CN112131812B - 一种多步长并行电力实时仿真系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多步长并行电力实时仿真系统和方法，所述系统包括实时仿真机、开发平台、采集存储平台和监控平台；所述实时仿真机为系统模型的运行装置，所述系统模型包括控制算法模型和被控对象模型；所述开发平台包括模型与算法开发平台和模型载入与通信配置平台，分别用于实时仿真机中模型与算法的开发和模型的载入与通信配置；所述采集存储平台包含接口平台和数据库，分别用于系统模型运行数据的采集和存储；所述监控平台用于在仿真系统运行过程中进行系统模型运行数据监视以及控制指令的下发。可满足电力系统仿真要求，更加贴近电力系统真实的运行环境，提升仿真结果的可靠性；同时具备灵活扩展特性和兼容性，降低了电力系统研究开发周期。
Description
技术领域
本发明属于电力系统仿真技术领域，涉及一种多步长并行电力实时仿真系统和方法。
背景技术
在电力系统仿真时，要做到与实际系统运行环境更加接近，模拟效果更具备真实性和可靠性，需要满足以下几个要求：
(1)电力系统仿真除系统级能量管理外，电力电子设备级模拟也十分重要，电力电子级建模可对系统运行过程中产生的电压、电流谐波、以及响应速度等进行精确测量控制；
(2)在真实的电力系统中，控制器指令计算并下发的步长与被控设备的运行步长并不总是相同的；
(3)通常电力系统仿真中，只考虑能量流即电力与负荷的消纳管理、电力设备的安全控制、电力系统稳定性，却往往忽略对电力系统中的实际网络通信协议和信号传输过程的模拟；
(4)要获取电力系统在实际运行过程中可能受到的控制扰动、传输干扰等情况的响应，就需要仿真系统的运行时间尺度与自然时间尺度相同，即实时仿真；
(5)系统具备灵活扩展性，兼容多种平台对仿真系统进行访问和控制。
要满足以上要求，对于离线仿真来说，对仿真设备要求很高，存储空间不够容易卡死。以一个普通PC机为例，其基本配置为Inter(R)core(TM)i7-7500U CPU及8.00GB RAM，当一个含两种分布式能源的电力电子级仿真系统执行微秒级仿真时，实际消耗的时间通常是模型设置仿真时长的2倍以上，并且离线仿真控制算法和被控对象通常在一个模型文件中，无法做到多步长交互运行，更加无法模拟真实的网络通信情况。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种多步长并行电力实时仿真系统和方法，基于电力生产现场网络和平台架构，建立包含发电、控制、采集、存储、管理监视各部分的电力实时仿真系统，可满足电力系统仿真要求，尽可能更多地模拟实际系统的各个环节，更大程度上贴近电力系统真实的运行环境，提升仿真结果的可靠性；同时具备灵活扩展特性和兼容性，降低了电力系统研究开发周期。
为了实现上述目标，本申请的第一件发明采用如下技术方案：
一种多步长并行电力实时仿真系统，所述系统包括实时仿真机、开发平台、采集存储平台和监控平台；
所述实时仿真机为系统模型的运行装置，所述系统模型包括控制算法模型和被控对象模型；
所述开发平台包括模型与算法开发平台和模型载入与通信配置平台，分别用于实时仿真机中模型与算法的开发和模型的载入与通信配置；
所述采集存储平台包含接口平台和数据库，分别用于系统模型运行数据的采集和存储；
所述监控平台用于在仿真系统运行过程中进行系统模型运行数据监视以及控制指令的下发。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，所述的实时仿真机包括CPU和FPGA，用于实现不同步长模型之间的交互并行；
所述CPU用于运行控制算法模型，最小运行步长为50us；
所述FPGA用于运行被控对象模型，最小运行步长为250ns。
优选地，所述FPGA和CPU之间通过背板实现通信；
所述背板包括PXIe总线、差分系统时钟、差分信号传输以及差分星形触发总线，其中PXIe总线将PCI Express技术集成到PXI标准中，从而将背板带宽从132MB/s提升到6GB/s；差分系统时钟用于实现多个设备的采样时钟同步到相同的参考时钟上；差分信号传输以及差分星形触发总线用于实现机箱设备协同触发，的同时使用相同的时钟边沿；
CPU通过PXIe总线向FPGA传输被控对象模型的控制信号，FPGA通过PXIe总线向CPU传输被控对象模型的实时状态数据，用于控制算法模型的运算执行。
优选地，所述被控对象模型的控制信号包括逆变器PMW控制信号和断路器控制信号；
