一种配电网暂态实时仿真系统及方法与流程

本发明涉及配电网暂态仿真领域，具体涉及一种配电网暂态实时仿真系统及方法。

背景技术：

配电网规模不断扩大，结构日益复杂，为了提高配电网的运行能力，保证配电网的可靠、稳定和经济运行，需要运行人员利用更加高级快速的计算分析手段和工具来辅助决策，保证电网更加高效运行。复杂配电网空间、时间和事件特性决定了运行状态的多样性。随着直流装置、新型用电设备、大量分布式电源的接入，配电系统中出现了越来越多新型的响应快速的装置和控制器，不同物理特征的暂态过程相互交织在一起，高度复杂，同时，设备种类的多样性、控制的复杂性等因素造成暂态响应特性的时间尺度跨度大，含分布式电源/微电网的配电系统具有较强的非线性与随机性，这些因素造成复杂配电网暂态过程求解较为困难。以往对配电网数字仿真方面的研究工具主要集中在稳态方面，也有对暂态过程进行仿真的工具，但是主要为离线仿真的方式，由于暂态仿真过程步长要求极小，通常为微妙级，造成普通离线仿真工具计算时间特别长，一秒的暂态过程仿真甚至需要数十分钟甚至数小时。

现有技术中，缺少对实时数字仿真器等的研究。目前主流的实时仿真器多是以rtds、rtlib或adpss，但这些仿真机主要针对大型输电网，缺少针对配电网暂态过程计算的实时数字仿真的研究。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的缺少配电网暂态过程计算的实时数字仿真和仿真时间长、精准度低的问题，本发明提供了一种配电网暂态实时仿真系统及方法；

