(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210927935.9 (22)申请日 2022.08.03 (71)申请人 深圳市凌瑞云科技有限公司 地址 518051 广东省深圳市南 山区西丽 街 道西丽社区留仙大道创智云城1标段1 栋G座2单 元2114 (72)发明人 杨政　刘丰瑞　李柏橦　 (74)专利代理 机构 北京圣州专利代理事务所 (普通合伙) 11818 专利代理师 李志强 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方 法 (57)摘要 本发明公开了基于FPGA的电压质量超实时 观测与分析方法， 包括以下步骤： S1、 基于 Cholesky分解法和xilinx提供的VHLS工具， 构建 供FPGA使用的Verilog代码矩阵， 求逆IP核； S2、 基于xilinx提供的cordIC算法IP构建电压相位 瞬时值求解模块； S3、 基于UDP传输协议构建通过 SFP+接口与PC机以及节点电压方程构建的工业 配电园区电磁暂态计算模块； S4、 基于C#的 .NET4.8框架， 开发面向配电网电压质量在线分 析程序。 本发明采用上述基于 FPGA的电压质量超 实时观测与分析方法， 可快速描述电压质量异常 事件、 快速分析电压质量异常事件起因及其定 位， 提高工业园区配电网数字化 程度。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115203971 A 2022.10.18 CN 115203971 A 1.基于FPGA的电压质量超实时观测与分析 方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： S1、 基于Cholesky分解法和xilinx提供的VHLS工具， 构建供FPGA使用的Verilog代码矩 阵， 求逆IP核； S2、 基于xi linx提供的cordIC算法IP 构建电压相位瞬时值 求解模块； S3、 基于UDP传输协议构建通过SFP+接口与PC机以及节点电压方程构建的工业配电园 区电磁暂态计算模块； S4、 基于C#的.NET4.8框架， 开发面向配电网电压质量在线分析程序。 2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法， 其特征在于： 步 骤S1具体包括以下步骤： S11、 证明电力系统节点 导纳矩阵可用C holesky分解法； 忽略实际电网中的单相导通器件， 则节点导纳矩阵是对称的； 又由于节点导纳矩阵自 导为正， 互导为负的特点， 因此节点导纳矩阵的顺序主子式均大于零， 所以将节点导纳矩阵 看作对称正定矩阵， 又由于其正定特性， 因此节点导纳矩阵可采用Cholesky分解法对其分 解； S12、 基于Cholesky分解法构建矩阵求逆模块， 其中， 3阶矩阵Cholesky分解法计算原理 为： A‑1＝(LT)‑1L‑1＝(L‑1)TL‑1     (2) 式中， a11、 a12、 a13、 a21、 a22、 a23、 a31、 a32、 a33为矩阵A内的9个元素， l11、 l21、 l22、 l31、 l32、 l33 为矩阵L内的6个元 素； T代表矩阵的转置， ‑1代表矩阵的逆； S13、 推广后矩阵L中元 素表示为： 公式(3)与(4)中， a为矩阵A内的元素,akk为矩阵A内对角线上的元素， aik为矩阵A内除对 角线以外的元素； l为矩阵L内 的元素， lkk为L矩阵中的对角线上的元素， lik为矩阵除对角线 以外的元素； i代表元素在矩阵第i行， k代表元素在矩阵第k列， j为从1到k的任意整数， 当i 等于k时， 公式(4)转为公式(3)， lij为矩阵L内第i行第j列的元素， lkj为矩阵L内第k行第j列 的元素； S14、 对含有n个节点的工业园区局部配电系统的节点导纳矩阵采用C++代码对算法进 行描述， 在xilinx提供的VHLS工具完成仿真与综合后， 在vivado工具中为Verilog代码调 用；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115203971 A 2S15、 采用高斯消去法求 解L矩阵的逆， 得到逆IP核。 3.根据权利要求1所述的基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法， 其特征在于： 步 骤S2具体包括以下步骤： S21、 由于IP求解三角函数时， 仅支持[ ‑π， π]范围内的有符号定点数， 因此需要对电压 相位进行转换： 假设A相电压计算公式为： 式中， U为电压信号的幅值， ω为电压信号的角速度， t为时间， 为电压信号的相角； 由上式可 得， 当wt+φ>π 时对角度进行转 化： 先将wt+φ对2π取余， 再与π进行比较； 若wt+φ＜π， 则将余数直接带入计算， 若2π>wt+ φ>π， 则通过以下公式计算： 式中， φ为 的补角。 4.根据权利要求1所述的基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法， 其特征在于： 步 骤S3具体包括以下步骤： S31、 根据ZCU10 6板卡使用手册构建SFP+接口数据传输模块； S32、 根据UD P协议构建FPGA数据收发模块； S33、 基于节点电压方程构建工业配电园区电磁暂态计算模块： u＝i·R    (9) 式中， y为节点对应的自导纳与互导纳， u与i为各节点对应的电压与电流瞬时值， R为线 路电阻， L 为线路电感， C为电容， n代 表第n次的迭代数据， Δt 代表离散时间； 将工业园区的线路参数带入公式(9) ‑(11)计算出系统的离散节点导纳矩阵Y， 其中节 点导纳矩阵求逆模块是基于步骤S1所得IP核构建的， 即式(8)的节点导纳矩阵中的各个元 素， 再将测得的初始电压数据带入公 式(8)并在FPGA中开始同步仿 真后然后循环 求解， 得到 超实时仿真数据； S34、 通过SFP+接口数据传输模块， 将FP GA数据收发模块与工业配电园区电磁暂态计算 模块对接后， 通过光纤线路将数据从FPGA数据收发模块发送到PC 机。 5.根据权利要求4所述的基于FPGA的电压质量超实时观测与分析方法， 其特征在于： 在 步骤S34中每步计算出的电压、 电流数据通过ZCU106板卡的SFP+接口基于UDP协议发送至PC权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115203971 A 3