專利名稱：一種電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真領域，具體涉及一種電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真的物理接口
裝置。
背景技術：
電力系統(tǒng)實時仿真能實時模擬電力系統(tǒng)各種過程，并能接入實際物理裝置進行試驗。 目前能夠實現(xiàn)電力系統(tǒng)實時仿真的手段主要包括物理仿真、數(shù)字物理混合仿真和全數(shù)字仿 真，其中全數(shù)字實時仿真基于現(xiàn)代計算機技術和信息技術，使用靈活方便，性價比高，而 且占地面積小，可擴展性好，是當前國際上實時仿真的主要發(fā)展方向。
電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)通常由計算平臺、物理接口等單元組成。計算平臺包括 多個計算核心(一般為多個DSP芯片或多臺高性能服務器)，多個計算核心間通過數(shù)據總 線或高速網絡互聯(lián)，基于并行計算實現(xiàn)電力系統(tǒng)的實時仿真計算；物理接口一般包括模擬 量輸入AI、模擬量輸出A0、數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO等接口，用于外接實際的電力 系統(tǒng)裝置，實現(xiàn)數(shù)字仿真與實際物理裝置之間的信號交互，從而對實際物理裝置進行各種 閉環(huán)試驗。在仿真過程中，計算平臺和物理接口之間每一時步交換一次數(shù)據計算平臺發(fā) 送需要輸出的變量到物理接口，物理接口將其轉換為實際的A0/D0輸出信號；物理接口將 AI/DI輸入信號轉換為變量并發(fā)送給計算平臺，計算平臺在下一時步的仿真計算中使用該
作為全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)和實際物理裝置之間的信號轉換接口，物理接口的技術指標 直接關系到實時仿真試驗的準確性。物理接口的轉換精度不高、轉換時序不精確會在試驗 中引入誤差；物理接口的轉換速率較低會導致仿真步長不能設置較小值。近年來FACTS、 HVDC等設備應用越來越廣泛，對全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口的設計提出了更高的要求。 當全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)外接FACTS控制器或HVDC控制器時，物理接口需要精確捕捉換流 器點火脈沖的觸發(fā)時刻，否則會引入誤差并導致試驗結果中出現(xiàn)實際系統(tǒng)中所沒有的非特 征諧波。另外，全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)中計算平臺和物理接口交換數(shù)據的周期非常短(典型值為50微秒)，在一個周期內物理接口要按照精確的時序完成所有通道的數(shù)據轉換，并和 計算平臺中一個或多個計算核心交換數(shù)據，這對物理接口設計提出了很高的要求。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是提供一種電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置。與本發(fā)明的電力 系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置對應的計算平臺是高性能服務器機群。
為此，本發(fā)明提供了一種電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置，包括機箱， 用于安裝機箱內模塊；
底板，用于提供電源總線、同步總線和PCI總線；
多塊電源板，用于提供冗余、可靠的電源供電；
主控板，用于控制整個機箱的所有功能板和液晶屏；
液晶屏，用于運行監(jiān)視和設備調試；
多塊功能板，包括不同數(shù)目的模擬量輸入AI板、模擬量輸出AO板、數(shù)字量輸入DI 板和數(shù)字量輸出DO板，用于實現(xiàn)模擬量輸入AI、模擬量輸出A0、數(shù)字量輸入DI和數(shù)字 量輸出DO的信號轉換功能，并可根據使用需要靈活配置不同功能板的數(shù)量；
校準設備，包括高精度儀表和高精度信號源，用于物理接口裝置的自動校準；