所述仿真系统，包括：

计算板卡、计算板卡卡槽、高速背板总线控制器和主控制器；

所述计算板卡卡槽用于插接所述计算板卡，所述计算板卡用于对仿真模型数据进行仿真运算，包括：fpga板卡和cpu板卡；

所述仿真模型数据包括：i类数据和ii类数据，其中所述i类数据要求运算速度高于所述ii类数据；

所述fpga板卡用于对所述i类数据进行分析运算；所述cpu板卡用于对所述ii类数据进行分析运算；

所述计算板卡卡槽通过所述高速背板总线控制器与所述主控制器连接，所述主控制器用于将所述高速背板总线控制器传送来的板卡分析数据，进行共享运算并存储。

优选的，所述fpga板卡与所述仿真系统的扩展卡槽连接；

所述cpu板卡与所述仿真系统的扩展卡槽连接；

所述扩展卡槽与所述高速背板总线控制器连接。

优选的，所述i类数据包括：电力电子器件数据、风电模型数据、光伏模型数据和短路发生器数据；

所述ii类数据包括：普通负载数据、线路数据、变压器数据和开关等模型数据。

优选的，所述主控制器包括：高速共享内存模块；

所述高速共享内存模块包括特定数量的内存子模块，用于存储所述计算板卡运算时涉及的仿真模型数据；

所述内存子模块的数量与所述计算板卡的数量相等。

优选的，所述高速共享内存模块包括：多个数据点子模块，用于存放所述计算板卡的分析数据；

所述数据点子模块的数量与所述计算板卡共享数据类型的数量相等。

优选的，所述主控制器还包括：高速存储模块；

所述高速存储模块用于将所述数据点子模块的数据，按照预设的运算逻辑进行数据共享运算，并将运算结果进行存储。

优选的，所述仿真系统还包括：显示器；

所述显示器与所述主控制器连接，用于显示仿真效果。

一种配电网暂态实时仿真方法，包括：

将预先获取的配电网模型数据进行分类，得到i类数据和ii类数据；

使用计算板卡中的fpga板卡对所述i类数据进行分析运算，使用计算板卡中的cpu板卡对所述ii类数据进行分析运算，得到板卡分析数据；

所述板卡数据通过所述高速背板总线控制器进行读写，并传送至主控制器进行共享运算并存储。

优选的，所述板卡数据通过所述高速背板总线控制器进行读写，并传送至主控制器进行共享运算并存储，包括：

将所述板卡数据编译成c代码，并将所述c代码编译成机器代码，通过所述高速背板总线控制器进行数据读写，得到板卡数据总集；

将所述板卡数据总集传送到所述主控制器中，并寄存到相应的数据点中，进行共享计算和存储。

优选的，所述通过所述高速背板总线控制器进行数据读写，得到板卡数据总集，包括：

所述高速背板总线控制器获取所述机器代码的导入周期；

所述高速背板总线控制器以预设时长延迟于所述导入周期的读取周期进行机器代码读取；

所述导入周期与所述读取周期的时长相等。

优选的，所述将所述板卡数据总集传送到所述主控制器中，并寄存到相应的数据点中，进行共享计算和存储，包括：

将所述仿真结果总集按数据类型分配到所述主控器中的高速共享内存模块中，进行数据点划分，并寄存到相应的数据点子模块中；

按照主控制器中预设的运算逻辑，获取数据点子模块中的数据进行运算，将运算结果更新到高速存储模块中进行存储。

优选的，所述i类数据，包括：电力电子器件数据、风电模型数据、光伏模型数据和短路发生器数据；

所述ii类数据，包括：普通负载数据、线路数据、变压器数据和开关等模型数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供了一种配电网暂态实时仿真系统及方法，所述仿真系统，包括：计算卡、计算板卡、高速背板总线控制器、主控制器；所述计算卡与所述计算板卡连接，用于存放仿真模型数据；所述计算板卡通过所述高速背板总线控制器与所述主控制器连接；所述主控制器包括：高速共享内存模块和高速存储模块；所述计算卡包括：fpga板卡和cpu板卡；所述仿真模型数据包括：i类数据和ii类数据。本发明提供的技术方案，将配电网模型根据暂态模型类别将仿真模型进行分割，将对仿真速度要求极高的配电网模型配到fpga计算卡中，将对仿真速度较低的配电网模型分配到cpu计算卡中；本技术方案中的高速背板总线机制，能够实现各个计算卡之间的数据实时共享，并且能够实时将数据保存到主控制中，以备需要的时候使用。

本发明提供的技术方案，能够实现配电网的暂态模型的小步长实时仿真，解决了配电网暂态仿真时间长，对仿真速度有要求情况下仿真步长大的问题，因此能够提高配电网模型的仿真速度和仿真精度，还具有够节省成本，灵活配置，扩展性强的优点。

附图说明

图1为本发明的配电网暂态实时仿真系统结构组成图；

图2为本发明的配电网暂态实时仿真方法流程图；

图3为本发明的配电网模型分割机制；

图4为本发明的高速共享内存分块和高速存储示意图；

图5为本发明的高速内存共享和存储过程。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：本发明提供了一种配电网暂态实时仿真系统及方法，包括：

依据对仿真资源的需要，进行模型分配，对需要暂态仿真的模型，称之为i类模型，如电力电子器件、风电模型、光伏模型、短路发生器等，将之分配到fpga计算卡中，准备进行硬件计算仿真，对仿真步长和仿真速度要求不高的元件，称之为ii类模型如普通负载、线路、变压器、开关等模型，将之分配到cpu计算卡中，准备进行多核cpu分布式计算仿真，根据上述所分配模型对fpga板卡和cpu板卡的需求，分别将相应数量fpga板卡和cpu板卡依次插入计算卡扩展槽中，并将所分配的模型与对应扩展槽卡号配对。如图3所示，某配电网模型分割为2个i类模型，3个ii类模型，则为其配置2个fpga计算卡，3个cpu计算卡。

配电网的实时仿真采用快速并行计算的形式，分计算卡之间的延时极短，数据量很大，并且各计算卡数据需要及时更新，因此，各计算卡之间采用高速数据共享技术。高速共享内存置于主控制器内，如图1所示。在仿真计算之初，高速共享内存进行分配，分配原则为：整个高速共享内存被划分为若干块，并为之编号，每块分别对应着总线上不同扩展卡槽上的计算卡，数量为1-n，(n为仿真所使用计算卡的总数量)，依据各个计算卡所共享的数据的数量，再将每块高速共享内存分出m个数据点(m为各个计算卡和主控制器所共享的数据点的个数)。每个计算卡只能对与其扩展卡槽号一致的高速共享内存块的数据进行写操作，而对其它高速共享内存块的数据只能进行读操作。高速共享内存机制如图4所示。

然后以写入的时间顺序，把最后时间写入的最新数据，如针对数据1，包括主控制器数据、卡1数据到卡n的所有n+1个数据均为数据点1的数据，将最后一个写入的数据视为最新的数据，并将其写入高速存储器进行保存。其过程示意图如图5所示

实施例2：

本发明提出的方案，可以有效提高配电网暂态仿真的精度，并且达到实时仿真的目的。

该系统包含硬件和软件。硬件主要包含：主控制器、显示器、高速背板总线、可用于配置仿真计算资源的高速背板总线控制器、扩展卡槽、可用于进行仿真计算的cpu板卡、可用于电磁暂态仿真的fpga板卡。软件系统包含实时操作系统、高速背板总线管理系统。

通过建模工具建立配电网暂态模型，依据对仿真资源的需要，进行模型分割；

对仿真速度和精度要求高的暂态仿真的模型，称之为i类模型，如电力电子器件、风电模型、光伏模型、短路发生器等，将之分配到fpga计算卡中；对仿真步长和仿真速度要求不高的元件，称之为ii类模型如普通负载、线路、变压器、开关等模型，将之分配到cpu计算卡中，准备进行多核cpu分布式计算仿真；

根据所分配模型对fpga板卡和cpu板卡的需求，分别将相应数量fpga板卡和cpu板卡依次插入计算卡扩展槽中，并将所分配的模型与对应扩展槽卡号配对；

如图2所示，将分配好的模型结合建模工具的实时编译工具rtw进行编译，编译成c代码；

将c代码编译成可执行的机器代码，并将i类模型对应代码下载到fpga计算卡中，将ii类模型对应代码下载到运行有实时操作系统(如：qnx操作系统、linix操作系统等)cpu板卡中；

各个板卡之间在实时仿真计算的过程中，需要通过高速背板总线进行数据交换和共享，高速背板总线数据控制器将负责高速通讯控制，并结合高速共享内存进行数据共享；

实时仿真的过程中，实时进行数据存储，将需要显示的数据实时在显示器显示。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。