一种多步长并行电力实时仿真系统和方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
一种多步长并行电力实时仿真系统和方法
本专利技术属于电力系统仿真
，涉及一种多步长并行电力实时仿真系统和方法。
技术介绍
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)i7-7500UCPU及8.00GBRAM，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。
技术实现思路
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，本申请的第一件专利技术采用如下技术方案：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。本专利技术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PCIExpress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StarSimHIL，StarSimHIL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StarSimHIL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专利技术，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专利技术的技术方案，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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。


3.根据权利要求2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PCIExpress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。


4.根据权利要求3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。


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；
Simuli...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志强，王凡凯，刘曙元，陈飞，
申请(专利权)人：北京华电天仁电力控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11