一种FPGA子网与电磁暂态仿真子网的接口方法

摘要

本发明涉及一种FPGA子网与电磁暂态仿真子网的接口方法，包括：将FPGA子网和电磁暂态仿真子网各自等效为接口等值电路，在FPGA子网仿真时刻，把电磁暂态仿真子网使用接口等值电路代替，通过电磁暂态的方法求解含有等值电路的FPGA子网，得到FPGA子网内部的电压和电流；在电磁暂态仿真子网的仿真时刻，把FPGA子网使用接口等值电路代替，通过电磁暂态的方法求解含有等值电路的电磁暂态仿真子网，得到电磁暂态仿真子网内部的电压和电流；使用本发明的方法能够联接FPGA系统与电磁暂态仿真系统进行不同精度要求的混合实时仿真计算，能充分利用状态变量在扰动中不突变，避免直接插值突变的电气量，损失了内插值的精度，提高FPGA与电磁暂态仿真联合仿真系统的整体精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁暂态仿真领域的接口方法，具体涉及一种FPGA子网与电磁暂态仿真子网的接口方法。

背景技术

对于大规模仿真中的局部小步长仿真来说，由于VSC的广泛使用，其对电力系统的影响不断扩大，电力系统特性也发生了变化。多VSC通过协调和控制一起对电力系统产生影响，以及VSC与VSC之间产生相互影响，已不能独立研究。因此，使用相对真实的大规模电力系统进行仿真研究成为必然。

电磁暂态方法的核心思想是将独立元件离散化为一个电导和并联电流源的等值支路，然后建立全网的节点电压方程求解。由此可见，电磁暂态方法是基于每一个时刻电网络的稳态方程求解。基于节点分裂的多速率仿真方法的递推公式是基于状态空间描述的，需要把此递推公式转化为能接入电磁暂态仿真程序中的电导和并联电流源等值电路，也可以表示为接口等值电路。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种FPGA子网与电磁暂态仿真子网的接口方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种FPGA子网与电磁暂态仿真子网的接口方法，其改进之处在于，所述方法包括：将FPGA子网和电磁暂态仿真子网各自等效为接口等值电路，在FPGA子网仿真时刻，把电磁暂态仿真子网使用接口等值电路代替；在电磁暂态仿真子网的仿真时刻，把FPGA子网使用诺顿等值接口等值电路代替，通过电磁暂态的方法求解含有接口等值电路的电磁暂态仿真子网，得到电磁暂态仿真子网内部的电压和电流。

进一步地，所述求解含有接口等值电路的电磁暂态仿真子网包括下述步骤：

步骤1：确定电磁暂态仿真子网接口等值电路的开路电压；

步骤2：确定电磁暂态仿真子网接口等值电路的断路电流；

步骤3：确定电磁暂态仿真子网接口等值电路的等值电阻；

步骤4：确定电磁暂态仿真子网接口等值电路的等值电压源。

进一步地，所述步骤1包括：设电磁暂态子网的电磁暂态接口等值电路端口断开，即Y_sAA‘(k+1)为0，化为如下表达式：

$>\left(\begin{array}{c}{X}_s(k+1)={(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}{X}_s\left(k\right)\\ +{(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}mh\left(\begin{array}{cc}{B}_{\sin t}& B_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& U_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)\end{array}\right)}^T\\ 0=C_s{X}_s(k+1)+\left(\begin{array}{cc}{D}_{\sin t}& D_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& U_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(1\right)$>

若U_sth(k+1)表示在接口等值电路的电压源，即开路电压U_sAA‘表达式如下：

U_sth(k+1)＝U_sAA'(k+1)＝(D_sAA'+C_s(I-mhA_s)^-1mhB_sAA')^-1

(2)

(-C_s(I-mhA_s)^-1X_s(k)-(C_s(I-mhA_s)^-1mhB_sint+D_sint)U_sint(k+1))

其中：X_s表示电磁暂态接口等值电路子网中的输入变量，包括电感电流，电容电压和控制器中的积分变量；A_s表示电磁暂态接口等值电路子网中的网络状态矩阵，B_s和D_s都是系数矩阵；U_s是电磁暂态接口等值电路子网的输入变量，其中U_sint表示电磁暂态接口等值电路子网内部的注入源，I表示电流向量；h表示步长；k分别表示当前计算时步，k+1表示下一计算时步；U_sAA‘表示断面接口处的子网注入源，维数为断面的节点数n；m表示支路数；其中B_sint表示B_s矩阵中与U_sint相对应的系数矩阵，B_sAA’表示B_s矩阵中与U_sAA’相对应的系数矩阵；C_s表示电磁暂态接口等值电路子网的电容对角矩阵；D_sint表示D_s矩阵中与U_sint相对应的系数矩阵；D_sAA'表示D_s矩阵中对应端口电压U_sAA'的系数矩阵；U_sAA'表示端口电压；I_sAA‘表示端口电流。

