最新ADPSS-LAB实时仿真系统介绍汇总

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系统介绍
ADPSS-LAB
电力电子、电力系统实时仿真方案
中国电力科学研究院
2012年10月
目录
1 系统综述................................................................................................................................... - 0 -
2 系统组成................................................................................................................................... - 1 -
3 电力电子、电力系统实时仿真存在的问题........................................................................... - 1 -
4 解决方法................................................................................................................................... - 2 -
5 ADPSS-LAB实时仿真系统的功能 ....................................................................................... - 8 -
电力电子系统实时仿真方案
1 系统综述
实时仿真是研究电力电子、电力系统复杂的工作过程、优化系统与运行的重要手段。

电力电子、电力系统实时仿真经历了从第一代模拟分析系统，到第二代模拟/数字混合仿真系统，再到第三代数字实时仿真系统的发展过程。

ADPSS-LAB正是第三代数字实时仿真系统的代表产品。

ADPSS-LAB是一种基于并行计算技术、采用模块化设计的电力电子、电力系统实时仿真系统。

它既可以在普通PC机上进行离线仿真，也可通过并行计算机与实际的电力电子器件联接而进行实时在线仿真。

与前两代仿真系统相比，ADPSS-LAB具有以下优势：1）既可以对电力电子、电力系统机电和电磁暂态分别进行实时仿真，同时也可以对机电和电磁暂态混合系统进行实时仿真。

2）仿真精度高；ADPSS-LAB在实时仿真过程中采用32位双精度浮点数运算，其仿真的精度与公认的离线分析软件MATLAB的仿真精度相当。

3）良好的升级和扩充性；ADPSS-LAB由于直接采用商用的基于PC Cluster的连接方式，当仿真的系统规模增大时，只需增加CPU数目和增大内存容量即可，从系统的升级和扩展灵活性等方面有很好的发展前景。

2 系统组成
软件部分：
➢实时操作系统：QNX
➢建模软件：MATLAB/simulink，SimPowerSystem
➢电力电子、电力系统实时仿真包
➢电力电子模型库
硬件部分：
➢并行处理系统 (12-core INTEL CPU)
➢I/O接口模块
➢信号调理模块
3 电力电子、电力系统实时仿真存在的问题
1)建模的问题
仿真系统能够提供友好的图形用户界面，丰富的电力电子、电力系统元件库且模型精度满足仿真要求，同时还要允许用户方便的添加自己的模型。

2)仿真的实时性问题
电力电子、电力系统往往在一个小范围内包含了十几个到几十个器件，相应的模型求解过程中包含了大量的矩阵计算(如：矩阵相乘，矩阵求逆等运算)，如此大的计算量无法在给定的一个几十个微秒的仿真步长内由一个CPU结算出结果。

因此，为了实现实时仿真的目标，必须将大的电力电子系统解耦成几个小
的子系统，每个子系统分别运行在不同的CPU上，达到降低每个CPU的计算量，实现整个系统实时仿真的目的。

3)实时PWM信号的捕捉和产生问题
由于电力电子、电力系统中大量的采用高频电力电子器件，由此给实时仿真带来许多前所未有的问题。

比如：如何准确的捕捉PWM信号？如何准确的产生高频PWM信号？如何设计合理的控制策略实现误差补偿等问题。

4)系统的升级和扩展问题
整个系统要具有良好的维护和升级扩展性，且维护和升级成本低廉。

系统应采用COTS货架式产品和通用的总线标准，用户对设备提供商的依赖度低，便于用户后续的升级和扩展要求。

4 解决方法
针对以上问题，我们分别采用以下的方法来解决。

1)建模的问题
模型开发工具采用MATLAB/Simulink和SimPowerSystem软件包。

这两个软件包一方面提供了友好的图形用户界面，用户只需通过鼠标操作即可完成整个建模工作；另一方面两个软件包提供了丰富的电力电子、电力元件模型库，用户可以方便的利用这些模型搭建出各种复杂结构的电力电子、电力系统模型。

另外，用户还可以将C代码编写的模型集成到仿真系统中。

ADPSS-LAB还提供了专门针对实时仿真的电力电子、电力模型库，做为对SimPowerSystem元件库的补充。

当安装好ADPSS-LAB软件后，这些模型库被自动的添加到Simulink软件中。

ADPSS-LAB提供的模型库包括：
➢带时间戳的整流电路模型；
➢带时间戳的逆变器模型；
➢电力电子元器件模型库；
➢实时逻辑处理模型库；
➢事件产生信号模型库等。

2)仿真的实时性问题
对电力电子、电力系统的实时仿真问题，我们分别从软件和硬件两方面入手解决该问题。

软件方面：通过将一个大的电力电子、电力系统模型分解成多个子系统，不同的子系统算由不同的CPU单元完成计算，从而大大减小了每个CPU单元的计算任务，缩短了整个系统的计算时间，提高了实时性；不同的CPU单元间在每个步长内根据信号传递关系交换数据。