所述被控对象模型的实时状态数据包括实时有功功率、无功功率值、电压、电流、电网频率、并网点电压相位差、并网点电压幅值差和电池SOC。
优选地，所述模型与算法开发平台为Simulink，在其上分别建立控制算法模型和被控对象模型；
Simulink建立的mdl格式的被控对象模型文件直接加载到模型载入与通信配置平台上，Simulink建立的mdl格式的控制算法模型文件经过NIVeriStand接口编译为dll文件，然后加载到模型载入与通信配置平台上。
优选地，所述模型载入与通信配置平台为StarSim HIL，StarSim HIL通过TCP/IP网络通信将控制算法模型和被控对象模型分别下载配置到实时仿真机的CPU和FPGA中；
模型下载前，在StarSim HIL上的ModbusTCP接口定义功能块中，定义控制算法模型和被控对象模型中需要对外交互的运行数据信息，所述运行数据信息包括变量名称、信号类型、通道地址、读写类型和数据类型。
优选地，所述接口平台包含ModbusTCP协议接口，以及支持Java、Python和C语言在内的数据库通信接口API；
所述接口平台通过对要访问运行数据信息进行相应的配置，实现对系统模型运行数据的访问，同时将访问到的数据存储到数据库中；
所述数据库与接口平台部署在不同设备上时，接口平台向数据库写入时手动配置数据库所在IP地址。
优选地，所述监控平台为任意语言开发的支持ModbusTCP通信的软件；
所述监控平台中，对待监控的系统模型运行数据设置报警限值，当运行数据数值超出报警限值时弹出报警画面，提示监控人员采取相应的操作；
所述监控平台下发是控制指令包括启动/停止指令、使能控制指令以及并/脱网/强制并网指令。
本申请还公开了另一件发明，即一种多步长并行实时仿真方法，基于上述的多步长并行电力实时仿真系统，所述方法包括以下步骤：
步骤1：开发平台进行实时仿真机中模型与算法的开发和模型的载入与通信配置；
步骤2：实时仿真机运行系统模型，系统模型包括控制算法模型和被控对象模型；
步骤3：采集存储平台进行系统模型运行数据的采集和存储；
同时，监控平台进行系统模型运行数据监视以及控制指令的下发。
本申请所达到的有益效果：
1.本申请采用通过PXIe总线融合CPU和FPGA的实时仿真机，可实现低至1微秒的多步长、任意拓扑和工况的电力电子实时仿真系统；
2.本申请采用工业现场广泛使用的ModbusTCP工业以太网协议完成通信，同时信号在传输过程中的受到的真实干扰、延时等情况可以真实复现，使得仿真环境更加贴近现场工况；
3.本申请基于交换机的拓扑架构，基于多语言的接口平台、数据库、以及监控平台使得系统可实现灵活扩展，加快系统搭建、研究等相应的进程。
附图说明
图1是本申请实施例中一种多步长并行电力实时仿真系统结构示意图；
图2是本申请实施例中被控对象模型示意图；
图3是本申请实施例中控制算法模型示意图；
图4是本申请实施例中监控平台画面。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
以一个风储荷微电网实时仿真系统为实施例对本申请的技术方案做进一步详细介绍。
如图1所示，本申请的一种多步长并行电力实时仿真系统，所述系统包括实时仿真机、开发平台、采集存储平台和监控平台；
所述实时仿真机为系统模型的运行装置，所述系统模型包括控制算法模型和被控对象模型；
本申请实施例中，所述的实时仿真机包括CPU和FPGA，用于实现不同步长模型之间的交互并行；
所述CPU用于运行控制算法模型，最小运行步长为50us；
所述FPGA用于运行被控对象模型，最小运行步长可达250ns。
所述FPGA和CPU之间通过背板实现通信；
所述背板包括PXIe总线、差分系统时钟、差分信号传输以及差分星形触发总线，其中PXIe，即PCI Express，PXIe基于Compact PCI标准，增加了时钟和同步触发总线，但其核心仍然是PCI总线，PXIe总线将PCI Express技术集成到PXI标准中，从而将背板带宽从132MB/s提升到6GB/s；差分系统时钟能够让多个设备将其采样时钟同步到相同的参考时钟上；差分信号传输以及差分星形触发总线让机箱设备可以进行协同触发，并且使用相同的时钟边沿。
CPU通过PXIe总线向FPGA传输被控对象模型的控制信号，FPGA通过PXIe总线向CPU传输被控对象模型的实时状态数据，用于控制算法模型的运算执行。
所述被控对象模型的控制信号包括逆变器PMW控制信号和断路器控制信号；