进一步地，所述步骤2包括：假设电磁暂态接口等值电路闭合，即U_sAA’(k+1)为0，化为如下表达式：

$>\left(\begin{array}{c}{X}_s(k+1)={(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}{X}_s\left(k\right)\\ +{(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}mh\left(\begin{array}{cc}{B}_{\sin t}& B_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& 0\end{array}\right)}^T\\ Y_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)=C_s{X}_s(k+1)+\left(\begin{array}{cc}{D}_{\sin t}& D_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& 0\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(3\right)$>

若I_sAA‘0(k+1)表示在端口的短路电流，求得I_sAA‘表达式如下：

I_sAA'0(k+1)＝Y_sAA'(k+1)

＝(I-mhA_s)^-1(C_sX_s(k)+mhC_sB_sintU_sint(k+1))(4)

+D_sintU_sint(k+1)

其中：X_s表示电磁暂态接口等值电路子网中的输入变量，包括电感电流，电容电压和控制器中的积分变量；A_s表示电磁暂态接口等值电路子网中的网络状态矩阵，B_s和D_s都是系数矩阵；U_s是电磁暂态接口等值电路子网的输入变量，其中U_sint表示电磁暂态接口等值电路子网内部的注入源，I表示电流向量；h表示步长；k分别表示当前计算时步，k+1表示下一计算时步；U_sAA‘表示断面接口AA处的子网注入源，维数为断面的节点数n；m表示支路数；其中B_sint表示B_s矩阵中与U_sint相对应的系数矩阵，B_sAA’表示B_s矩阵中与U_sAA’相对应的系数矩阵；C_s表示子网的电容对角矩阵；D_sint表示D_s矩阵中与U_sint相对应的系数矩阵；D_sAA'表示D_s矩阵中对应端口电压U_sAA'的系数矩阵；U_sAA'表示端口电压、I_sAA‘表示端口电流；Y_sAA'表示端口在断面接口AA处的等值导纳。

进一步地，所述步骤3包括：把式(2)电压和式(4)电流相结合，得到：

$>Z=\frac{U_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)}{Y_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)}={(D_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}+C_s{\left(I-{\mathrm{mhA}}_s\right)}^{-1}{\mathrm{mhB}}_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }})}^{-1}---\left(5\right)$>

式中：Z表示端口电路的等值阻抗；上述(5)式为得到电磁暂态仿真子网的接口等值电路。

进一步地，所述步骤4包括：

基于电磁暂态软件的网络求解方程如下：

GV(k+1)＝I_his(k)+I_int(k+1)+I_fAA'(k+1)(6)

式中：V为网络节点电压，G为网络电导矩阵，I_his为电流源历史项，I_fAA’为接口的注入电流源；I_int是子网内部的注入电流的取值；

当I_fAA‘为0时，对(6)式进行求解，得到电磁暂态仿真子网接口等值电路开路情况下的子网电压和接口处的子网电压，即电磁暂态仿真子网接口等值电路中的电压源。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明把电磁暂态仿真子网和FPGA子网各自等效为接口等值电路。在FPGA子网仿真时刻，把电磁暂态仿真子网使用接口等值电路代替，基于节点分裂的多速率仿真方法的递推公式是基于状态空间描述的，需要把此递推公式转化为能接入电磁暂态仿真程序中的电导和并联电流源等值电路，通过电磁暂态的方法求解含有此等值电路的FPGA子网，得到FPGA子网内部的电压和电流。在电磁暂态仿真子网的仿真时刻，把FPGA子网使用接口等值电路代替，通过电磁暂态的方法求解含有此等值电路的电磁暂态仿真子网，得到电磁暂态仿真子网内部的电压和电流。

使用此发明方法能够联接FPGA系统与电磁暂态仿真系统进行不同精度要求的混合实时仿真计算，能充分利用状态变量在扰动中不突变，避免直接插值突变的电气量，损失了内插值的精度，提高FPGA与电磁暂态仿真联合仿真系统的整体精度。

附图说明

图1是本发明提供的网间关联关系示意图一；

图2是本发明提供的网间关联关系示意图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明把多速率中的电磁暂态仿真子网和FPGA子网各自等效为接口等值电路，如图1-2所示。在FPGA子网仿真时刻，把电磁暂态仿真子网使用接口等值电路代替，通过电磁暂态的方法求解含有此等值电路的FPGA子网，得到FPGA子网内部的电压和电流。在电磁暂态仿真子网的仿真时刻，把FPGA子网使用接口等值电路代替，通过电磁暂态的方法求解含有此接口等值电路的电磁暂态仿真子网，得到电磁暂态仿真子网内部的电压和电流。

