CN102073753B - 面向电力系统仿真的实时分布式仿真平台系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向电力系统仿真的实时分布式仿真平台系统，包括至少一台仿真服务器，每台仿真服务器以PCI桥接方式连接至少一台实时分布式仿真装置，实时分布式仿真装置通过PCI总线同时连接多块智能型仿真板卡，各智能型仿真板卡分别与实际的电力设备进行连接。本实时分布式仿真平台系统通过分布式布局和与现场设备的灵活连接，可以方便地构成适合各种现场需要的实时分布式仿真系统，充分满足电力系统仿真技术的发展要求。

Description

面向电力系统仿真的实时分布式仿真平台系统
技术领域
本发明涉及一种电力系统仿真系统，尤其涉及一种面向电力系统分布式仿真的需要，采用分布式布局的实时分布式仿真平台系统，属于电力系统仿真技术领域。
背景技术
电力系统仿真技术可以分为物理模拟和数字仿真两大类。其中，实时数字仿真技术在电力系统试验研究中得到越来越广泛的应用，而计算机技术及分布式控制技术的发展又进一步推动了实时数字仿真技术的深入发展。
电力系统实时数字仿真技术是通过计算机系统实现电力系统数学模型的演算，将得到的仿真数据输出到仿真装置，由仿真装置的AO(模拟量输出)或DO(数字量输出)板卡产生相应的电气量(或进一步放大输出)并输出到实际电力设备中，并将实际电力设备产生的变化输入AI(模拟量输入)或DI(数字量输入)板卡，转换为数据并反馈回计算机系统。通过实时数字仿真技术可以实现电力系统的分析、故障再现重演、事故追忆、故障录波等。
目前，电力系统仿真技术正在发生由集中仿真控制系统向分布式仿真控制系统的转变。与集中仿真系统相比，分布式仿真控制系统具有易于扩展、灵活性好、性能及稳定性较高等优势。它的规模大小可根据应用项目灵活组合，有效减少对资源的浪费。
为了满足实时性的要求，实时分布式仿真控制系统通常采用MCU(高速精简指令集微处理器)或者DSP(数字信号处理器)作为嵌入式局部总线内核，从而组成智能化、自主处理板内转换的仿真平台系统，有效减少对服务器时间的占用。因此，实时分布式仿真控制系统是智能化、网络化、自动化的仿真平台系统，是未来电力系统仿真技术发展的主流。
但就申请人所知，目前在电力系统仿真技术领域中并没有满足上述分布式仿真系统要求的实时分布式仿真平台解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种面向电力系统仿真的实时分布式仿真平台系统(简称仿真平台系统)。它采用分布式布局，适合电力系统分布式仿真处理的需要。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的方案：
一种面向电力系统仿真的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述实时分布式仿真平台系统包括至少一台仿真服务器，每台所述仿真服务器以PCI桥接方式连接至少一台实时分布式仿真装置，所述实时分布式仿真装置通过PCI总线同时连接多块智能型仿真板卡，各所述智能型仿真板卡分别与实际的电力设备进行连接。
其中，当所述仿真服务器为多台时，各仿真服务器之间通过以太网实现连接。
所述智能型仿真板卡包括AO板卡，所述AO板卡为16位32路通道。
所述AO板卡中具有数字信号处理器，所述数字信号处理器一方面连接局部总线，另一方面连接高速隔离芯片，所述高速隔离芯片连接模数/数模转换处理单元和信号同步单元，所述模数/数模转换处理单元和信号同步单元连接信号处理单元。
在所述PCI总线与所述局部总线之间设有共享的高速缓存，同时还设有信息单元和控制寄存器。
所述智能型仿真板卡包括AI板卡，所述AI板卡中具有数字信号处理器。
所述智能型仿真板卡包括DO板卡，所述DO板卡中具有数字信号处理器。
所述智能型仿真板卡包括DI板卡，所述DI板卡中具有数字信号处理器。
所述AO板卡向实际电力设备1输出模拟的电气量，而所述A I板卡从实际电力设备1处接收相应的反馈信号。所述DO板卡向实际电力设备2输出数字的电气量，而所述DI板卡从实际电力设备2处接收相应的反馈信号。
所述智能型仿真板卡还包括脉冲捕获板卡。
