CN113448890A - 分布式仿真系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种分布式仿真系统和控制方法。该系统包括：一个或多个仿真板卡；一个或多个I/O板卡；一个或多个数据采集板卡；一个或多个通信板卡；一个或多个上位机；其中，仿真系统中上位机通过以太网与通信板卡联接，通信板卡通过高速串行接口与其相关联的其它板卡逐一串联，各个相关的仿真板卡之间通过高速串行接口点对点联接，仿真板卡与其相关的数据采集板卡之间通过高速串行接口点对点联接，仿真板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接，数据采集板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接。通过本申请，解决了解决相关技术中的仿真系统总体仿真规模比较受限，难以实现大规模复杂系统的实时仿真的问题。

Description

分布式仿真系统和控制方法

技术领域

本申请涉及实时数字仿真技术领域，具体而言，涉及一种分布式仿真系统和控制方法。

背景技术

当前实时仿真系统通常采用集中式结构设计，硬件主要特点是：包含1个或多个高性能通用CUP，用于实时计算控制模型和时间常数相对较大的仿真模型(仿真运算步长通常大于10微秒)，如需要对时间常数非常小的系统进行仿真(如电力电子系统)，则通常需要包含1个或多个FPGA。FPGA的仿真步长通常为数百纳秒至数微秒，能够对电力电子系统或其它高时间常数的系统进行实时仿真。为了与外部设备进行实时通信，还需要包含高速的模拟与数字信号I/O接口。CPU、FPGA以及所有的I/O接口通过高速总线(如PCI-Express总线)进行通信。为了确保仿真系统的实时性，通常需要一套实时操作系统(例如，实时Linux实时操作系统)。为了对仿真系统进行建模、参数设定、监控以及仿真结果的显示与存储分析，则需相应的上位机和相应的应用程序。当前全球主要的实时仿真系统制造商基本均采用了上述集中式结构设计。集中式结构仿真系统的主要缺点包括：所有模型在1个(或多个)CUP和1个(或多个)FPGA上运行，因此需要很高性能的CUP和FPGA才能满足实时仿真计算要求。实时仿真系统的价格通常非常昂贵，即便采用高性能的CUP和FPGA，总体仿真规模还是比较受限；CUP、FPGA以及I/O均需要通过公共总线(如：PCI-Express)进行通信，导致了通信的实时性或通信量受限制；一个复杂的系统通常包含了较多的部件，每个部件均有不同的动态性能和控制需求。因此，不同部件所要求的仿真步长以及不同部件所对应的控制系统所要求的控制周期也不尽相同。集中式的实时仿真结构，很难实现多个不同的仿真步长和控制周期。

如果说当前主流的集中式仿真系统结构在硬件上主要造成的还只是规模受限和价格高昂，在软件建模上，带来的则是仿真建模巨大困难和大量的重复低效工作。由于基于当前集中式的仿真结构设计，系统集成设计人员需要对系统的所有部件进行仿真建模。在现代工业设计与分工中，一个复杂的系统，通常包含了大量部件。这导致了系统设计人员通常只了解各部件的基本工作原理和接口参数与特性，难以深入了解各部件的运行机理并对部件进行精确的仿真建模；部件的设计和运行原理、内部参数等通常是部件供应商的核心技术秘密，很难提供给系统集成商(通常只提供必要的外部接口参数)。因此，基于现有的仿真系统结构，系统集成设计人员很难建立系统所包含的各部件的精确仿真模型。

针对上述提到的现有相关技术中的仿真系统总体仿真规模比较受限，难以实现大规模复杂系统的高精度实时仿真的问题目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种分布式仿真系统和控制方法，以解决相关技术中的仿真系统总体仿真规模比较受限，难以实现大规模复杂系统的实时仿真的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种分布式仿真系统。该系统包括：一个或多个仿真板卡；一个或多个I/O板卡；一个或多个数据采集板卡；一个或多个通信板卡；一个或多个上位机；其中，所述仿真系统中上位机通过以太网与通信板卡联接，所述通信板卡通过高速串行接口与其相关联的其它板卡逐一串联，各个相关的仿真板卡之间通过高速串行接口点对点联接，所述仿真板卡与其相关的数据采集板卡之间通过高速串行接口点对点联接，所述仿真板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接，所述数据采集板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接。

进一步地，每个仿真板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个现场可编程门阵列FPGA，多个低延时的高速串行接口和至少一个光纤接口，其中，每个仿真板卡，用于对一个子系统进行实时仿真，所述FPGA用于对高于标准动态性能的电力电子系统模型进行定步长实时仿真计算，所述微处理器用于对控制系统模型或低于标准动态性能的其它系统进行实时仿真计算，其中，采用两个高速串行接口与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，其它高速串行接口用于与其相关的仿真板卡或者数据采集板卡点对点联接，以实现低延时通信；所述光纤接口与I/O板卡联接，以实现与I/O板卡之间的低延时通信，同时所述仿真板卡中的微处理器和/或所述仿真板卡中的FPGA还用于处理低延时高速串行接口的数字通信和低延时光纤通信任务。

