[发明专利]一种面向电压暂降事件反演的FPGA模拟装置设计方法

说明书

本发明提供一种面向电压暂降事件反演的FPGA模拟装置设计方法，首先描述基于配电网馈线电磁暂态模型及其降阶模型的现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)模拟装置总体架构设计方法，进一步通过嵌入两类模型算法的FPGA计算结果对比，设计监视器分析指标计算方法，并通过电磁暂态离散代数方程组反演求解故障点位置、接地电阻与电压暂态特征值，最后提出该电压暂降事件反演的FPGA模拟装置硬件时序分析方法。

技术领域

本发明属于有源配电网电能质量分析与治理领域，具体涉及一种面向电压暂降事件反演的FPGA(现场可编程逻辑门阵列，Field Programmable Gate Array)模拟装置设计方法。

背景技术

配电网各支路馈线接入大量工业负荷，对电能质量要求很高。据统计，电能质量问题90％以上是由于电压暂降引起，电压暂降给用户造成了巨大的经济损失。其中，短路故障是引起电压暂降的首要原因，而单相故障在各类短路故障中发生的概率最高。近年来，我国配电网中的新能源渗透率越来越高，而故障后，新能源接地方式将直接影响单相故障电流大小。同时，目前故障引起的电压暂降定位方法受负荷影响大，且均从稳态层面开展，鲜有从暂态仿真角度考虑电压暂降源定位方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明结合配电网电压暂降治理和现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)电磁暂态仿真模拟技术，提供一种面向电压暂降事件反演的FPGA模拟装置设计方法，从配电网馈线发生的接地故障切入，依据电磁暂态仿真建模方法对馈线系统建立全电磁暂态模型，并根据波形点电气量与离散仿真时刻变量间的关系，深入分析由单相接地故障引起电压暂降现象，及其所对应时刻系统电压与电流的平衡关系，进而可实现引起电压暂降的故障点位置识别。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向电压暂降事件反演的FPGA模拟装置设计方法，包括如下步骤：

步骤(1)设计基于配电网馈线电磁暂态模型及其降阶模型的FPGA模拟装置总体架构；

步骤(2)通过嵌入两类模型算法-即全阶模型电磁暂态算法和降阶模型电磁暂态算法的FPGA计算结果对比，设计监视器分析指标计算方法；

步骤(3)求解故障点位置、接地电阻与电压暂态特征信息；

步骤(4)设计该电压暂降事件反演的FPGA模拟装置硬件时序分析方法。

进一步地，所述步骤(1)中，所述模拟装置总体架构由SoC-FPGA-1、SoC-FPGA-2及1台上位PC机组成；其中，SoC-FPGA-1的PL侧进行实际配电网馈线的电磁暂态仿真，SoC-FPGA-2的PL侧进行配电网网络降阶变换后的电磁暂态模型仿真，SoC-FPGA-2的PS侧根据降阶变换后的电磁暂态模型，进行电压暂降事件反演算法，上位PC机完成数据存储及指令交互。

进一步地，所述步骤(1)包括设计模拟装置总体架构使用的FPGA芯片选型、计算资源分析、SoC-FPGA-1和SoC-FPGA-2间及其与上位PC机的接口芯片与协议分析、接口数据传输方法以及SoC-FPGA-1和SoC-FPGA-2的PL与PS侧计算过程描述。

进一步地，所述步骤(2)包括：分析比较RT-Lab、实际系统即原始全电磁暂态模型(FPGA-SoC-1)与模拟降阶模型(FPGA-SoC-2)中结果的偏差，以检测有源配电网馈线系统电压暂降异常。

进一步地，所述步骤(3)采用电磁暂态离散代数方程组求解故障点位置、接地电阻大小以及接地点电压值，然后基于计算结果设计电压暂降事件具体的反演流程。

进一步地，所述步骤(4)用于优化模拟装置总体架构的计算性能，对模拟器计算流程的运算时序进行分析，具体包括仿真时间内FPGA电磁暂态模型的并行计算能力以及模拟数据输入到监视器的传输时间的优化。