CN115356950A - 一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于仿真技术领域，提出了一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台及方法,通过用户数据报协议通信的中央处理器计算板卡和现场可编程逻辑门阵列计算板卡，如果仿真任务是空气动力学仿真和/或机械动力学仿真，则采用中央处理器计算板卡中的实时仿真模型，实现更新速度为秒级的风电机组空气动力学仿真和/或机械动力学仿真；如果仿真任务是电磁暂态仿真，则采用现场可编程逻辑门阵列计算板卡中的风电机组的电气部分模型，实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真；通过自主设计的异构型硬件平台能够实现风电机组高精度实时仿真，将不同算力要求的仿真模型置于不同算力的计算板卡中，实现了最优的实时性能、降低了平台建设成本。
Description
技术领域
本发明属于仿真技术领域，尤其涉及一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台及方法。
背景技术
随着社会的发展，风电发电产量呈现倍增趋势，保持风电开发规模持续扩大。可见未来几年风电发展仍然会保持高速增长，风电利用水平将进一步提升。然而，风电渗透率的增加也带来了一系列问题。对于大规模风电场，风电并网对于电力系统稳定性的影响、风机控制策略以及故障预测等高级算法的实际验证成本越来越高。因此，目前急需一套能够搭载高精度仿真模型的实时仿真平台来降低算法验证的成本，提高算法开发效率。
发明人发现，目前，对于高精度实时仿真平台，一方面高精度风电机组模型具有非线性、多物理场耦合以及多时间尺度的计算特性，对算力要求较高；而另一方面，现有单一架构的计算平台无法在如此大的计算量下实现实时仿真，导致现有的研究大多针对不同的研究领域对风电机组模型进行简化，使模型失去了风电机组的一些显著特性。并且，现有的一些采用静态功率系数模型代替空气动力模型、只考虑主要的振动模态的仿真模型以及将风电机组的发电机以及变换器模型简化为一阶滞后环节等简化后的风电机组模型不具有通用性，无法对涉及多物理场的高级算法进行开发验证，还有一些模型存在成本较高的问题，不利于推广使用和仿真平台在风电行业的发展。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台及方法，建立一种低成本且能够搭载高精度风电机组模型的实时仿真平台,对于风电产业的良性发展、打破了高成本实时仿真平台设计技术的壁垒。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，采用如下技术方案：
一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，包括中央处理器计算板卡和现场可编程逻辑门阵列计算板卡；所述中央处理器计算板卡和所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡之间通过用户数据报协议通信；
所述中央处理器计算板卡中存有二次开发的实时仿真模型，二次开发的实时仿真模型用于实现更新速度为秒级的风电机组空气动力学仿真以及机械动力学仿真；
所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中存有风电机组的电气部分模型，所述电气部分模型用于实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真。
进一步的，所述中央处理器计算板卡中使用经Xenomai扩展后的Linux硬实时操作系统。
进一步的，将基于OpenFAST二次开发的实时仿真模型中的气动模型和风机机械模型运行在所述中央处理器计算板卡中。
进一步的，所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中，建立并行化的风电机组电磁暂态模型，通过解耦计算与硬件电路优化将每一步的计算时间约束到预设微秒以内。
进一步的，所述中央处理器计算板卡和所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡之间通过在实时网络协议栈下实现的用户数据报协议进行双向数据交互。
进一步的，采用ARM作为风电机组仿真的内置控制器。
进一步的，ARM中实现风电机组控制策略，对所述中央处理器计算板卡以及所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中的模型下达桨距、偏航和变换器开关指令。
进一步的，所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中预留RT-Lab和PLC硬件控制器的接口。
进一步的，所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中设有定时器，所述定时器在每个指定的时间点产生一个脉冲，从而控制电磁暂态模型的开启以及数据的接收与发送。
为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真方法，采用如下技术方案：
一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真方法，采用了如第一方面中所述的基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，包括：