进一步地，每个I/O板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个高速串行接口，一个光纤接口，其中，所述高速串行接口用于与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，所述光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡联接，以实现与仿真板卡或数据采集板卡之间的低延时通信，所述I/O板卡中的微处理器和/或所述I/O板卡中的FPGA用于处理I/O任务以及低延时光纤通信和高速串行接口的数字通信任务。

进一步地，每个数据采集板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个低延时的高速串行接口，一个以太网接口，一个高速存储单元和至少一个光纤接口，其中，采用两个高速串行接口数字通信接口与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，其它高速串行接口用于与相关的仿真板卡点对点联接，以实现低延时通信，所述光纤接口与I/O板卡联接，以实现所述数据采集板卡与所述I/O板卡之间的低延时通信，所述以太网接口用于向上位机传输仿真结果。

进一步地，每个通信板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个高速串行接口，一个以太网通信接口，其中，各个仿真板卡、所述I/O板卡、所述数据采集板卡通过所述高速串行接口串联后，与所述通信板卡串联，再通过所述以太网通信接口与接入以太网的上位机进行通信，所述通信板卡中的微处理器和/或通信板卡中的FPGA用于处理以太网通信和高速串行接口的数字通信任务。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种分布式仿真的控制方法。该控制方法包括：通过通信板卡接收上位机发送的目标信息，其中，所述目标信息中至少包括：初始化仿真模型、初始化仿真参数、设置信息与控制指令，所述通信板卡通过以太网与所述上位机相联；基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果；通过低延时的高速串行接口将所述仿真结果传输至所述数据采集卡；所述数据采集卡将接收到的仿真结果，通过光纤接口传输给I/O板卡，并通过以太网传输给上位机。

进一步地，基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果包括：各个仿真板卡基于接收到的初始化目标信息，对子系统进行定步长实时仿真运算，并在完成每一步仿真运算后，根据接收到的初始化目标信息中的设置信息，执行以下至少之一的操作：操作一，通过低延时的高速串行接口与其相关联的仿真板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长，从而建立子系统之间的关联与耦合；操作二，通过低延时光纤与其相联的I/O板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作三，通过低延时的高速串行接口与其相联的数据采集板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作四，通过高速串行接口串联回路、通信板卡、以太网从所述上位机获取参数与指令，以实现在实时仿真过程中，所述上位机对所述仿真系统的控制。

进一步地，所述I/O板卡基于接收到的初始化仿真参数和控制指令，通过低延时的光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡进行低延时双向数据交换，并执行I/O任务，其中，根据所述I/O板卡的不同类型，执行不同的I/O任务，I/O任务包括：数模转换、模数转换、数字输入输出，所述数模转换包括将通过光纤接口从仿真板卡或数据采集板卡接收到的数字信号，将每一步的仿真结果，转换成模拟信号并向外部设备输出，所述模数转换包括：从所述外部设备读取模拟输入信号，并转换成数字信号，发送给所述仿真板卡或所述数据采集板卡，所述数字输入输出包括：从外部设备读取数字信号或者向外部设备输出数字信号。

进一步地，所述方法还包括：所述数据采集板卡基于接收到的初始化参数和控制指令，执行数据汇总、分发和存储，其中，所述数据采集板卡还通过低延时的高速串行接口与多个仿真板卡相联，接收并汇总各个仿真板卡的仿真结果，并通过低延时的光纤接口将汇总后的仿真结果输出至所述I/O板卡，通过高速存储单元存储所述汇总后的仿真结果,并通过以太网接口将暂存的仿真接口输出至所述上位机，用于对实时仿真进行监控；所述数据采集板卡还通过低延时的光纤接口接收所述I/O板卡输入的数据，并通过低延时的高速串行接口数字接口将接收到的数据发送至各个仿真板卡。

进一步地，所述上位机中还包括：一套对子系统及其控制单元进行仿真建模的应用程序，所述方法还包括：通过所述应用程序，对各个仿真板卡的子系统及其相应的控制系统进行仿真建模，为建模得到的仿真模型分配相应的计算资源，并将所述仿真模型编译成可在所述仿真板卡上运行的二进制目标代码，将所述二进制目标代码固化存储在对应的仿真板卡中，以实现子系统及其控制单元的仿真模型的开发和使用的分离。

进一步地，所述上位机中还包括：一套对整个分布式仿真系统各板卡的结构和参数进行设置，控制实时仿真流程，显示、存储和分析相应仿真结果的应用程序。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时执行上述任意一项所述的方法。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行上述任意一项所述的方法。