硬件方面：通过采用并行处理系统，为实时仿真提供相应的硬件平台。

考虑到电力电子、电力系统的具体情况：一个区域通常大约有十几个或几十个电力电子、电力器件，所以推荐采用包含12个
CPU core的并行处理系统,整个系统的实时仿真的步长最小可以达到20us左右。

并行计算机通过FPGA卡控制IO接口机。

IO接口机本身带有AD，DA，DIO等IO模块，通过这些IO模块与实际设备相连。

IO模块的性能指标如下：
✓AD, 16-bits, 500kS/s, +- 10V 16通道；
✓DA, 16-bits, 500kS/s, +-10V 16通道；
✓普通DO，转换速率5MHz,光电隔离, 5 to 28V, 32通道；
✓普通DI，转换速率5MHz,光电隔离, 5 to 28V, 32通道；
✓带时间戳TSDO, 转换速率5MHz,光电隔离, 5 to 28V, 32通道；
✓带时间戳TSDI, 转换速率5MHz,光电隔离, 5 to 28V, 32通道；
带时间戳的DIO主要用于PWM信号或事件信号的捕获和产生等功能。

图：实时仿真的硬件平台
3)实时PWM信号的捕捉和产生问题
电力电子、电力系统实时仿真的核心是如何精确的模拟高频开关器件的工作特性，以及这些器件工作时对电网的影响的问题。

我们采取ADPSS-LAB提供的软件包来解决这些问题。

(一)RTE blockset：PWM信号处理工具包
该软件包主要用来处理PWM开关信号，其主要功能有两个：
➢实时产生开关事件（如：PWM信号，编码信号等）
➢与FPGA卡配合，实时捕捉采样间隔之间的触发脉冲，记录脉冲产生的时间以及逻辑状态的改变情况，然后在
模型的计算过程中进行补偿，达到提高实时仿真精度的
目的。

PWM信号处理工具包针对电力电子元件提供了许多专业处理模块。

软件安装时会自动在MATLAB/Simulink目录下添加所有的处理模块，这些模块包括：用于实时仿真的逆变器模型，整流器模型，实时逻辑处理模型库，产生事件信号模型库等。

PWM信号处理工具包的工作原理如下图所示。

当需要产生PWM信号时，利用工具包提供的模块可以产生出包含时间和状态的PWM信号，特别是介于两个相邻采样间隔之间的PWM信号。

产生出来的PWM信号通过FPGA卡上的TSDO模块输出。

当需要从外部捕获PWM信号时，PWM信号通过FPGA卡上的TSDI模块输入。

FPGA卡可以做到很高的采样频率（如100MHz），FPGA卡作为事件发生记录仪，在仿真运行过程中，实时捕获输入的PWM信号，记录PWM信号产生的时间以
及逻辑状态的改变情况，然后在模型的计算过程中进行补偿，达到提高实时仿真精度的目的，其工作原理如下图所示。

4)系统的升级和扩展问题
传统的电力系统实时仿真装置是由原厂商提供非标化的软件、硬件和运行平台。

用户购买后，后续的系统维护、升级完全依赖原厂商。

实时仿真装置超过一年的质保期后，每年都需要向原厂商支付高额的费用购买系统的技术支持和软件升级。

用户在使用中如果需要原厂商增加额外的功能或开放系统的部分接口，都需要与原厂商进行协商，付出高额的时间和费用，用户完全处于被动服从的地位。

ADPSS-LAB系统采用通用的多核服务器结构，支持标准的PCI或cPCI总线结构，用户可以灵活的对系统进行升级和扩展。

当实时仿真的电力电子系统规模增大时，只需增加多核服务器或IO接口机的数目即可实现扩大系统仿真规模的目的。

5 ADPSS-LAB实时仿真系统的功能
1)电力电子、电力系统电磁暂态仿真
ADPSS-LAB可完整的模拟包括：电机、传输网络以及控制系统的电力电子、电力系统，可计算电力电子、电力系统的电磁暂态问题。

可模拟系统的不同运行和干扰状况，包括各种短路故障等。

2)电力电子、电力系统闭环实时测试
ADPSS-LAB系统通过高速IO接口机同外部设备相连，可进行系统的实时闭环测试。

ADPSS-LAB对电力电子、电力系统进行实时闭环测试的原理如下图所示。

借助该功能，ADPSS-LAB可以方便地实现评估电力系统的功能以及测试电力电子系统性能的目的。

3)控制系统仿真
使用ADPSS-LAB系统可以方便的创建各种开环和闭环控制器，进行控制系统的仿真研究。

所有取自电力电子器件和电机的变量都可作为控制器的输入；另外，其它控制器的信号量也可作为控制器的输入。

同时，这些控制器的输出以电压、电流、阻抗和功率的形式作用于系统，所有控制模块的输入信号量及输出信号量都可绘制出来。

总之，与传统的电力实时仿真器相比，ADPSS-LAB系统提供了实时仿真的准确性、并行处理的强大计算能力以及离线仿真的灵活性，比传统的模拟仿真器更加灵活、简单、廉价，满足电力电子、电力系统实时仿真的要求。