所述被控对象模型的实时状态数据包括实时有功功率、无功功率值、电压、电流、电网频率、并网点电压相位差、并网点电压幅值差和电池SOC。
SOC，State ofcharge，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。
所述开发平台包括模型与算法开发平台和模型载入与通信配置平台，分别用于实时仿真机中模型与算法的开发和模型的载入与通信配置；
本申请实施例中，所述模型与算法开发平台为Simulink，在其上分别建立控制算法模型和被控对象模型；
Simulink建立的被控对象模型mdl文件直接加载到模型载入与通信配置平台上，Simulink建立的控制算法模型mdl文件经过NIVeriStand接口编译为dll文件，然后加载到模型载入与通信配置平台上。其中NIVeriStand为一种配置实时测试应用程序的软件环境。
所述模型载入与通信配置平台为StarSim HIL，StarSim HIL通过TCP/IP网络通信将控制算法模型和被控对象模型分别下载配置到实时仿真机的CPU和FPGA中；
其中StarSim HIL为一款硬件在环实时仿真系统的上位机开发环境。
前述中提到CPU和FPGA通过背板的PXIe总线通信，除此之外，要实现CPU中控制算法模型和FPGA中的被控对象模型可以组成闭环系统并行，模型下载前，需要使用StarSimHIL进行可视化的自主配置，将控制算法模型和被控对象模型的输入输出接口分别匹配对应起来，具体为：
模型下载前，在StarSim HIL上的ModbusTCP接口定义功能块中，定义控制算法模型和被控对象模型中需要对外交互的运行数据信息，所述运行数据信息包括变量名称、信号类型(即模拟量、数字量)、通道地址(模拟量400000起、数字量00000起)、读写类型、数据类型等内容。通过ModbusTCP接口定义后的变量，在实时仿真系统运行过程中，只要与其在同一局域网内并支持ModbusTCP协议的设备，都可以实时访问这些变量。
本申请实施例中，由Simulink建立的风储荷微电网被控对象模型和控制算法模型分别如图2和图3所示。
图2中的风储荷微电网被控对象模型中包括2台额定功率为30kW的直驱风电机组、75kW锂离子电池储能系统、1处动态负载，该动态负载并网工况下为30kW有功负荷，10kVar无功负荷、2处普通居民负荷，其中1处为10kW有功负荷及5kVar无功负荷，另1处为30kW有功负荷及15kVar无功负荷，被控对象模型运行步长设置为50us。
Simulink建立的被控对象模型mdl文件，可以直接由StatSim HIL加载并下载到实时仿真机的CPU上。
图3中的控制算法模型包括并网和孤岛运行模式的控制与切换、并网模式下对储能模块的充放电控制、孤岛模式下对动态负载的管理、孤岛模式下电压支撑和无功功率的管理等内容。Simulink建立控制算法模型mdl文件，需要通过NIVeristand功能块将其编译为dll格式文件，再由StarSim HIL加载并下载到实时仿真机的CPU中，控制算法模型运行步长设置为1us。
所述采集存储平台包含接口平台和数据库，分别用于系统模型运行数据的采集和存储；
所述接口平台是基于C语言开发的一套适用于Windows系统的客户端软件。该软件封装了ModbusTCP协议接口，以及支持Java、Python和C等多种语言在内的数据库通信接口API；
通过所述接口平台，可以避免繁琐的网络通信代码编程，只需要对要访问运行数据信息，包括信号类型、通道地址、读写类型和数据类型等内容进行相应的配置，即可实现对系统模型运行数据的访问，同时将访问到的数据存储到数据库中。
所述数据库可以是任意数据库，包括关系数据库或时序数据库，该数据库可以与接口平台部署在同一台设备上，也可以部署在不同的设备上。如果部署在同一台设备上，那么接口平台向数据库写入时的默认IP地址配置为127.0.0.1，也可以自定义为其他IP地址；如果不在同一台设备上，接口平台向数据库写入时手动配置一下数据库所在IP地址即可。
本申请实施例中，数据库为Vestore实时历史数据库，与接口平台部署在同一台设备上，实时仿真系统启动运行后，接口平台首先通过ModbusTCP接口访问到系统模型的运行数据，然后再采用C语言API接口将数据存储到Vestore实时历史数据库中。其中Vestore为一款实时历史数据库管理系统软件。
所述监控平台用于在仿真系统运行过程中进行系统模型运行数据监视以及控制指令的下发。
