并行核心运算单元,有效增加仿真容量和缩短仿真步长。分析了数据实时传输的需求,并提出了一种满足通信需求的增强型串行外设接口(SPI)通信方式。基于该架构自主开发研制了实时仿真平台,并采用硬件描述语言构建10kV 12级联H桥静止同步补偿器(STATCOM)电路模型进行系统实时仿真验证。实验结果表明:实时仿真步长可以达到2μs,实时仿真波形与MATLAB仿真波形误差在0.5%以内。     

基于FPGA的电力传动实时仿真系统的设计

给出电力传动实时仿真系统的一种快速成型方法.采用自顶向下的设计流程:初级仿真、混合仿真及现场可编程门阵列( FPGA)在回路仿真,建立电力电子装置的数学模型.使用FPGA对相应的数学模型进行硬件实现,完成电力传动实时仿真系统的建立.最后采用该设计方法对带阻感负载两电平结构的三相逆变器进行特性模拟,建立相应数学模型,并在S3EStarter_ug230实验平台上进行实验,结果证明该方法有效.     

基于FPGA的MMC建模与实时仿真

模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)每个桥臂上的级联子模块数量众多,系统仿真规模庞大,给实时仿真带来了巨大挑战.针对基于现场可编程门阵列FPGA(field-programmable gate array)的MMC实时仿真,首先提出了一种对桥臂采用戴维南等效外加电压补偿策...     

基于RTDS的有源配电网暂态实时仿真与分析

有源配电网是智能电网中集成、管理分布式发电及储能设备、需求侧响应资源的重要平台,包括各种智能终端、控制及保护装置的研发与测试将对实时仿真提出更高要求。考虑有源配电网实时仿真的建模需求,文中基于实时仿真平台RTDS完成了含光伏、燃料电池等分布式电源的有源配电网暂态实时仿真建模,并给出了电力电子装置、分布式电源及控制器等特殊模型的实时仿真算法。研究了有源配电网在环境条件变化、系统故障及功率指令变化等各种场景下的动态过程,通过与离线仿真软件PSCAD/EMTDC的对比,验证了实时仿真模型的正确性,对系统资源消耗等分析,更为后续硬件在回路仿真(HIL)等研究中奠定了基础。     

基于ADMM算法的主动配电网分层优化经济调度

主动配电网(active distribution network,ADN)因其具有调度控制灵活、用户交互性高、能源利用率高等特征正逐渐取代传统配电网,在系统安全运行的前提下实现了经济性最优的目标。文章充分考虑配电网整体运行的经济性,提出一种基于交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers, ADMM)的主动配电网分层优化经济调度方法。首先,以最小配电网整体运行成本为目标建立了主动配电网分层优化调度模型,借助ADMM算法分解为上下两层进行求解,上层以最小化配电网整体运行成本为目标进行优化,下层考虑配电网内部节点接入的分布式光伏和储能单元,以最小化本地储能运行成本和购电成本为目标进行优化。其次,上下两层通过有限的边界信息交换,相互迭代,直至满足收敛条件,得出最优解。最后,通过设计算例进行测试,验证了所提调度方法的有效性和可行性。     

基于ADMM算法的主动配电网分层优化经济调度

主动配电网(active distribution network,ADN)因其具有调度控制灵活、用户交互性高、能源利用率高等特征正逐渐取代传统配电网,在系统安全运行的前提下实现了经济性最优的目标。文章充分考虑配电网整体运行的经济性,提出一种基于交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers, ADMM)的主动配电网分层优化经济调度方法。首先,以最小配电网整体运行成本为目标建立了主动配电网分层优化调度模型,借助ADMM算法分解为上下两层进行求解,上层以最小化配电网整体运行成本为目标进行优化,下层考虑配电网内部节点接入的分布式光伏和储能单元,以最小化本地储能运行成本和购电成本为目标进行优化。其次,上下两层通过有限的边界信息交换,相互迭代,直至满足收敛条件,得出最优解。最后,通过设计算例进行测试,验证了所提调度方法的有效性和可行性。     