求t＝k+1时刻的电磁暂态仿真子网的接口等值电路的步骤如下：

1)求接口等值电路的开路电压：

假设端口电路断开，即Y_sAA‘(k+1)为0，可化为如下表达式：

$>\left(\begin{array}{c}{X}_s(k+1)={(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}{X}_s\left(k\right)\\ +{(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}mh\left(\begin{array}{cc}{B}_{\sin t}& B_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& U_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)\end{array}\right)}^T\\ 0=C_s{X}_s(k+1)+\left(\begin{array}{cc}{D}_{\sin t}& D_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& U_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(1\right)$>

若U_sth(k+1)表示在接口等值电路的电压源，即开路电压U_sAA‘表达式如下：

U_sth(k+1)＝U_sAA'(k+1)＝(D_sAA'+C_s(I-mhA_s)^-1mhB_sAA')^-1

(2)

(-C_s(I-mhA_s)^-1X_s(k)-(C_s(I-mhA_s)^-1mhB_sint+D_sint)U_sint(k+1))

其中：X_s表示电磁暂态接口等值电路子网中的输入变量，包括电感电流，电容电压和控制器中的积分变量；A_s表示电磁暂态接口等值电路子网中的网络状态矩阵，B_s和D_s都是系数矩阵；U_s是电磁暂态接口等值电路子网的输入变量，其中U_sint表示电磁暂态接口等值电路子网内部的注入源，I表示电流向量；h表示步长；k分别表示当前计算时步，k+1表示下一计算时步；U_sAA‘表示断面接口处的子网注入源，维数为断面的节点数n；m表示支路数；其中B_sint表示B_s矩阵中与U_sint相对应的系数矩阵，B_sAA’表示B_s矩阵中与U_sAA’相对应的系数矩阵；C_s表示电磁暂态接口等值电路子网的电容对角矩阵；D_sint表示D_s矩阵中与U_sint相对应的系数矩阵；D_sAA'表示D_s矩阵中对应端口电压U_sAA'的系数矩阵；U_sAA'表示端口电压；I_sAA‘表示端口电流。

2)求接口等值电路的断路电流：

假设端口电路闭合，即U_sAA’(k+1)为0，可以化为如下表达式：

$>\left(\begin{array}{c}{X}_s(k+1)={(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}{X}_s\left(k\right)\\ +{(I-{\mathrm{mhA}}_s)}^{-1}mh\left(\begin{array}{cc}{B}_{\sin t}& B_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& 0\end{array}\right)}^T\\ Y_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)=C_s{X}_s(k+1)+\left(\begin{array}{cc}{D}_{\sin t}& D_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}\end{array}\right){\left(\begin{array}{cc}{U}_{\sin t}(k+1)& 0\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(3\right)$>

若I_sAA‘0(k+1)表示在端口的短路电流，可求得I_sAA‘表达式如下：

I_sAA'0(k+1)＝Y_sAA'(k+1)

＝(I-mhA_s)^-1(C_sX_s(k)+mhC_sB_sintU_sint(k+1))(4)

+D_sintU_sint(k+1)

3)求接口等值电路的等值电阻：

把式(3)和式(4)相结合，可以得到：

$>Z=\frac{U_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)}{Y_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}(k+1)}={(D_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }}+C_s{\left(I-{\mathrm{mhA}}_s\right)}^{-1}{\mathrm{mhB}}_{{\mathrm{sAA}}^{\prime }})}^{-1}---\left(5\right)$>

至此电磁暂态仿真系统的接口等值电路已经得到。

4)现将电磁暂态仿真中子网接口等值电路的开路电压(等值电压源)的求解，简要介绍如下：

基于电磁暂态软件的网络求解方程如下：

GV(k+1)＝I_his(k)+I_int(k+1)+I_fAA'(k+1)(6)

式中：V为网络节点电压，G为网络电导矩阵，I_his为电流源历史项，I_fAA’为接口的注入电流源；I_int是子网内部的注入电流的取值；

当I_fAA‘为0时，对式(6)进行求解，可以得到接口开路情况下的子网电压和接口处的子网电压，即接口等值电路中的电压源。

由于在某一个时刻的接口等值电路的唯一性。等值电路应与通过状态空间表达式推导的等值电路结果完全吻合。

小步长间隔中的接口等值电阻值只与大步长系统的系统参数相关，可以认为不变，但是接口等值电压源U_sth(km+i)与状态变量的X_s(km+i-m)并不是一直不变的，

根据式(2)表示，U_sth(km+i)是由X_s(km+i-m)和U_sint(km+i)构成的函数。其中U_sint(km+i)是独立源，可认为是已知变量，X_s(km+i-m)可通过X_s(km-m)和X_s(km)的插值估计得到，也是一个已知量。通过利用状态变量的连续性，可以保证插值估计的准确性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。