通过本申请，采用包括以下部件的系统：一个或多个仿真板卡；一个或多个I/O板卡；一个或多个数据采集板卡；一个或多个通信板卡；一个或多个上位机；其中，所述仿真系统中上位机通过以太网与通信板卡联接，所述通信板卡通过高速串行接口与其相关联的其它板卡逐一串联，各个相关的仿真板卡之间通过高速串行接口点对点联接，所述仿真板卡与其相关的数据采集板卡之间通过高速串行接口点对点联接，所述仿真板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接，所述数据采集板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接，解决了相关技术中的仿真系统系统总体仿真规模比较受限，难以实现大规模的实时仿真的问题。通过各个仿真板卡联接，可实现仿真规模的无限扩展，进而实现了大规模的实时仿真，同时还保证了高仿真精度的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的包含4个子系统的分布式仿真系统结构简图；

图2是根据本申请实施例提供的包含4个子系统的分布式仿真系统的结构和接线示意图；

图3是根据本申请实施例提供的分布式仿真系统中风场仿真的示意图；

图4是根据本申请实施例提供的分布式仿真系统中电力机车-接触网-变电站-高压输电网-传统能源与新能源并网联合仿真的示意图；以及

图5是根据本申请实施例提供的分布式仿真系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

根据本申请的实施例，提供了一种分布式仿真系统。

图1给出的分布式仿真系统由4个子系统构成简单实施例，其中，子系统1与子系统2串联，子系统2与子系统3和子系统4分别并联。该拓扑结构对应的应用场景例如：子系统1为电源，子系统2为电缆，子系统3和4分别为接入电网的两个负载A和B。各子系统在实时仿真中，通过以下信息交换实现耦合：子系统1向子系统2输入电源接入点的电压，子系统2向子系统1输入电源接入点的电流，子系统2分别向子系统3和4输入负载接入点的电压，子系统3和4分别向子系统2输入负载接入点的电流。根据不同的应用场景，上述所述的电源可以是接单的理想电源，也可是负载的电源系统，如同步发电机、光伏逆变器等；上述负载可以是简单的线性负载、也可使复杂的非线性负载，例如变流器驱动的电机等；上述电缆模型可以是简单的阻抗模型，也可是复杂的分布式电缆模型。对上述系统，可由子系统制造商对每个子系统进行独立的仿真和控制建模(如果包含控制系统)，并将模型固化在相应的仿真板卡上。如：子系统1，建模后为仿真板卡1；子系统2，建模后为仿真板卡2；子系统3，建模后为仿真板卡3；子系统4，建模后为仿真板卡4。同时，各仿真板卡的模型还指定用于信息交换的高速串行接口(例如，LVDS等)的编号和该接口所对应的输入和输出信号，如：仿真板卡1的串行接口1输入电源接入点电流，输出电源接入点电压；仿真板卡2的串行接口1输入电源接入点的电压，输出电源接入点的电流；仿真板卡2的串行接口2输入负载A接入点的电流，输出负载A接入点的电压；仿真板卡2的串行接口3输入负载A接入点的电流，输出负载B接入点的电压；仿真板卡3的串行接口1输入负载A接入点的电压，输出负载A接入点的电流；仿真板卡4的串行接口1输入负载B接入点的电压，输出负载A接入点的电流。

本申请实施例提供的分布式仿真系统系统包括以下部件：一个或多个仿真板卡；一个或多个I/O板卡；一个或多个数据采集板卡；一个或多个通信板卡；一个或多个上位机；其中，仿真系统中上位机通过以太网与通信板卡联接，通信板卡通过高速串行接口与其相关联的其它板卡逐一串联，各个相关的仿真板卡之间通过高速串行接口点对点联接，仿真板卡与其相关的数据采集板卡之间通过高速串行接口点对点联接，仿真板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接，数据采集板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接。

通过本申请实施例提供的分布式仿真系统，解决了相关技术中的仿真系统系统总体仿真规模比较受限，难以实现大规模的实时仿真的问题。通过各个仿真板卡联接，可实现仿真规模的无限扩展，进而实现了大规模的实时仿真，同时还保证了高仿真精度的效果。

例如，图2是图1所述的实施例的结构和接线示意图。如图2所示，该系统包括以下部件：四个仿真板卡；一个I/O板卡；一个数据采集板卡；一个通信板卡；一个上位机；其中，仿真系统中上位机通过以太网与通信板卡联接，通信板卡通过高速串行接口A和B与其相关联的板卡逐一串联(包括仿真板卡1-4、I/O板卡、数据采集板卡)，各个相关的仿真板卡之间通过高速串行接口1-5点对点联接，仿真板卡与其相关的数据采集板卡之间通过高速串行接口1-5点对点联接，数据采集板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接。