获取仿真任务，并判断仿真任务是空气动力学仿真、机械动力学仿真还是电磁暂态仿真；
如果仿真任务是空气动力学仿真和/或机械动力学仿真，则采用所述中央处理器计算板卡中的基于OpenFAST二次开发的实时仿真模型，实现更新速度为秒级的风电机组空气动力学仿真和/或机械动力学仿真；
如果仿真任务是电磁暂态仿真，则采用所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中的风电机组的电气部分模型，实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明中的风电机组实时仿真平台包括通过用户数据报协议通信的中央处理器计算板卡和现场可编程逻辑门阵列计算板卡，如果仿真任务是空气动力学仿真和/或机械动力学仿真，则采用所述中央处理器计算板卡中的基于OpenFAST二次开发的实时仿真模型，实现更新速度为秒级的风电机组空气动力学仿真和/或机械动力学仿真；如果仿真任务是电磁暂态仿真，则采用所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中的风电机组的电气部分模型，实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真；本发明通过自主设计的异构型硬件平台能够实现风电机组高精度实时仿真，打破了高成本风电机组实时仿真的技术的垄断，将不同算力要求的仿真模型置于不同算力的计算板卡中，实现了最优的实时性能、降低了平台建设成本以及实现了仿真平台的通用性；
2、本发明中的中央处理器计算板卡通用性好，方便添加高级算法接口；
3、本发明中，中央处理器计算板卡与现场可编程逻辑门阵列计算板卡通过在RTnet下实现的用户数据报协议通讯协议，无需额外添加通信模块，降低了平台结构的复杂性，提升了平台运行的可靠性，降低了开发成本；
4、本发明中基于Simulink开发的风电机组控制策略可以在封装后直接烧录到ARM计算板卡中，大大降低了开发工作量，简化开发流程；
5、本发明中一套仿真平台对应一台风力发电机，根据风场规模的不同可以自由增减仿真平台的数量而不影响仿真性能；
6、本发明预留了外部硬件控制器接口，可以方便的接入包括但不限于实际的变流器、PLC控制器和风机桨距角控制器等，从而实现硬件在环仿真、硬件控制器性能测试等功能。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，本平台根据不同物理场对于算力的需求将风电机组仿真模型的计算分别置于不同算力的计算板卡中，具体的包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)计算板卡和现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)计算板卡；
CPU计算板卡中运行有基于OpenFAST二次开发的实时仿真模型，用以实现更新速度为秒级的风电机组空气动力学仿真和/或机械动力学仿真；
FPGA计算板卡中运行有风电机组的电气部分模型，用以实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真；
CPU和FPGA通过在开源实时网络协议栈(RTnet)下实现的用户数据报协议(UserDatagram Protocol，UDP)通讯协议实现实时通信。
可以选用ARM控制器作为风电机组仿真的内置控制器，并预留RT-Lab和PLC等硬件控制器接口。
本实施例中，所述CPU计算板卡中使用经Xenomai扩展后的Linux硬实时操作系统。根据基于OpenFAST二次开发的实时仿真模型，将其中的风电机组气动模型和风机机械模型部分运行在所述CPU计算板卡中。
所述FPGA计算板卡中建立并行化的风电机组电磁暂态模型，通过解耦计算与硬件电路优化将每一步的计算时间约束到预设微秒以内，比如将每一步的计算时间约束到10微秒以内，满足实时仿真的需要，具体的，在一些实施例中，解耦计算可以采用MNA模型讲双馈风机模型的电器网络分为变换器网络模块以及两个电气网络模块；分割之后，各个模块之间可以通过编码进行一定程度的并行运算。硬件电路优化可以理解为：矩阵计算需要大量的加法、乘法运算，本平台根据FPGA的资源量以及模型计算量，合理配置每次矩阵运算中的加法器和乘法器的数量，在节约有限运算资源的情况下最大限度的提高计算效率；矩阵计算也需要大量的循环运算，本平台通过合理分割每个网络矩阵以提高数据在RAM中的读写引脚数量，使得原来单次循环计算从每次只能读写一个矩阵数据提升至同时对多个矩阵数据，提高矩阵循环运算时的并行性。目前FPGA板卡中的核心算法占用约30％的运算资源，单次运算时间小于10微秒。
所述CPU计算板卡与所述FPGA计算板卡可以通过在RTnet下实现的UDP通讯协议进行双向数据交互，实现“机械-电磁”耦合，维持异构型仿真平台的整体运行。
选用ARM计算板卡中实现基于Simulink开发的风电机组控制策略，对所述CPU计算板卡以及所述FPGA计算板卡中的模型下达桨距、偏航以及变换器开关指令。
所述FPGA计算板卡中预留RT-Lab和PLC等硬件控制器的接口，用户可以根据仿真需求在内置的ARM控制器和外接的硬件控制器之间进行切换。
所述CPU计算板卡与所述FPGA计算板卡之间通过RTnet实现是是双向通信，构成完整的闭环仿真；通过开源的实时操作系统扩展、开源的已经通过GL认证的OpenFAST软件、开源的实时网络协议框架、自主开发的并行解耦化电磁暂态仿真模型、异构型硬件平台设计，能够在保证实时仿真京都的条件下极大地降低平台成本。
本实施例的工作原理或过程为：
