CN203414742U - 一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，所述接口装置包括机箱和位于机箱内部的底板、电源板、功能板、转接板以及液晶屏；所述底板与机箱的上面板和下面板垂直设置，所述电源板、功能板和转接板均通过机箱上面板、下面板以及底板上分别设置的插槽固定，所述液晶屏安装在机箱前面板上，通过PCI总线与底板连接。本实用新型提供了一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，具有接口规模大、采样精度高、数据处理快、同步精度高等特点，满足新的试验需求。

Description

一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置

技术领域

本实用新型属于信息通信技术领域，具体涉及一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置。

背景技术

电力系统实时仿真能实时模拟电力系统各种过程，并能接入实际物理装置进行试验。目前能够实现电力系统实时仿真的手段主要包括物理仿真、数字物理混合仿真和数字仿真，其中数字实时仿真基于现代计算机技术和信息技术，使用灵活方便，性价比高，而且占地面积小，可扩展性好,是当前国际上实时仿真的主要发展方向。

电力系统数字实时仿真系统通常由计算平台、接口装置等模块组成。计算平台包括多个计算核心（一般为多台高性能服务器或多个DSP芯片），多个计算核心间通过数据总线或高速网络互联，基于并行计算实现电力系统的实时仿真计算；物理接口一般包括AI（模拟量输入）、AO（模拟量输出）、DI（开关量输入）、DO（开关量输出）等接口，用于外接实际的电力系统装置，实现数字仿真与实际物理装置之间的信号交互，从而对实际物理装置进行各种闭环试验。在仿真过程中，计算平台和物理接口之间每一时步交换一次数据：计算平台发送需要输出的变量到物理接口，物理接口将其转换为实际的AO/DO输出信号；物理接口将AI/DI输入信号转换为变量并发送给计算平台，计算平台在下一时步的仿真计算中使用该变量。

作为数字实时仿真系统和实际物理装置之间的信号转换接口，物理接口装置的通道规模直接关系着试验规模，物理接口装置的采样精度、数据处理速度、数据传输带宽及时钟同步精度直接影响试验的准确性。

近年来，直流输电（HVDC）、灵活交流输电（FACTS）等电力电子技术在电力系统中广泛应用，基于电力系统实时仿真对电力电子设备的控制保护系统进行闭环试验面临新的挑战。一方面是接口通道规模要求不断增加，以开展一回±500kV常规直流输电系统的控制保护装置闭环试验为例，数字实时仿真系统与控制保护装置之间的接口信号数目超过200路；如果开展多回直流输电系统或特高压直流输电（UHVDC）系统的直流控制保护系统闭环试验，则接口信号数目可达上千路。如果采用之前的物理接口技术，在接口通道数目、信号同步性能等方面难以满足如此大规模的试验要求。另一方面是接口速度要求不断变快，对于STATCOM、轻型直流输电等高频开断的电力电子设备，为保证仿真精度，必须采用20us甚至更小的步长进行实时仿真和接口输入输出，常规实时仿真系统50us～100us的步长不能满足闭环试验要求。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，具有接口规模大、采样精度高、数据处理快、同步精度高等特点，满足新的试验需求。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下方案：

提供一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，所述接口装置包括机箱和位于机箱内部的底板、电源板、功能板、转接板以及液晶屏；所述底板与机箱的上面板和下面板垂直设置，所述电源板、功能板和转接板均通过机箱上面板、下面板以及底板上分别设置的插槽固定，所述液晶屏安装在机箱前面板上，通过PCI总线与底板连接。

所述电源板垂直于底板和上面板，所述功能板和转接板均与电源板平行设置。

所述底板从电源板获取电源信号及同步信号，并通过电源总线和同步信号总线将获取的信号转发至功能板，同步信号支持IRIG-B对时和1PPS对时。

所述电源板提供电源信号接口和同步信号接口，底板上的电源总线及同步信号总线分别电源信号接口和同步信号接口与电源板连接。

所述功能板包括AI板、AO板、DI板和DO板，进行AI、AO、DI和DO信号转换。

所述功能板前后连接方式为：前一块功能板的SFP-T连接至后一块功能板的SFP-R，从而形成2.5Gbps串行光纤传输链路，采用Aurora串行数据传输协议，以比特或字节的方式进行高效数据交互，使得增加一级功能板卡引入300ns的延时，满足10us步长的实时IO交互需求。

所述液晶屏为TFT，用于所述接口装置运行状态监视。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.报文基于2.5Gb/s的SFP串行光纤链路进行传输，采用高速高效的传输协议和基于“比特”/“字节”的处理技术，使得接口装置满足10us步长的实时IO需要；