图2所示的系统虽然比较小，但从该实施例可以看到，通过各相关联仿真板卡的低延时点对点联接，可实现仿真规模的无限扩展，进而实现了大规模的实时仿真。同时，还保证了高仿真精度的效果。从而，通过本申请实施例提供的分布式仿真系统，解决了相关技术中的仿真系统系统总体仿真规模比较受限，难以实现大规模的实时仿真的问题。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统中，每个仿真板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个现场可编程门阵列FPGA，多个低延时的高速串行接口和至少一个光纤接口，其中，每个仿真板卡，用于对一个子系统进行实时仿真，FPGA用于对高于标准动态性能的电力电子系统模型进行定步长实时仿真计算，微处理器用于对控制系统模型或低于标准动态性能的其它系统进行实时仿真计算，其中，采用两个高速串行接口与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，其它高速串行接口用于与其相关的仿真板卡或者数据采集板卡点对点联接，以实现低延时通信；光纤接口与I/O板卡联接，以实现与I/O板卡之间的低延时通信，同时仿真板卡中的微处理器和/或仿真板卡中的FPGA还用于处理低延时高速串行接口的数字通信和低延时光纤通信任务。

上述的电力电子系统属于高动态系统，需要在FPGA上仿真。其它系统的仿真模型(如时间常数较大的电气系统、机械系统、液压系统、空气动力学系统、热力学系统等)则可以在处理器上运行。上述的FPGA用于对高动态特性的子系统模型(如电力电子系统)进行定步长实时仿真计算，所选择的仿真步长通常不高于1微秒，微处理器用于对控制系统模型或动态性能相对较低的子系统进行实时仿真计算，仿真步长根据子系统的要求通常可设为数十微秒至数毫秒。

由于仿真板卡中采用的是低性能的微处理器和/或至少一个现场可编程门阵列FPGA，因此，仿真器件的硬件成本较低。另外，仿真板卡之间可以采用点对点低延时通信。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统中，每个I/O板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个高速串行接口，一个光纤接口，其中，高速串行接口用于与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡联接，以实现与仿真板卡或数据采集板卡之间的低延时通信，I/O板卡中的微处理器和/或I/O板卡中的FPGA用于处理I/O任务以及低延时光纤通信和高速串行接口的数字通信任务。

需要说明的是，上述的每个I/O板卡可以包括一个微处理器或者一个FPGA，或者，一个微处理器和一个FPGA，在本申请中不作限定。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统中，每个数据采集板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个低延时的高速串行接口，一个以太网接口，一个高速存储单元和至少一个光纤接口，其中，采用两个高速串行接口数字通信接口与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，其它高速串行接口用于与相关的仿真板卡点对点联接，以实现低延时通信，光纤接口与I/O板卡联接，以实现数据采集板卡与I/O板卡之间的低延时通信，以太网接口用于向上位机传输仿真结果。

需要说明的是，上述的每个数据采集板卡可以包括一个微处理器或者一个FPGA，或者，一个微处理器和一个FPGA，在本申请中不作限定。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统中，每个通信板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个高速串行接口，一个以太网通信接口，其中，各个仿真板卡、I/O板卡、数据采集板卡通过高速串行接口串联后，与通信板卡串联，再通过以太网通信接口与接入以太网的上位机进行通信，通信板卡中的微处理器和/或通信板卡中的FPGA用于处理以太网通信和高速串行接口的数字通信任务。

需要说明的是，上述的每个通信板卡可以包括一个微处理器或者一个FPGA，或者，一个微处理器和一个FPGA，在本申请中不作限定。

通过上述的方案，各子系统制造商可以基于本申请提供的仿真软硬件对子系统及其控制进行建模。可在仿真板卡上对子系统进行独立仿真研究，同时，也可将测试后的仿真板卡提供给下游系统集成商。另外子系统制造商开发的仿真模型编译后可以以二进制形式存储与仿真板卡中。

图3展示了该仿真系统在大规模风力发电场的应用。在该应用实例中，需要对包含数十个风塔的风场进行实时仿真。每个仿真板卡均包含一个风塔的电气系统模型，包括：发电机模型(例如永磁同步发电机、双馈异步发电机等)、变流器模型、变压器模型、滤波装置模型等以及相应的控制模型和电缆模型。整个风场，风塔的电气装备可能由不同制造商提供，因此，风塔电气装备的仿真建模可由相应的制造商完成，并将模型固化到相应的仿真板卡中。风场系统集成仿真只需通过硬线联接各仿真板卡相应的高速串行接口，便可实现对包含数十台风塔的风场进行实时仿真研究。