本发明所提供的实时分布式仿真平台系统通过分布式布局和与现场设备的灵活连接，可以方便地构成适合各种现场需要的实时分布式仿真系统，充分满足电力系统仿真技术的发展要求。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本专利进一步说明。
图1为本实时分布式仿真平台系统的整体工作原理示意图；
图2为本仿真平台系统实现实时仿真系统闭环连接的基本原理示意图；
图3为AO板卡的内部结构示意图；
图4为PCI接口及局部总线的连接示意图；
图5为AO板卡中，同步信号输出输入接口的示意图；
图6为DO/DI板卡的内部结构示意图；
图7为脉冲捕获板卡的内部结构示意图；
图8为脉冲捕获板卡捕获脉冲信号的原理示意图；
图9为应用本仿真平台系统的实时分布式变电站仿真系统的示例图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提供的实时分布式仿真平台系统包括至少一台仿真服务器，该仿真服务器可单台进行运算或多台联合进行运算。在进行联合运算时，多台仿真服务器之间通过千兆(或以上速率)以太网进行连接。在每一台仿真服务器中，通过PCIe/PCI桥接方式(由图2中的PCI桥接器提供支持)连接单台或多台实时分布式仿真装置。在本发明的一个实施例中，该实时分布式仿真装置具有12个PCI接口，可通过PCI总线同时扩展连接多块智能型仿真板卡。在实践中，上述PCI接口的数量也可以根据需要进行灵活的调整。
本发明中的智能型仿真板卡分AO(模拟量输出)、AI(模拟量输入)、DO(数字量输出)、DI(数字量输入)、脉冲捕获五种。其中的AO板卡为16位32路通道，DO板卡为64路通道，DI板卡为64路通道，脉冲捕获板卡为32路通道。
图2显示了本仿真平台系统实现实时仿真系统闭环连接的基本原理。在图2中，实时分布式仿真装置所连接的智能型仿真板卡分别与各实际的电力设备如继电保护装置进行连接。其中，AO板卡向实际电力设备1输出模拟的电气量，而AI板卡从实际电力设备1处接收相应的反馈信号。同样地，DO板卡向实际电力设备2输出数字的电气量，而DI板卡从实际电力设备2处接收相应的反馈信号。以此类推，实现了实时仿真系统的闭环连接。
下面对本仿真平台系统中的各组成部分的工作原理作进一步的说明。
本发明中使用的仿真服务器由运算能力较强的高性能计算机或者服务器实现，用于提供仿真运算和输入输出服务功能。它与实时分布式仿真装置通过PCI/PCIe桥接方式实现连接，以便进行数据输入输出的转换。在本仿真服务器中，可采用QNX、Linux等实时操作系统。这些操作系统的实时性能好，且支持多核系统，适合电力系统实时分布式仿真的需要。
实时分布式仿真装置是用于扩展仿真平台系统的硬件板卡。它负责完成与仿真服务器的数据交换及数据转换工作，并提供与外部设备(如继电保护装置)的物理接口、板卡电源、PCI总线及风扇散热系统等。
在本仿真平台系统中，各智能型仿真板卡均带有嵌入式DSP处理器，它负责局部总线的处理。其中，AO板卡基于DSP(例如TIC2000系列数字信号处理器中的TMS320F28334、TMS320F28335等)、高速隔离芯片(例如采用IT711-2芯片)及共享内存技术设计，具有高速输出转换能力。如图3所示，AO板卡中的DSP一方面连接局部总线，另一方面连接高速隔离芯片。该高速隔离芯片连接多个AD/DA(模数/数模)转换处理单元(可以用DAC8814芯片实现)和一个信号同步单元(由IT711-2及驱动电路实现)，这些AD/DA转换处理单元连接信号处理单元。该信号处理单元由基准电源电路(采用REF102、TL431ACLP芯片)和运放电路(采用OPA2228芯片)实现，用于完成信号的变换、零点调整、幅度调整等工作。另外，在AO板卡中还具有E2PROM，它通过I2C连接局部总线。
如图4所示，在PCI总线与局部总线之间设有共享的高速缓存(RAM)，同时还设有控制寄存器、采用CY7C09449芯片实现的信息单元，其中高速RAM用于实现数据共享，信息单元实现信息流控。通过它们可以实现对内存的共享，并支持DMA数据传输，从而有效提高数据吞吐的能力。AO板卡设有信号同步单元，可实现多块AO板卡的输出同步。该同步信号由一个AO板卡输出(可定义为主端)，其它的AO板卡接收(可定义为从端)，因此可以同时支持多块AO板卡。