2.采用Aurora串行数据传输协议，提高了光纤通信卡单路光纤通道连接的I/O规模，最大可承载1023个I/O基本通道单元；

3.AO板输出采取“小同步”的概念，缩短输出延时，减小试验误差；DO板输出采用带时标输出技术，能够在两个步长之间的指定时刻输出变位，时标精度为1us；AI板采取高速采样+数字滤波的技术，避免单点采样误差较大的问题，提高了AI采样稳定性，精度优于2mv；

4.服务器侧安装的PCI-E光纤通信卡可接入外部时钟源（1PPS、IRIG-B），基于统一时钟进行数据处理和通信；在多台服务器连接多个物理接口装置的情况下，可保证同步误差小于1us；

5.能够高精度、同步地转换实时仿真系统的AI、AO、DI、DO等信号，捕捉电平跳变、脉冲触发等事件并为事件打上精确的时标，以最小2微秒(us)的刷新间隔连续输出波形，可以实现故障录波回放、行波装置开环测试等功能；能够对装置自动检测通道故障，实现了故障诊断、通道校准的功能。

附图说明

图1为本实用新型实施例中基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置结构俯视示意图；

图2为本实用新型实施例中基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置与服务器连接示意图；

图3为利用实时仿真系统通过该接口装置外接物理装置进行闭环试验的工作过程示意图；

图4为本实用新型实施例中基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置的运行时序图；

图5为本实用新型实施例中接口装置与光纤通信卡数据交换原理图；

图6为本实用新型实施例中接口装置AO板“小同步”输出原理图；

图7为本实用新型实施例中接口装置DO板带时标输出示意图；

图8本实用新型实施例中接口装置级联工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1，基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置结构俯视示意图，表示了物理接口装置中各个部分之间的连接关系。该接口装置中的机箱为6U、标准19英寸全铝国际标准机箱，功能板和电源板与底板采用插槽方式（后插）连接，功能板高速数据通讯采用SFP模块收发串联令牌环。

接口装置包括机箱和位于机箱内部的底板、电源板、功能板、转接板以及液晶屏；所述底板与机箱的上面板和下面板垂直设置，所述电源板、功能板和转接板均通过机箱上面板、下面板以及底板上分别设置的插槽固定，所述液晶屏安装在机箱前面板上，通过PCI总线与底板连接。

所述电源板垂直于底板和上面板，所述功能板和电源板平行设置。

所述底板从电源板获取电源信号及同步信号，并通过电源总线和同步信号总线将获取的信号转发至功能板，同步信号支持IRIG-B对时和1PPS对时。

所述电源板提供电源信号接口和同步信号接口，底板上的电源总线及同步信号总线分别电源信号接口和同步信号接口与电源板连接。

所述功能板包括AI板、AO板、DI板和DO板，进行AI、AO、DI和DO信号转换。

所述功能板前后连接方式为：前一块功能板的SFP-T连接至后一块功能板的SFP-R，从而形成2.5Gbps串行光纤传输链路，采用Aurora串行数据传输协议，以比特或字节的方式进行高效数据交互，使得增加一级功能板卡引入300ns的延时，满足10us步长的实时IO交互需求。

所述液晶屏为TFT(Thin Film Transistor)，用于所述接口装置运行状态监视。

基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置在高性能服务器中安装PCI-E接口的光纤通信卡，与物理接口装置直接相连。服务器侧运行仿真程序和物理接口驱动程序，光纤通信卡与各功能板的SFP模块连接成串行光纤链路，数据流再按照既定的格式依次与每块功能板进行读写双向数据交互。最后，光纤通信卡按照既定的时序通过PCI-E总线与服务器进行数据交互。

如果一个物理接口装置能提供的通道数目不能满足特定试验的需要，可以同时使用多个物理接口装置并联运行进行试验。并联运行时，多个物理接口装置依据同步信号为时基同步运行，同步误差小于1us。并联运行对各物理接口装置的转换精度、转换时序没有不利影响。