图4则展示了该仿真系统在更大规模复杂电气系统中的应用。该系统包含电力机车、接触网、铁路变电站、高压输电网以及接入高压输电网的各类传统发电装置和新能源发电装置。该系统无论是硬件规模限制还是仿真系统的复杂程度与建模难度，采用传统的集中式实时仿真装置均极难或无法实现。采用分布式仿真系统，不同的装备或子系统，均可由相应的设计制造商进行仿真建模，并将模型固化在相应的仿真板卡中，同时定义用于信息交换的高速串行接口编号和相对应的输入输出信息。通过高速串行接口联接各仿真板卡，则可方便的实现各装备或子系统的联接与电气耦合，构成大系统。同时，由于系统规模的扩展和所需的硬件资源是线性增长的，所以仿真规模原则上没有上限。并且，无论仿真规模扩展至多大，每个装备或子系统均能保持相同的高仿真精度。

图5是根据本申请实施例的分布式仿真系统的控制方法的流程图。本分布式仿真系统的控制方法适用于上述的分布式仿真系统，如图5所示，该系统包括以下步骤：

步骤S501，通过通信板卡接收上位机发送的目标信息，其中，目标信息中至少包括：初始化仿真模型、初始化仿真参数、设置信息与控制指令，通信板卡通过以太网与上位机相联；

步骤S502，基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果；

步骤S503，通过低延时的高速串行接口将仿真结果传输至数据采集卡；

步骤S504，数据采集卡将接收到的仿真结果，通过光纤接口传输给I/O板卡，并通过以太网传输给上位机。

通过上述步骤，基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，可实现仿真规模的无限扩展，进而实现了大规模的实时仿真，同时还保证了高仿真精度的效果。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统的控制方法中，基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果包括：各个仿真板卡基于接收到的初始化目标信息，对子系统进行定步长实时仿真运算，并在完成每一步仿真运算后，根据接收到的初始化目标信息中的设置信息，执行以下至少之一的操作：操作一，通过低延时的高速串行接口与其相关联的仿真板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长，从而建立子系统之间的关联与耦合；操作二，通过低延时光纤与其相联的I/O板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作三，通过低延时的高速串行接口与其相联的数据采集板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作四，通过高速串行接口串联回路、通信板卡、以太网从上位机获取参数与指令，以实现在实时仿真过程中，上位机对仿真系统的控制。

本申请中采用的是分布式仿真系统，每个仿真板卡运行一个子系统的实时仿真，并通过高速串行接口与与之相关仿真板卡进行低延时信息交换。也即，总系统是由相互耦合的多个子系统构成，每个相互耦合的子系统之间，需要进行低延时信息交换。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统的控制方法中，I/O板卡基于接收到的初始化仿真参数和控制指令，通过低延时的光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡进行低延时双向数据交换，并执行I/O任务，其中，根据I/O板卡的不同类型，执行不同的I/O任务，I/O任务包括：数模转换、模数转换、数字输入输出，数模转换包括将通过光纤接口从仿真板卡或数据采集板卡接收到的数字信号，将每一步的仿真结果，转换成模拟信号并向外部设备输出，模数转换包括：从外部设备读取模拟输入信号，并转换成数字信号，发送给仿真板卡或数据采集板卡，数字输入输出包括：从外部设备读取数字信号或者向外部设备输出数字信号。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统的控制方法中，方法还包括：数据采集板卡基于接收到的初始化参数和控制指令，执行数据汇总、分发和存储，其中，数据采集板卡还通过低延时的高速串行接口与多个仿真板卡相联，接收并汇总各个仿真板卡的仿真结果，并通过低延时的光纤接口将汇总后的仿真结果输出至I/O板卡，通过高速存储单元存储汇总后的仿真结果,并通过以太网接口将暂存的仿真接口输出至上位机，用于对实时仿真进行监控；数据采集板卡还通过低延时的光纤接口接收I/O板卡输入的数据，并通过低延时的高速串行接口数字接口将接收到的数据发送至各个仿真板卡。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统的控制方法中，上位机中还包括：一套对子系统及其控制单元进行仿真建模的应用程序，方法还包括：通过应用程序，对各个仿真板卡的子系统及其相应的控制系统进行仿真建模，为建模得到的仿真模型分配相应的计算资源，并将仿真模型编译成可在仿真板卡上运行的二进制目标代码，将二进制目标代码固化存储在对应的仿真板卡中，以实现子系统及其控制单元的仿真模型的开发和使用的分离。

在实际应用中，可由部件制造商对每个部件进行仿真建模，并将经过验证的仿真模型固化存储在相应的仿真板卡中。部件制造商只需向下游的系统集成商提该部件仿真模型的基本描述和对外接口信息，从而有效保护部件制造商的核心技术秘密并最大程度上确保了仿真模型的准确性；同时，系统集成商只需根据相应的接口信息，把该部件对应的仿真板卡接入系统，便可实现大规模复杂系统的高精度实时仿真，从而避免了对每个部件进行仿真建模以及模型验证等大量工作。这将能最大程度的避免重复建模等工作，极大提升系统集成设计和测试的工作效率。