服務器，用于運行仿真程序和物理接口驅動程序，和物理接口裝置之間交換數(shù)據。
根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置，能夠高精度、同步地轉換實時 仿真系統(tǒng)的AI、 A0、 DI、 DO等信號；能夠捕捉電平跳變、脈沖觸發(fā)等事件并為事件打上 精確的時標；能夠以最小2微秒(us)的刷新間隔連續(xù)輸出波形，可以實現(xiàn)故障錄波回放、 行波裝置開環(huán)測試等功能。
根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置，實現(xiàn)了模塊化設計，AI、 A0、 DI、 DO功能板的接口相同，可以根據試驗需要靈活地配置不同功能板的數(shù)目。
根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置，實現(xiàn)了故障診斷、自動校準等 功能，物理接口裝置可以自動檢測是否有通道故障，并可以對AI、 A0功能板的轉換精度 進行自動校準，以修正通道增益和通道偏移。
另外，根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置，實現(xiàn)了多個物理接口裝 置的同步、并聯(lián)運行。如果一個物理接口裝置提供的通道數(shù)不滿足試驗需求，可以使用多個(不超過四個)物理接口裝置，并聯(lián)運行對各物理接口裝置的轉換精度、轉換時序沒有 不利影響。
圖1是根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置的示意圖2是根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置的機箱結構俯視圖3為利用實時仿真系統(tǒng)通過物理接口裝置外接實際物理裝置進行閉環(huán)試驗的連接
圖4示出了物理接口裝置的運行時序圖5示出了 DI板捕捉電平跳變、脈沖觸發(fā)等事件的基本時序圖6示出了 A0板以小間隔連續(xù)輸出波形的示意圖7示出了物理接口裝置自動校準時的連接圖8示出了多個物理接口裝置并聯(lián)運行時的連接具體實施例方式
圖1是根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置的示意圖，表示了物理接 口裝置中各個部分之間的連接關系。
如圖1所示，根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置主要包括機箱10、 底板20、電源板30、主控板40、液晶屏50、功能板60、校準設備70。機箱10用于安裝 機箱內模塊。底板20用于提供電源總線、同步總線和PCI總線等。電源板30用于提供冗 余、可靠的電源供電。主控板40用于控制整個機箱的所有功能板和液晶屏。液晶屏50用 于運行監(jiān)視和設備調試。功能板60，包括AI板、AO板、DI板和DO板，用于實現(xiàn)AI、 AO、 DI、 DO等信號轉換功能，可以根據試驗需要靈活配置不同功能板的數(shù)目。校準設備70， 包括高精度儀表、高精度信號源，用于物理接口裝置的自動校準。此外，在物理接口裝置 運行過程中，需要至少一臺高性能服務器80，該服務器是仿真系統(tǒng)中計算平臺的一部分， 用于運行仿真程序和物理接口驅動程序，和物理接口裝置之間交換數(shù)據。
具體說來，主控板40和高性能服務器80之間通過千兆以太網連接；主控板40和液 晶屏50之間通過液晶控制總線連接；主控板40和多塊功能板60之間通過PCI總線和同步總線連接，主控板40控制同步總線以協(xié)調多塊功能板60的同步運行。
為保證物理接口裝置的轉換精度，提高抗干擾性能，物理接口裝置的電源板30采用 隔離電源并經多級穩(wěn)壓，設計時充分考慮了電路及布線，以減少電源紋波對模擬電路的影 響；AI板使用16位AD芯片，并采用差分輸入方式；AO板使用16位DA芯片。為提高物 理接口裝置的運行可靠性，物理接口裝置的所有AI、 AO、 DI、 DO通道均采用高速光電隔 離。
圖2是根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真物理接口裝置的機箱俯視結構圖。在機箱 10中，底板20和液晶屏50安裝在機箱前部，電源板30、主控板40和功能板60垂直 插接在底板20上。功能板60共八塊，分別定義為601 608，包括不同數(shù)目的AI板、 AO板、DI板和DO板，其中每塊AI板有8路AI通道，每塊AO板有8路AO通道，每 塊DI有16路DI通道，每塊DO板有16路D0通道，這四種功能板的接口完全相同， 可以根據試驗需要靈活地配置不同功能板的數(shù)目。