在该接口装置的机箱中，底板安装在机箱前部，电源板（集成电源、同步信号接口）、功能板垂直插接在底板上。该接口装置提供了11个插槽，其中1个插槽必须插入该装置的电源板，用于接收外部电源和同步信号，并将电源和同步信号转送到背板总线上。其余10个插槽可插入相应的功能板或转接板，功能板包括AI板、AO板、DI板和DO板，其中每块AI插板提供24路AI通道，每块AO插板提供24路AO通道，每块DI插板提供40路DI通道，每块DO插板提供40路DO通道，这四种功能板的接口完全相同，可以根据试验需要灵活地配置不同功能板的数目。所有功能板均带有高性能的FPGA处理器，并具有2.5Gb/s的SFP光纤收发器，装置内部的主控板与功能板、功能板与功能板通过SFP的收发端口交叉相连，形成SFP的串行链路，实现数据在光纤链路上的高速传输，数据传输采用基于Aurora串行传输协议，使得每一级板卡传输延时小于300ns。不同类型的功能板接口统一，用户可根据需要灵活配置不同类型插板数目。此外，本装置需要专用的+24V、2U电源箱集中供电。

为保证物理接口装置的转换精度，提高抗干扰性能，物理接口装置主机采用独立电源装置供电的方式。该电源箱设计时采用隔离电源并经多级稳压,设计时充分考虑了电路及布线，以减少电源纹波对模拟电路的影响；AI板使用16位AD芯片，并采用差分输入方式；AO板使用16位DA芯片。为提高物理接口装置的运行可靠性，物理接口装置的所有AI、AO、DI、DO通道均采用高速光电隔离。

图2是基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置与服务器连接示意图。如图所示：服务器侧采用PCI-E光纤通信卡，统一接入外围接口设备，实现了仿真系统数据，通过物理接口方式输出。光纤通信卡对外通过2.5Gbps SFP与外围接口装置相连接，每块光纤通信卡最大支持连接4个接口装置通过FPGA内部通信时序，来保证单光纤通信卡多接口的同步运行，同步误差小于80ns。多光纤通信卡通过外部时钟（1PPS、IRIG-B）保证同步输出，同步误差小于1us。通过光纤通信卡可以将接口统一的外围接口设备接入统一仿真系统中同步试验，支持多物理接口装置同步输出。

图3为基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置工作过程示意图。

对于物理接口装置内部的板卡连接如下：光纤通信卡的SFP-T连接到第一块功能板卡的SFP-R，相邻的的功能板，前一块功能板的SFP-T连接后一块功能板块的SFP-R，最后一块功能板的SFP-T连接到光纤通信卡的SFP-R，从而形成一条闭环的串行光纤数据高速传输通道。

在仿真过程中，高性能服务器进行仿真计算，并在每一时步将需要输出的数据PCI-E总线发送给光纤通信卡，光纤通信卡通过SFP-T发送端口将数据（AO/DO）发送到串行光纤链路上，当数据流经过每一个功能板时，该功能板将属于自己的数据从数据流中取出，同时将已经准备好的数据（AI/DI）填入到数据流中预先定义好的地址，经过一次数据环流时，最终返回到光纤通信卡，光纤通信卡将数据通过PCI-E总线上传至高性能服务器。这样，高性能服务器中通过数字方式模拟的电力系统就和实际物理装置构成了闭环，从而可以对实际物理装置进行闭环测试。

基于全光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置的运行时序图如图4所示，在仿真过程中，光纤通信卡和高性能服务器按照固定仿真步长T（典型值为50us）交换数据。在每一时步内，光纤通信卡要完成读AI/DI数据、网络发送AI/DI数据、网络接收AO/DO数据、写AO/DO数据等任务；高性能服务器要完成网络接收AI/DI数据、仿真计算和网络发送AO/DO数据等任务。数据交换由光纤通信卡发起，即光纤通信卡以T为周期产生硬件中断信号，在中断处理程序中将功能板/通信板采集的跳闸信号等数据上传至计算结点，然后等待接收计算结点下发的电压、电流等仿真数据；计算结点等待接收跳闸信号等数据，然后启动计算，并将计算得到的电压、电流等仿真数据下发到物理接口装置时间段a为DI/AI数据准备时间。DI接口板在步长为T的同步信号上升沿锁存状态及变位时间信息；AI接口板多次采集并计算平均值。此时间段大约5us。

1)时间段b为光纤通信卡通过SFP读取DI/AI数据时间。此时间段大约5us。

2)时间段c为光纤通信卡通过PCI-E总线向服务器发包，然后计算结点接收到并响应中断的时间。此时间段大约10us。

3)时间段d为服务器发送输出数据包到光纤通信卡接收到数据的时间。此时间段大约6us。

4)时间段e为光纤通信卡等待小同步信号时间，小同步信号指T/5边延。此时间段大约4us。

5)时间段f为光纤通信卡通过SFP向接口板发送数据时间。此时间段小于10us。

6)时间段g为接口板等待小同步信号时间，并在小同步信号来临时锁存输出。

基于全光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，采用新的设计方案，在传输速度、I/O规模、板卡功能上有了本质上的提升：