同步信号的输入输出接口如图5所示，其中P2、P3、P4、P5为同轴接口，P6为主从设置跳线，LSY为板内同步信号，LSY-0为板外同步信号。当P6被断接时，AO板卡设为主方式，板内同步信号通过P6连接至LSY-0，可从同轴接口P2、P3、P4、P5输出。其它的AO板卡的P6跳线设置打开，设为从方式。同步信号可从采用主方式的AO板卡通过同轴电缆接入。
类似地，AI板卡、DO板卡、DI板卡(参见图6所示，其内部结构与AO板卡类似，在此不再赘述)也是基于DSP、高速隔离芯片及共享内存技术设计的，其PCI接口支持高速缓存的共享。这些板卡都有一个共同的特点，就是内部的局部总线由嵌入式DSP处理器来进行管理。相关的AD/DA(模数/数模)转换处理、信号同步等工作都由该DSP负责控制，与上述的仿真服务器无关，从而减小仿真服务器的占用时间，适应电力系统分布式仿真处理的需要。
脉冲捕获板卡参见图7所示，其内部结构也与AO板卡类似，只不过高速隔离芯片与接口之间为多个脉冲电平转换电路。这样，输入的脉冲信号量经脉冲电平转换电路进行信号电平变换后，接入高速隔离芯片，进而变换至DSP。该脉冲捕获板卡支持上升沿、下降沿、上升沿和下降沿同时捕获三种方式，并具有时标信息返回功能。在脉冲捕获板卡中，脉冲信号接入内部的DSP的高速输入端口。如图8所示，脉冲时标可记录计算步长起点到该步长内脉冲到达的上升沿或下降沿。
PCI桥接器包括电源、PCI桥连板卡和PCI扩展槽等。它是计算机网络领域常用的设备，在此就不详细说明了。
上述的各智能型仿真板卡可以根据分布式仿真的实际需要决定数量，并进行灵活多样的组合。例如在图9所示的实时分布式变电站仿真系统中，通过分布式布局和现场控制总线，多个智能型仿真板卡可以组成控制网络并接收后台教员系统的控制指令。与智能型仿真板卡连接的断路器、刀闸及操作机构装置等具有真实设备的所有回路、接点，可以模拟断路器、刀闸及操作机构的正常动作和故障情况，为相关的技术研究和自动化实训提供良好的技术平台。
以上对本发明所提供的电力系统实时分布式仿真平台系统进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (8)

1.一种面向电力系统仿真的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述实时分布式仿真平台系统包括至少一台仿真服务器，每台所述仿真服务器以PCI桥接方式连接至少一台实时分布式仿真装置，所述实时分布式仿真装置通过PCI总线同时连接多块智能型仿真板卡，
各所述智能型仿真板卡分别与实际的电力设备进行连接；
各所述智能型仿真板卡内部的局部总线由嵌入式的数字信号处理器进行管理，所述数字信号处理器同时负责所在智能型仿真板卡中的模数/数模转换和信号同步工作，与所述仿真服务器无关；
在所述PCI总线与所述局部总线之间设有共享的高速缓存，同时还设有信息单元和控制寄存器。
2.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
当所述仿真服务器为多台时，各仿真服务器之间通过以太网实现连接。
3.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述智能型仿真板卡包括模拟量输出板卡，所述模拟量输出板卡向第一实际电力设备输出模拟的电气量。
4.如权利要求3所述的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述模拟量输出板卡中的数字信号处理器一方面连接局部总线，
另一方面连接高速隔离芯片，所述高速隔离芯片连接模数/数模转换处理单元和信号同步单元，所述模数/数模转换处理单元和信号同步单元连接信号处理单元。
5.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述智能型仿真板卡包括模拟量输入板卡。
6.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述智能型仿真板卡包括数字量输出板卡，所述数字量输出板卡向第二实际电力设备输出数字的电气量。
7.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述智能型仿真板卡包括数字量输入板卡。
8.如权利要求1所述的实时分布式仿真平台系统，其特征在于：
所述智能型仿真板卡还包括脉冲捕获板卡。
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