所述监控平台为任意语言开发的支持ModbusTCP通信的软件；
本申请实施例中，监控平台由Labview编程组态实现。
如图4所示，所述监控平台主要实现两类功能，一类是向系统模型下发控制指令信号，例如启动/停止指令、使能控制指令、并/脱网/强制并网指令等；一类是访问系统模型的运行数据，包括实时有功功率、无功功率值、电网频率、并网点电压相位差/幅值差、电池SOC等；并对储能电池SOC变量设置报警限值，当变量数值超出[10％～90％]范围时弹出报警画面，提示监控人员采取相应的操作。
本申请的一种多步长并行实时仿真方法，基于上述的多步长并行电力实时仿真系统，所述方法包括以下步骤：
步骤1：开发平台进行实时仿真机中模型与算法的开发和模型的载入与通信配置；
即开发平台分别建立被控对象模型和控制算法模型，并由模型载入与配置平台加载模型文件，对被控对象模型和控制算法模型接口进行IO配置，同时对涉及到需要网络访问的变量执行ModbusTCP配置；然后将控制算法模型和被控对象模型分别下载到实时仿真机上的CPU和FPGA中。
StarSim HIL与实时仿真机之间通信接口配置：StarSim HIL通过TCP/IP网络通信实现模型的下载任务，这一步需要在其上设置实时仿真机的IP地址以及TCP/IP端口。本申请实施例中实时仿真机的IP地址为10.121.52.211)，TCP/IP端口的端口范围50001～50010，选择设置为50001。
控制算法模型与被控对象模型输入输出变量接口配置：实时仿真机中的CPU向FPGA传输PWM等控制信号，FPGA向CPU传输电压、电流、频率等采集信号。它们之间是通过背板的PXIe总线通信的，背板中包含PXIe总线、100MHz的差分系统时钟、差分信号传输以及查分星形触发总线，PXIe总线采用串行传输，点到点的总线拓扑结构，不同于PXI在所有总线设备间分享带宽，PXIe为每一个设备提供单独的传输通道。除此之外，要实现CPU中控制算法模型和FPGA中的被控对象模型可以组成闭环系统传输控制与状态变量数据，需要使用StarSim HIL进行可视化的自主配置，将两部分模型的输入输出接口变量分别匹配对应起来。
ModbusTCP网络访问变量通信接口配置：如表1所示，模型下载前，在StarSim HIL上的ModbusTCP接口定义功能块中，定义控制算法模型和被控对象模型中需要对外交互的系统模型运行数据信息，包括变量名称、信号类型，信号类型分为模拟量和数字量、通道地址(模拟量400000起、数字量00000起)、读写类型、数据类型等内容。通过ModbusTCP接口定义后的变量，在实时仿真系统运行过程中，只要与其在同一局域网内并支持ModbusTCP协议的设备，都可以实时访问这些变量。本申请实施例共6个读开关量、1个写开关量、3个读模拟量、15个写模拟量。表1中的Coils代表信号类型为数字量，当其数据类型为Boolean代表这是一个开关量；Holding Register代表模拟量，当其数据类型为Double代表是双精度的模拟量。
表1 ModbusTCP变量配置信息表
步骤2：实时仿真机运行系统模型，系统模型包括控制算法模型和被控对象模型；
步骤3：采集存储平台进行系统模型运行数据的采集和存储；
同时，监控平台进行系统模型运行数据监视以及控制指令的下发。
本申请利用通过PXIe总线融合CPU和FPGA的实时仿真机，实现低至1微秒的多步长、任意拓扑和工况的电力电子实时仿真系统，并采用工业现场广泛使用的ModbusTCP协议进行通信，使得仿真环境更加贴近现场工况；该仿真系统基于交换机的拓扑架构，基于多语言的接口平台、数据库和监控平台使得系统可实现灵活扩展，加快系统搭建、研究等相应的进程。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种多步长并行电力实时仿真系统，所述系统包括实时仿真机、开发平台、采集存储平台和监控平台；其特征在于：
所述实时仿真机为系统模型的运行装置，所述系统模型包括控制算法模型和被控对象模型；
所述的实时仿真机包括CPU和FPGA，用于实现不同步长模型之间的交互并行；
所述CPU用于运行控制算法模型，最小运行步长为50us；
所述FPGA用于运行被控对象模型，最小运行步长为250ns；
控制算法模型包括并网和孤岛运行模式的控制与切换、并网模式下对储能模块的充放电控制、孤岛模式下对动态负载的管理、孤岛模式下电压支撑和无功功率的管理；
所述被控对象模型的控制信号包括逆变器PMW控制信号和断路器控制信号；