下面詳細描述根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置的操作過程。
為便于描述，我們假定功能板601為AO板，功能板602為AI板，用戶在仿真試驗中 需要將三個電壓變量Ul、 U2、 U3和三個電流變量II、 12、 13從功能板601的AO通道0 至5輸出到實際物理裝置中，并通過功能板602的AI通道0采集實際物理裝置返回的電 壓信號U4。圖3示出了試驗連接圖。
在全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)通過物理接口裝置外接實際物理裝置進行閉環(huán)試驗前，用戶先 根據試驗需要進行接線，將功能板601的AO通道0至5和實際物理裝置的對應通道通過 屏蔽信號線連接，將功能板602的AI通道0和實際物理裝置的對應通道通過屏蔽信號線 連接。然后，用戶在實時仿真系統(tǒng)中設置信號通道配置，即設置電壓變量Ul、 U2、 U3分 別對應功能板601的AO通道0至2，設置電流變量II、 12、 13分別對應功能板601的AO 通道3至5，設置電壓信號U4對應功能板602的AI通道0。在仿真過程中，高性能服務 器80進行仿真計算，并在每一時步將需要輸出的數(shù)據U1、 U2、 U3、 II、 12、 13通過千兆 以太網發(fā)送給主控板40，主控板40再將數(shù)據分發(fā)到功能板601 ，經功能板601的AO通道 0至5輸出；同時功能板602采集AI通道0的數(shù)據并發(fā)給主控板40，主控板40將數(shù)據通 過千兆以太網上傳至高性能服務器80。這樣，高性能服務器80中通過數(shù)字方式模擬的電 力系統(tǒng)就和實際物理裝置構成了閉環(huán)，從而可以對實際物理裝置進行閉環(huán)測試。下面詳細描述根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置的運行時序。 在仿真過程中，主控板40和高性能服務器80按照固定仿真步長T (典型值為50us) 交換數(shù)據。在每一時步內，主控板40要完成讀AI/DI數(shù)據、網絡發(fā)送AI/DI數(shù)據、網絡 接收AO/DO數(shù)據、寫AO/DO數(shù)據等任務；高性能服務器80要完成網絡接收AI/DI數(shù)據、 仿真計算和網絡發(fā)送AO/DO數(shù)據等任務。
圖4是根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真物理接口裝置的運行時序圖。仿真過程中， 主控板40產生周期為T的同步信號并發(fā)給各個功能板60，以協(xié)調各個功能板60的同 歩運行。在同步信號觸發(fā)時刻，AI板鎖存輸入電平并啟動AD轉換，DI板鎖存并分析 前一時步的電平跳變、脈沖觸發(fā)等事件，AO板鎖存輸出電平并啟動DA轉換，DO板輸出設 置的0/1電平信號。
物理接口裝置的運行時序非常精確。功能板60、主控板40以同步信號為時基并協(xié)調 運行，高性能服務器80以主控板40上傳網絡數(shù)據的中斷事件為時基。為保證主控板40 和高性能服務器80能夠實時可控地完成這些任務，在主控板40和高性能服務器80上安 裝了 Linux操作系統(tǒng)，并對Linux內核進行修改以減小操作系統(tǒng)的中斷響應延遲和進程切 換時間，使其滿足主控板40和高性能服務器80實時處理網絡數(shù)據收發(fā)的要求。
為滿足實時仿真系統(tǒng)外接FACTS控制器、HVDC控制器等裝置進行閉環(huán)試驗的需要，在 DI板上實現(xiàn)了精確捕捉電平跳變、脈沖觸發(fā)等事件的功能，使其能夠精確捕捉換流器點火 脈沖的觸發(fā)時刻，保證試驗精度。圖5示出了 DI板捕捉電平跳變、脈沖觸發(fā)等事件的基 本時序圖。
在仿真試驗前，用戶可以設置DI板的捕捉觸發(fā)模式，可選模式包括電平跳變、正向 脈沖觸發(fā)、負向脈沖觸發(fā)。圖5 (a)示出了電平跳變模式的時序圖，圖5 (b)示出了正 向脈沖觸發(fā)模式的時序圖。在電平跳變模式下，DI信號電平跳變時，DI板捕捉跳變事件 并分析跳變時刻相對于同步信號的時標t，將時標t和跳變后的電平值(0/1)發(fā)送給主控 板40并最終上傳至高性能服務器80;在脈沖觸發(fā)模式下，DI信號脈沖觸發(fā)時，DI板捕捉 觸發(fā)事件并分析觸發(fā)時刻相對于同步信號的時標t，將時標t發(fā)送給主控板40并最終上傳 至高性能服務器80。 DI板捕捉電平跳變、脈沖觸發(fā)等事件的時間精度高于lus。