可选地，在本申请实施例提供的分布式仿真系统的控制方法中，上位机中还包括：一套对整个分布式仿真系统各板卡的结构和参数进行设置，控制实时仿真流程，显示、存储和分析相应仿真结果的应用程序。

通过在上位机中设置对整个分布式仿真系统各板卡的结构和参数进行设置，控制实时仿真流程，显示、存储和分析相应仿真结果的应用程序，可以方便用户使用。例如，用户可以直接在上位机的应用程序中配置分布式仿真系统各板卡的结构和参数，用户也可以查看到该应用程序显示的仿真结果。通过上述方案，可以提升用户的体验。

综上，本申请实施例提供的分布式仿真系统的控制方法，通过通过通信板卡接收上位机发送的目标信息，其中，目标信息中至少包括：初始化仿真模型、初始化仿真参数、设置信息与控制指令，通信板卡通过以太网与上位机相联；基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果；通过低延时的高速串行接口将仿真结果传输至数据采集卡；数据采集卡将接收到的仿真结果，通过光纤接口传输给I/O板卡，并通过以太网传输给上位机，解决了相关技术中的仿真系统系统总体仿真规模比较受限，难以实现大规模的实时仿真的问题。进而实现了大规模的实时仿真，同时还保证了高仿真精度的效果。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来实现大规模的系统实时仿真。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现的分布式仿真系统的控制方法。

本发明实施例提供了一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行的分布式仿真系统的控制方法。

本发明实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：通过通信板卡接收上位机发送的目标信息，其中，目标信息中至少包括：初始化仿真模型、初始化仿真参数、设置信息与控制指令，通信板卡通过以太网与上位机相联；基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果；通过低延时的高速串行接口将仿真结果传输至数据采集卡；数据采集卡将接收到的仿真结果，通过光纤接口传输给I/O板卡，并通过以太网传输给上位机。

处理器执行程序时还实现以下步骤：基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果包括：各个仿真板卡基于接收到的初始化目标信息，对子系统进行定步长实时仿真运算，并在完成每一步仿真运算后，根据接收到的初始化目标信息中的设置信息，执行以下至少之一的操作：操作一，通过低延时的高速串行接口与其相关联的仿真板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长，从而建立子系统之间的关联与耦合；操作二，通过低延时光纤与其相联的I/O板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作三，通过低延时的高速串行接口与其相联的数据采集板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作四，通过高速串行接口串联回路、通信板卡、以太网从上位机获取参数与指令，以实现在实时仿真过程中，上位机对仿真系统的控制。

处理器执行程序时还实现以下步骤：I/O板卡基于接收到的初始化仿真参数和控制指令，通过低延时的光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡进行低延时双向数据交换，并执行I/O任务，其中，根据I/O板卡的不同类型，执行不同的I/O任务，I/O任务包括：数模转换、模数转换、数字输入输出，数模转换包括将通过光纤接口从仿真板卡或数据采集板卡接收到的数字信号，将每一步的仿真结果，转换成模拟信号并向外部设备输出，模数转换包括：从外部设备读取模拟输入信号，并转换成数字信号，发送给仿真板卡或数据采集板卡，数字输入输出包括：从外部设备读取数字信号或者向外部设备输出数字信号。

处理器执行程序时还实现以下步骤：数据采集板卡基于接收到的初始化参数和控制指令，执行数据汇总、分发和存储，其中，数据采集板卡还通过低延时的高速串行接口与多个仿真板卡相联，接收并汇总各个仿真板卡的仿真结果，并通过低延时的光纤接口将汇总后的仿真结果输出至I/O板卡，通过高速存储单元存储汇总后的仿真结果,并通过以太网接口将暂存的仿真接口输出至上位机，用于对实时仿真进行监控；数据采集板卡还通过低延时的光纤接口接收I/O板卡输入的数据，并通过低延时的高速串行接口数字接口将接收到的数据发送至各个仿真板卡。

处理器执行程序时还实现以下步骤：上位机中还包括：一套对子系统及其控制单元进行仿真建模的应用程序，方法还包括：通过应用程序，对各个仿真板卡的子系统及其相应的控制系统进行仿真建模，为建模得到的仿真模型分配相应的计算资源，并将仿真模型编译成可在仿真板卡上运行的二进制目标代码，将二进制目标代码固化存储在对应的仿真板卡中，以实现子系统及其控制单元的仿真模型的开发和使用的分离。

处理器执行程序时还实现以下步骤：上位机中还包括：一套对整个分布式仿真系统各板卡的结构和参数进行设置，控制实时仿真流程，显示、存储和分析相应仿真结果的应用程序。本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。

