基于FPGA的有源配电网可扩展暂态实时仿真方法与系统设计

As a major component of smart grid at the mid and low-voltage level, active distribution system plays a key role in the utilization of renewable energy sources, management of electric vehicles, and implementation of new technologies such as demand response. The complicated structure and highly nonlinearity of active distribution systems pose challenges to their transient analysis studies. Real-time simulation is an important approach for concept validation, algorithm testing and equipment development of active distribution systems. Up until now, the real-time simulation equipment are monopolized by few international companies with dearly price and limited functionality, not capable of fulfilling the pressing needs brought by active distribution systems. This project will develop an active distribution system oriented real-time simulation platform, including hardware architecture, simulation models, parallel algorithms and I/O interfaces, based on the large-scale hardware parallelism and pipeline capabilities of FPGA equipment. Through tight integration of software design and underlying hardware architecture, the parallel computing capabilities of FPGA can be fully utilized in element, module and system level. The expendability of the developed simulation platform is further considered by integrating multiple FPGA with optical communication. Boosted numerical performance is expected and real-time simulation with step-size below 20us can be realized.

有源配电网是智能电网在中低压层面实现新能源消纳、电动汽车有序管理、需求侧响应等新元素、新技术的载体与核心。其复杂的系统构成与庞大的网络规模对暂态特性的仿真、分析与研究提出了新的挑战。暂态实时仿真是有源配电网技术创新、概念验证、算法测试、装备研发的重要平台与手段。目前，实时仿真的主要技术及装备被国际上极少数公司所垄断，价格高昂，仿真条件有限，不能完全满足各种新技术应用后的研究需求。项目采用具有大规模并行、流水线处理能力的硬件计算资源FPGA，研究并设计面向有源配电网实时仿真需求的功能架构、元件模型、系统分割、外部I/O接口等理论与方法，通过软件算法、模型设计与底层平台的紧耦合分别从元件级、模块级、系统级三个层面充分挖掘FPGA的硬件并行能力，在此基础上利用多FPGA及光模块通讯的方式实现实时仿真的可扩展性，最大限度地提高仿真计算的效率与精度，将能够满足20微秒及以下实时仿真计算的性能要求。

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，新型分布式电源等设备的大规模接入对实时仿真的快速性和有效性提出了更高的要求。本课题研究了有源配电网实时仿真数值算法与硬件设计方法，开发了基于FPGA的有源配电网可扩展暂态实时仿真系统。主要研究工作如下：.1）设计了基于FPGA的有源配电网实时仿真系统整体架构，包括：提出了基于节点分析法的电气系统多层级并行解算框架；发展了基于顺序求解的控制系统多层级并行解算框架；提出了适于实时仿真的电气和控制系统多速率接口方法；设计了用于大规模配电网实时仿真的高性能线性方程组解算器；研究并实现了基于FPGA的有源配电网实时仿真器通用化设计。.2）基于有源配电网的建模需求，提出了无源元件、线路、电源、断路器、测量元件等常规配电网元件的元件模型设计方法，研究了微秒级电力电子开关电路的实时仿真建模方法及其FPGA模块设计；提出并设计了风力发电系统及其控制器元件的FPGA模块设计方法；。.3）研究并发展了基于多FPGA的有源配电网可扩展多层级并行仿真架构，提出了基于线路延迟的有源配电网数学模型粗-细粒度分割方法，设计了网格型和线性阵列相结合的可扩展多FPGA系统拓扑；提出了有源配电网多速率实时仿真方法与硬件设计方法；面向快慢子系统数据交互，提出了多速率接口方法与硬件设计。.4）提出并实现了基于FPGA的实时仿真器与外部设备I/O接口设计。面向实时仿真器的多种通信需求设计了对应的I/O接口，包括接收外部设备模拟信号的通用AD接口，仿真结果输出通用DA接口，实现多FPGA全双工通信的高速光模块接口以及用于上位机与实时仿真器间通讯的千兆以太网络接口。.基于本课题设计的实时仿真系统，选取典型有源配电网算例对提出的数值仿真方法与硬件设计进行测试，从仿真效率、数值精度、计算规模等方面验证了本课题开发的实时仿真系统的正确性和有效性。