图5是接口装置与光纤通信卡数据交换原理图，传输物理层采用2.5Gb/s,波长为850nm的多模光纤SFP模块，链路层协议遵循Aurora数据帧格式，数据区最大长度为2046字节，可以承载1023个AO/AI/DO/DI基本通道，极大限度地增加了一次传输所携带的IO通道信息。数据帧传输采用类似火车行进方式，基于“比特”/“字节”进行高效数据交换，如图5所示：来自于光纤通信卡的数据流直接传送给板卡1，板卡1检索每个Data Header与自身地址信息进行比对，并从属于本板卡的数据区取得相应的数据，同时将已经准备好的数据放置预设好的区域，此过程引入300ns的延迟，同理，当数据流依次流经其他板卡时，其他板卡完成一次数据交换，最终数据返回光纤通信卡，接口装置与光纤通信卡完成一次数据交互，采用基于Aurora串行数据交互方式，可使得接口装置满足10us步长的实时IO交互需要。

如图6所示，AO板卡输出采取“小同步”的概念，缩短输出延时，减小试验误差；光纤通信卡依据“小同步”信号发送AO输出仿真报文，物理接口装置AO板卡在下一个小同步信号时输出。设置小同步步长需要满足以下两个条件：1）大于光纤通信卡到最后一个AO卡数据传输时间；2）一般能被设定的仿真步长整除，典型电磁仿真计算步长为50us，一般设定小同步步长为10us。

如图7所示，DO板卡输出采用带时标输出技术，能够在两个步长之间的指定时刻输出变位，时标精度为1us；DO输出仿真时使用2字节表示1路DO输出信息，最高位（bit15）表示输出状态0/1，低15位（bit14～0）表示下个同步延迟输出时间值，单位为毫秒（us）。

AI板卡采取提高采样率并取平均的功能，提高了AI采样稳定性，精度优于2mV。AI板卡使用ADS8329采样芯片，最高采样率可达1MS/s，在各AI通道同步信号前4us时刻开始，每1us采样1点数据，并通过滑动滤波窗口处理采样结果，计算最终采样值，有效的减少单次采样随机误差，提高AI采样稳定性，精度优于2mv。

基于全光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置支持装置间并联、级联工作如图2所示，多接口装置分别连接至光纤通信卡的多个2.5Gb/s SFP端口，多装置并联工作同步误差小于1us，运行时序、闭环原理及数据交换与单装置工作时一致；如图8所示，当多装置进行级联工作时，需要2块转接卡分别替换主接口装置的最后一块功能板和从接口装置电源板，两块转接卡的SFP交叉相接，连通串行传输通道，电源、同步信号接口直接相连，实现电源及同步信号由主装置扩展给从装置，此级联工作模式与单装置工作的运行时序与数据交换原理一致。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，其特征在于：所述接口装置包括机箱和位于机箱内部的底板、电源板、功能板、转接板以及液晶屏；所述底板与机箱的上面板和下面板垂直设置，所述电源板、功能板和转接板均通过机箱上面板、下面板以及底板上分别设置的插槽固定，所述液晶屏安装在机箱前面板上，通过PCI总线与底板连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，其特征在于：所述电源板垂直于底板和上面板，所述功能板和转接板均与电源板平行设置。

3.根据权利要求1所述的基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，其特征在于：所述底板从电源板获取电源信号及同步信号，并通过电源总线和同步信号总线将获取的信号转发至功能板，同步信号支持IRIG-B对时和1PPS对时。

4.根据权利要求1所述的基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，其特征在于：所述电源板提供电源信号接口和同步信号接口，底板上的电源总线及同步信号总线分别电源信号接口和同步信号接口与电源板连接。

5.根据权利要求1所述的基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，其特征在于：所述功能板包括AI板、AO板、DI板和DO板，进行AI、AO、DI和DO信号转换。

6.根据权利要求1所述的基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，其特征在于：所述功能板前后连接方式为：前一块功能板的SFP-T连接至后一块功能板的SFP-R，从而形成2.5Gbps串行光纤传输链路，采用Aurora串行数据传输协议，以比特或字节的方式进行高效数据交互，使得增加一级功能板卡引入300ns的延时，满足10us步长的实时IO交互需求。

7.根据权利要求1所述的基于光纤通信的电力系统数字实时仿真物理接口装置，其特征在于：所述液晶屏为TFT，用于所述接口装置运行状态监视。

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