本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：通过通信板卡接收上位机发送的目标信息，其中，目标信息中至少包括：初始化仿真模型、初始化仿真参数、设置信息与控制指令，通信板卡通过以太网与上位机相联；基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果；通过低延时的高速串行接口将仿真结果传输至数据采集卡；数据采集卡将接收到的仿真结果，通过光纤接口传输给I/O板卡，并通过以太网传输给上位机。

当在数据处理设备上执行时，还适于执行初始化有如下方法步骤的程序：基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果包括：各个仿真板卡基于接收到的初始化目标信息，对子系统进行定步长实时仿真运算，并在完成每一步仿真运算后，根据接收到的初始化目标信息中的设置信息，执行以下至少之一的操作：操作一，通过低延时的高速串行接口与其相关联的仿真板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长，从而建立子系统之间的关联与耦合；操作二，通过低延时光纤与其相联的I/O板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作三，通过低延时的高速串行接口与其相联的数据采集板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；操作四，通过高速串行接口串联回路、通信板卡、以太网从上位机获取参数与指令，以实现在实时仿真过程中，上位机对仿真系统的控制。

当在数据处理设备上执行时，还适于执行初始化有如下方法步骤的程序：I/O板卡基于接收到的初始化仿真参数和控制指令，通过低延时的光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡进行低延时双向数据交换，并执行I/O任务，其中，根据I/O板卡的不同类型，执行不同的I/O任务，I/O任务包括：数模转换、模数转换、数字输入输出，数模转换包括将通过光纤接口从仿真板卡或数据采集板卡接收到的数字信号，将每一步的仿真结果，转换成模拟信号并向外部设备输出，模数转换包括：从外部设备读取模拟输入信号，并转换成数字信号，发送给仿真板卡或数据采集板卡，数字输入输出包括：从外部设备读取数字信号或者向外部设备输出数字信号。

当在数据处理设备上执行时，还适于执行初始化有如下方法步骤的程序：数据采集板卡基于接收到的初始化参数和控制指令，执行数据汇总、分发和存储，其中，数据采集板卡还通过低延时的高速串行接口与多个仿真板卡相联，接收并汇总各个仿真板卡的仿真结果，并通过低延时的光纤接口将汇总后的仿真结果输出至I/O板卡，通过高速存储单元存储汇总后的仿真结果,并通过以太网接口将暂存的仿真接口输出至上位机，用于对实时仿真进行监控；数据采集板卡还通过低延时的光纤接口接收I/O板卡输入的数据，并通过低延时的高速串行接口数字接口将接收到的数据发送至各个仿真板卡。

当在数据处理设备上执行时，还适于执行初始化有如下方法步骤的程序：上位机中还包括：一套对子系统及其控制单元进行仿真建模的应用程序，方法还包括：通过应用程序，对各个仿真板卡的子系统及其相应的控制系统进行仿真建模，为建模得到的仿真模型分配相应的计算资源，并将仿真模型编译成可在仿真板卡上运行的二进制目标代码，将二进制目标代码固化存储在对应的仿真板卡中，以实现子系统及其控制单元的仿真模型的开发和使用的分离。

当在数据处理设备上执行时，还适于执行初始化有如下方法步骤的程序：上位机中还包括：一套对整个分布式仿真系统各板卡的结构和参数进行设置，控制实时仿真流程，显示、存储和分析相应仿真结果的应用程序。

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。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，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。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种分布式仿真系统，其特征在于，包括：

一个或多个仿真板卡；

一个或多个I/O板卡；

一个或多个数据采集板卡；

一个或多个通信板卡；

一个或多个上位机；

其中，所述仿真系统中上位机通过以太网与通信板卡联接，所述通信板卡通过高速串行接口与其相关联的其它板卡逐一串联，各个相关的仿真板卡之间通过高速串行接口点对点联接，所述仿真板卡与其相关的数据采集板卡之间通过高速串行接口点对点联接，所述仿真板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接，所述数据采集板卡与其相关的I/O板卡之间通过光纤联接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个仿真板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个现场可编程门阵列FPGA，多个低延时的高速串行接口和至少一个光纤接口，其中，每个仿真板卡，用于对一个子系统进行实时仿真，所述FPGA用于对高于标准动态性能的电力电子系统模型进行定步长实时仿真计算，所述微处理器用于对控制系统模型或低于标准动态性能的其它系统进行实时仿真计算，其中，采用两个高速串行接口与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，其它高速串行接口用于与其相关的仿真板卡或者数据采集板卡点对点联接，以实现低延时通信；所述光纤接口与I/O板卡联接，以实现与I/O板卡之间的低延时通信，同时所述仿真板卡中的微处理器和/或所述仿真板卡中的FPGA还用于处理低延时高速串行接口的数字通信和低延时光纤通信任务。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个I/O板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个高速串行接口，一个光纤接口，其中，所述高速串行接口用于与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，所述光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡联接，以实现与仿真板卡或数据采集板卡之间的低延时通信，所述I/O板卡中的微处理器和/或所述I/O板卡中的FPGA用于处理I/O任务以及低延时光纤通信和高速串行接口的数字通信任务。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个数据采集板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个低延时的高速串行接口，一个以太网接口，一个高速存储单元和至少一个光纤接口，其中，采用两个高速串行接口数字通信接口与前后相邻的板卡串联，用于传输仿真模型与仿真参数，其它高速串行接口用于与相关的仿真板卡点对点联接，以实现低延时通信，所述光纤接口与I/O板卡联接，以实现所述数据采集板卡与所述I/O板卡之间的低延时通信，所述以太网接口用于向上位机传输仿真结果。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每个通信板卡包括：至少一个微处理器和/或至少一个FPGA，多个高速串行接口，一个以太网通信接口，其中，所述各个仿真板卡、所述I/O板卡、所述数据采集板卡通过所述高速串行接口串联后，与所述通信板卡串联，再通过所述以太网通信接口与接入以太网的上位机进行通信，所述通信板卡中的微处理器和/或通信板卡中的FPGA用于处理以太网通信和高速串行接口的数字通信任务。