所述CPU计算板卡通过在RTnet下实现的UDP通讯协议将计算完成后的风力发电机转速发送到所述FPGA计算板卡中，由所述FPGA中的电磁暂态模型计算电磁转矩，并将计算数据返回到所述CPU计算板卡中，构成完整的闭环仿真。
所述CPU计算板卡中嵌入的硬实时操作系统可以保证内部的实时线程严格运行在硬实时条件下。
所述FPGA计算板卡中的电磁暂态模型包括升压变压器、三相线路、故障模拟电路、电网负载、发电机以及变流器模型等，模型仿真步长为10微秒，在保证仿真精度的同时完全能够满足实时仿真的需要。
所述FPGA计算板卡中可以设有一个定时器，此定时器在每个指定的时间点产生一个脉冲，从而控制电磁暂态模型的开启以及数据的接收与发送，保证实时性能。
所述ARM计算板卡中的风电机组控制策略通过SPWM调制芯片向FPGA发送变换器开关指令，再由所述FPGA根据变换器开关指令计算导纳矩阵。
实施例2：
一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真方法，采用了如实施例1中所述的基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，包括：
获取仿真任务，并判断仿真任务是空气动力学仿真、机械动力学仿真还是电磁暂态仿真；
如果仿真任务是空气动力学仿真和/或机械动力学仿真，则采用所述中央处理器计算板卡中的基于OpenFAST二次开发的实时仿真模型，实现更新速度为秒级的风电机组空气动力学仿真和/或机械动力学仿真；
如果仿真任务是电磁暂态仿真，则采用所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中的风电机组的电气部分模型，实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，包括中央处理器计算板卡和现场可编程逻辑门阵列计算板卡；所述中央处理器计算板卡和所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡之间通过用户数据报协议通信；
所述中央处理器计算板卡中存有二次开发的实时仿真模型，二次开发的实时仿真模型用于实现更新速度为秒级的风电机组空气动力学仿真以及机械动力学仿真；
所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中存有风电机组的电气部分模型，所述电气部分模型用于实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真。
2.如权利要求1所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，所述中央处理器计算板卡中使用经Xenomai扩展后的Linux硬实时操作系统。
3.如权利要求1所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，将基于OpenFAST二次开发的实时仿真模型中的气动模型和风机机械模型运行在所述中央处理器计算板卡中。
4.如权利要求1所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中，建立并行化的风电机组电磁暂态模型，通过解耦计算与硬件电路优化将每一步的计算时间约束到预设微秒以内。
5.如权利要求1所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，所述中央处理器计算板卡和所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡之间通过在实时网络协议栈下实现的用户数据报协议进行双向数据交互。
6.如权利要求1所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，采用ARM作为风电机组仿真的内置控制器。
7.如权利要求6所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，ARM中实现风电机组控制策略，对所述中央处理器计算板卡以及所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中的模型下达桨距、偏航和变换器开关指令。
8.如权利要求1所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中预留RT-Lab和PLC硬件控制器的接口。
9.如权利要求1所述的一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，其特征在于，所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中设有定时器，所述定时器在每个指定的时间点产生一个脉冲，从而控制电磁暂态模型的开启以及数据的接收与发送。
10.一种基于异构型硬件的风电机组实时仿真方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一项所述的基于异构型硬件的风电机组实时仿真平台，包括：
获取仿真任务，并判断仿真任务是空气动力学仿真、机械动力学仿真还是电磁暂态仿真；
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如果仿真任务是电磁暂态仿真，则采用所述现场可编程逻辑门阵列计算板卡中的风电机组的电气部分模型，实现数据更新速度为微秒级的电磁暂态仿真。
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