所述被控对象模型的实时状态数据包括实时有功功率、无功功率值、电压、电流、电网频率、并网点电压相位差、并网点电压幅值差和电池SOC；
所述开发平台包括模型与算法开发平台和模型载入与通信配置平台，分别用于实时仿真机中模型与算法的开发和模型的载入与通信配置；
所述采集存储平台包含接口平台和数据库，分别用于系统模型运行数据的采集和存储；
所述监控平台用于在仿真系统运行过程中进行系统模型运行数据监视以及控制指令的下发。
2.根据权利要求1所述的一种多步长并行电力实时仿真系统，其特征在于：
所述FPGA和CPU之间通过背板实现通信；
所述背板包括PXIe总线、差分系统时钟、差分信号传输以及差分星形触发总线，其中PXIe总线将PCI Express技术集成到PXI标准中，从而将背板带宽从132MB/s提升到6GB/s；差分系统时钟用于实现多个设备的采样时钟同步到相同的参考时钟上；差分信号传输以及差分星形触发总线用于实现机箱设备协同触发，的同时使用相同的时钟边沿；
CPU通过PXIe总线向FPGA传输被控对象模型的控制信号，FPGA通过PXIe总线向CPU传输被控对象模型的实时状态数据，用于控制算法模型的运算执行。
3.根据权利要求1所述的一种多步长并行电力实时仿真系统，其特征在于：
所述模型与算法开发平台为Simulink，在其上分别建立控制算法模型和被控对象模型；
Simulink建立的mdl格式的被控对象模型文件直接加载到模型载入与通信配置平台上，Simulink建立的mdl格式的控制算法模型文件经过NIVeriStand接口编译为dll文件，然后加载到模型载入与通信配置平台上。
4.根据权利要求1所述的一种多步长并行电力实时仿真系统，其特征在于：
所述模型载入与通信配置平台为StarSim HIL，StarSim HIL通过TCP/IP网络通信将控制算法模型和被控对象模型分别下载配置到实时仿真机的CPU和FPGA中；
模型下载前，在StarSim HIL上的ModbusTCP接口定义功能块中，定义控制算法模型和被控对象模型中需要对外交互的运行数据信息，所述运行数据信息包括变量名称、信号类型、通道地址、读写类型和数据类型。
5.根据权利要求1所述的一种多步长并行电力实时仿真系统，其特征在于：
所述接口平台包含ModbusTCP协议接口，以及支持Java、Python和C语言在内的数据库通信接口API；
所述接口平台通过对要访问运行数据信息进行相应的配置，实现对系统模型运行数据的访问，同时将访问到的数据存储到数据库中；
所述数据库与接口平台部署在不同设备上时，接口平台向数据库写入时手动配置数据库所在IP地址。
6.根据权利要求1所述的一种多步长并行电力实时仿真系统，其特征在于：
所述监控平台为任意语言开发的支持ModbusTCP通信的软件；
所述监控平台中，对待监控的系统模型运行数据设置报警限值，当运行数据数值超出报警限值时弹出报警画面，提示监控人员采取相应的操作；
所述监控平台下发是控制指令包括启动/停止指令、使能控制指令以及并/脱网/强制并网指令。
7.一种多步长并行实时仿真方法，其特征在于：
所述方法包括以下步骤：
步骤1：开发平台进行实时仿真机中模型与算法的开发和模型的载入与通信配置；
步骤2：实时仿真机运行系统模型，系统模型包括控制算法模型和被控对象模型；
所述的实时仿真机包括CPU和FPGA，用于实现不同步长模型之间的交互并行；
所述CPU用于运行控制算法模型，最小运行步长为50us；
所述FPGA用于运行被控对象模型，最小运行步长为250ns；
控制算法模型包括并网和孤岛运行模式的控制与切换、并网模式下对储能模块的充放电控制、孤岛模式下对动态负载的管理、孤岛模式下电压支撑和无功功率的管理；
所述被控对象模型的控制信号包括逆变器PMW控制信号和断路器控制信号；
所述被控对象模型的实时状态数据包括实时有功功率、无功功率值、电压、电流、电网频率、并网点电压相位差、并网点电压幅值差和电池SOC；
步骤3：采集存储平台进行系统模型运行数据的采集和存储；
同时，监控平台进行系统模型运行数据监视以及控制指令的下发。
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| "基于FPGA的高速电力电子半实物仿真器";马龙华 等;《电气应用》;第36卷(第18期);24-28 * |
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