6.一种分布式仿真系统的控制方法，其特征在于，所述仿真系统为上述权利要求1至5中任意一项所述的仿真系统，包括：

通过通信板卡接收上位机发送的目标信息，其中，所述目标信息中至少包括：初始化仿真模型、初始化仿真参数、设置信息与控制指令，所述通信板卡通过以太网与所述上位机相联；

基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果；

通过低延时的高速串行接口将所述仿真结果传输至所述数据采集卡；

所述数据采集卡将接收到的仿真结果，通过光纤接口传输给I/O板卡，并通过以太网传输给上位机。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于各个仿真板卡的目标信息控制各个仿真板卡进行仿真，得到仿真结果，包括：

各个仿真板卡基于接收到的初始化目标信息，对子系统进行定步长实时仿真运算，并在完成每一步仿真运算后，根据接收到的初始化目标信息中的设置信息，执行以下至少之一的操作：

操作一，通过低延时的高速串行接口与其相关联的仿真板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长，从而建立子系统之间的关联与耦合；

操作二，通过低延时光纤与其相联的I/O板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；

操作三，通过低延时的高速串行接口与其相联的数据采集板卡进行双向数据交换，通信延时不高于FPGA仿真步长；

操作四，通过高速串行接口串联回路、通信板卡、以太网从所述上位机获取参数与指令，以实现在实时仿真过程中，所述上位机对所述仿真系统的控制。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述I/O板卡基于接收到的初始化仿真参数和控制指令，通过低延时的光纤接口与仿真板卡或数据采集板卡进行低延时双向数据交换，并执行I/O任务，其中，根据所述I/O板卡的不同类型，执行不同的I/O任务，I/O任务包括：数模转换、模数转换、数字输入输出，所述数模转换包括将通过光纤接口从仿真板卡或数据采集板卡接收到的数字信号，即每一步的仿真结果，转换成模拟信号并向外部设备输出，所述模数转换包括：从所述外部设备读取模拟输入信号，并转换成数字信号，发送给所述仿真板卡或所述数据采集板卡，所述数字输入输出包括：从外部设备读取数字信号或者向外部设备输出数字信号。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述数据采集板卡基于接收到的初始化参数和控制指令，执行数据汇总、分发和存储，其中，所述数据采集板卡还通过低延时的高速串行接口与多个仿真板卡相联，接收并汇总各个仿真板卡的仿真结果，并通过低延时的光纤接口将汇总后的仿真结果输出至所述I/O板卡，通过高速存储单元存储所述汇总后的仿真结果,并通过以太网接口将暂存的仿真接口输出至所述上位机，用于对实时仿真进行监控；所述数据采集板卡还通过低延时的光纤接口接收所述I/O板卡输入的数据，并通过低延时的高速串行接口数字接口将接收到的数据发送至各个仿真板卡。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述上位机中还包括：一套对子系统及其控制单元进行仿真建模的应用程序，所述方法还包括：

通过所述应用程序，对各个仿真板卡的子系统及其相应的控制系统进行仿真建模，为建模得到的仿真模型分配相应的计算资源，并将所述仿真模型编译成可在所述仿真板卡上运行的二进制目标代码，将所述二进制目标代码固化存储在对应的仿真板卡中，以实现子系统及其控制单元的仿真模型的开发和使用的分离。

11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述上位机中还包括：一套对整个分布式仿真系统各板卡的结构和参数进行设置，控制实时仿真流程，显示、存储和分析相应仿真结果的应用程序。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时执行权利要求6至11中任意一项所述的方法。

13.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求6至11中任意一项所述的方法。

Images