為滿足實時仿真系統(tǒng)以小間隔連續(xù)輸出波形，進而滿足故障錄波回放、行波裝置開環(huán) 測試等需要，在AO板上實現(xiàn)了雙緩沖連續(xù)輸出波形的功能。圖6示出了連續(xù)輸出波形的示意圖。
在連續(xù)輸出開始前，用戶通過故障錄波、非實時仿真等手段獲得需要連續(xù)輸出的波形， 并將其存放在高性能服務器80上，同時在AO板上開啟兩塊緩沖區(qū)Bufferl和Buffer2。 在連續(xù)輸出開始時，高性能服務器80先通過主控板40向AO板的Bufferl寫入波形數(shù)據， 并啟動輸出，然后AO板開始讀取Bufferl的數(shù)據并將其轉換為實際輸出電平。在AO板輸 出Bufferl的數(shù)據過程中，高性能服務器80通過主控板40向AO板的Buffer2寫入波形 數(shù)據。當Bufferl的數(shù)據輸出完畢后，A0板隨即開始輸出Buffer2的波形數(shù)據，此時高性 能服務器80又通過主控板40向AO板的Bufferl寫入波形數(shù)據，如此循環(huán)就實現(xiàn)了波形 的連續(xù)輸出功能。采用雙緩沖架構進行連續(xù)輸出，可輸出的波形數(shù)據長度不受AO板緩沖 區(qū)長度的限制，大大提升了使用靈活性。根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理 接口裝置，AO板連續(xù)波形輸出的最高刷新頻率可達500kHz，可以滿足行波裝置開環(huán)測試 等需求。
下面詳細描述根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置的自動校準 過程。
圖7示出了物理接口裝置自動校準時的連接圖。校準AI通道時，如圖7 (a)所示， 高精度信號源的輸出接到AI功能板的輸入，主控板40和高精度信號源通過RS-232總線 連接。在校準過程中，主控板40通過RS-232總線控制高精度信號源的輸出電平，同時讀 取AI功能板的采樣結果，對結果進行分析并通過擬合得到AI通道的通道增益和通道偏移 等校準參數(shù)。校準AO通道時，如圖7 (b)所示，AO功能板的輸出接到高精度儀表的輸入， 主控板40和和高精度儀表通過RS-232總線連接。在校準過程中，主控板40控制AO功能 板的輸出電平，同時通過RS-232總線讀取高精度儀表的采樣結果，對結果進行分析并通 過擬合得到AO板的通道增益和通道偏移等校準參數(shù)。
下面詳細描述根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置的并聯(lián)運行 方式。
如果一個物理接口裝置能提供的通道數(shù)目不能滿足特定試驗的需要，可以同時使用多 個物理接口裝置進行試驗，多個物理接口裝置可以通過千兆以太網連接在一臺高性能服務 器80上，也可以連接在不同的高性能服務器80上。圖8示出了多個物理接口裝置并聯(lián)運 行時的連接圖。并聯(lián)運行時，需要設置一個物理接口裝置為主站，其它物理接口裝置為從站。主站物理接口裝置產生同步信號，從站物理接口裝置自身不產生同步信號，而是接收 主站物理接口裝置發(fā)出的同步信號，此時各個物理接口裝置都以主站物理接口裝置的同步 信號為時基同步運行，各個物理接口裝置的內部運行時序如圖4、圖5所示，和獨立運行 時沒有區(qū)別。
上面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行了描述。應該注意的是，本發(fā)明不限于上述 實施方式，在不脫離本發(fā)明的精神的前提下，本領域技術人員能夠進行多種修改和變更。
權利要求