一种基于FPGA的嵌入式实时以太网

提出了一种基于FPGA的嵌入式实时以太网。通过分析国际上多种实时工业以太网的特点,针对模块化设备对内部高速通讯的需求,设计了一种简化的实时以太网协议,并通过FPGA实现,最后通过实验进行验证;协议完全基于FPGA实现,简单可靠、通讯延时小,解决了现有工业以太网应用复杂、增加成本等问题,为高性能模块化工业控制系统奠定了通讯技术基础。     

基于FPGA的柔性直流实时仿真技术及试验系统

未来柔性直流输电技术大容量、高电压、远距离的发展趋势,对现有的柔性直流仿真建模技术提出了更高的要求。为了建立更符合控制保护装置测试需求的大容量、高电压、远距离柔性直流实时仿真模型,提出了适用于各种子模块拓扑结构且能灵活定义模块级故障的模块化多电平换流器(MMC)等效建模方法,采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术实现灵活柔性直流换流器算法,通过双向高速通信板卡GTFPGA在实时数字仿真器(RTDS)中实现灵活自定义的柔性直流MMC仿真建模,为未来含新型子模块拓扑结构的大容量、高电压、远距离柔性直流工程的控制保护特性研究及其闭环试验,提供有效的实时仿真试验系统和重要的仿真技术支持。     

基于Stackelberg模型的主动配电网动态电价需求响应设计

传统价格型需求响应(DR)可能造成负荷弹性不大的用户用电成本的增加,为此提出了一种基于Stackelberg模型的主动配电网(ADN)动态电价DR方案,确保用户参与DR的收益。将负荷分为代理负荷和非代理负荷两类,通过DR代理调控代理负荷,利用动态博弈理论下的Stackelberg模型分析DR代理与ADN的互动过程,求解Stackelberg均衡得到DR代理与ADN的均衡策略,即动态电价与负荷安排。最后,采用IEEE 6节点的算例证明了所提出的DR设计在限制用户电费支出方面的有效性。     

主动配电网保护控制的设计与研究

主动配电网是智能配电网发展的高级技术阶段,是具备组合控制各种分布式电源、储能、可控负荷以及具备需求侧响应能力的配电网络。该文对主动配电网的构成进行了简要介绍,探讨了主动配电网自身的特点及其对保护控制系统的要求,在此基础上提出了面向主动配电网的控制保护系统的整体架构,并对主动配电网保护控制中的关键技术即运行控制技术、并网点与配电网相结合的保护技术以及直流配电网保护技术进行了阐述。     

基于时序动态约束的主动配电网滚动优化调度

为有效应对主动配电网(ADN)中间歇性能源和负荷等不确定性因素给ADN优化调度带来的挑战,提出了基于时序动态约束的ADN滚动连续实时优化调度方法。以恒定调度周期24 h的经济性最优为优化目标,建立了统筹考虑各类有功和无功功率等控制资源的综合实时优化调度模型。所提的滚动优化调度方法基于优化时刻的实时采集数据和后续23 h的预测数据,采用和声搜索算法求解所建调度模型,连续实时确定每个时刻ADN的最优运行方案。在建模过程中考虑到风光荷预测的不准确性随时间的增长而增大的特性,提出了时序动态约束的概念,即愈往后其安全约束愈加宽松,以此扩大解空间范围,进一步提高了调度方案的经济水平。最后,对改进的IEEE 33节点算例和IEEE 69节点算例的调度仿真分析,验证了所提方法和模型的可行性和有效性。     

主动配电网电能质量实时监测系统设计与实现

设计并实现了一套面向服务的浏览器/服务器(B/S)模式主动配电网电能质量实时监测系统,提供主动配电网逐层消纳分布式电源过程的电能质量实时监测功能,重点观测潮流方向变化对电能质量水平的影响。该系统基于IEC 61850标准建立电能质量信息模型,通过制造报文规范(MMS)将现场电能质量实时监测数据上传到主站解析并存入实时数据库;采用Silverlight技术对主动配电网主接线进行建模和绘制,客户端通过Windows通信基础(WCF)服务与服务器端通信,获取实时监测数据,并结合主接线图实现主动配电网电能质量全局实时监测功能,达到数据图形一体化展示效果。该系统在广东某地区主动配电网示范工程中正常运行使用,为主动配电网控制策略制定及电能质量问题分析治理提供了有效数据支持,证明了系统的可靠性和实用性。