1、一種電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置，包括機箱(10)，用于安裝機箱內模塊；底板(20)，用于提供電源總線、同步總線和PCI總線；多塊電源板(30)，用于提供冗余、可靠的電源供電；主控板(40)，用于控制整個機箱的所有功能板和液晶屏；液晶屏(50)，用于運行監(jiān)視和設備調試；多塊功能板(60)，包括不同數(shù)目的模擬量輸入AI板、模擬量輸出AO板、數(shù)字量輸入DI板和數(shù)字量輸出DO板，用于實現(xiàn)模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數(shù)字量輸入DI和數(shù)字量輸出DO的信號轉換功能，并可根據使用需要靈活配置不同功能板的數(shù)量；校準設備(70)，包括高精度儀表和高精度信號源，用于物理接口裝置的自動校準；服務器(80)，用于運行仿真程序和物理接口驅動程序，和物理接口裝置之間交換數(shù)據。
2、 如權利要求l所述的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置，其特征在于所述 服務器(80)是仿真系統(tǒng)中計算平臺的一部分。
3、 如權利要求2所述的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置，其特征在于所述 電源板(30)和功能板(60)在設計過程中充分考慮了電路和布線，采用高精度AD/DA 芯片和高速光電隔離手段從而提高轉換精度和運行可靠性，所述功能板(60)包括模 擬量輸入AI板、模擬量輸出AO板、數(shù)字量輸入DI板和數(shù)字量輸出D0板，這四種功 能板的接口完全相同，在所述主控板(40)和服務器(80)上使用Linux操作系統(tǒng)并修改 其內核以保證系統(tǒng)的實時性，設計了所述主控板(40)和服務器(80)之間精確的運行時 序，所述時序以同步信號為時基，從而確保主控板(40)和服務器(80)以固定仿真步長 交換數(shù)據。
4、 如權利要求3所述的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置，其特征在于所述 數(shù)字量輸入DI板具有包括電平跳變和脈沖觸發(fā)事件的捕捉功能，數(shù)字量輸入DI板為所述事件打上精確的時標并將該時標上傳至服務器(80)，用于仿真計算。所述模擬量輸出AO板具有小間隔連續(xù)輸出波形的功能，所述模擬量輸出AO板采用雙 緩沖架構進行連續(xù)波形輸出，輸出的波形數(shù)據長度不受所述模擬量輸出AO板緩沖區(qū)長度 的限制。
5、 如權利要求4所述的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置，其特征在于，所 述校準設備(70)，所述模擬量輸入AI板和模擬量輸出AO板進行自動校準，所述主控 板(40)通過RS-232總線與高精度信號源或高精度儀表連接，高精度信號源與所述模 擬量輸入AI板連接，高精度儀表與所述模擬量輸出A0板連接，所述主控板(40)設 置高精度信號源的輸出電平并讀取所述模擬量輸入AI板的采樣結果，設置所述模擬量 輸出AO板的輸出電平并讀取所述高精度儀表的采樣結果，并對結果進行擬合分析。
6. 如權利要求1-5任一所述的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真系統(tǒng)物理接口裝置，其特征在 于，當一個物理接口裝置能提供的通道數(shù)目不能滿足特定使用的需要時，可同時使用多個 物理接口裝置并聯(lián)運行進行使用，并聯(lián)運行時，設置一個物理接口裝置為主站，產生同步 信號，其它物理接口裝置為從站，接收同步信號，各個物理接口裝置都以主站物理接口裝 置的同步信號為時基同步運行。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置，能夠高精度、同步地轉換實時仿真系統(tǒng)的AI、AO、DI、DO等信號；能夠捕捉電平跳變、脈沖觸發(fā)等事件并為事件打上精確的時標；能夠以非常小的刷新間隔連續(xù)輸出波形，可以實現(xiàn)故障錄波回放、行波裝置開環(huán)測試等功能。此外，根據本發(fā)明的電力系統(tǒng)全數(shù)字實時仿真物理接口裝置實現(xiàn)了模塊化設計，AI、AO、DI、DO功能板的接口相同，可以根據試驗需要靈活地配置不同功能板的數(shù)目；實現(xiàn)了故障診斷、自動校準等功能；實現(xiàn)了多個物理接口裝置的同步、并聯(lián)運行。
文檔編號G06F17/50GK101446998SQ200810227538
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權日2008年11月28日
發(fā)明者星 張, 李亞樓, 峰 王, 芳 田, 鄭偉杰 申請人:中國電力科學研究院