專利名稱：面向電力系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，尤其涉及一種面向電力系統(tǒng)分布式仿真的需 要，采用分布式布局的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，屬于電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)仿真技術(shù)可以分為物理模擬和數(shù)字仿真兩大類。其中，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技 術(shù)在電力系統(tǒng)試驗(yàn)研究中得到越來越廣泛的應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)技術(shù)及分布式控制技術(shù)的發(fā)展 又進(jìn)一步推動(dòng)了實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)的深入發(fā)展。電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的演算，將 得到的仿真數(shù)據(jù)輸出到仿真裝置，由仿真裝置的AO(模擬量輸出)或DO(數(shù)字量輸出)板 卡產(chǎn)生相應(yīng)的電氣量(或進(jìn)一步放大輸出)并輸出到實(shí)際電力設(shè)備中，并將實(shí)際電力設(shè)備 產(chǎn)生的變化輸入AI (模擬量輸入)或DI (數(shù)字量輸入)板卡，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并反饋回計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)。通過實(shí)時(shí)數(shù)字仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的分析、故障再現(xiàn)重演、事故追憶、故障錄 波等。目前，電力系統(tǒng)仿真技術(shù)正在發(fā)生由集中仿真控制系統(tǒng)向分布式仿真控制系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)變。與集中仿真系統(tǒng)相比，分布式仿真控制系統(tǒng)具有易于擴(kuò)展、靈活性好、性能及穩(wěn)定性 較高等優(yōu)勢(shì)。它的規(guī)模大小可根據(jù)應(yīng)用項(xiàng)目靈活組合，有效減少對(duì)資源的浪費(fèi)。為了滿足實(shí)時(shí)性的要求，實(shí)時(shí)分布式仿真控制系統(tǒng)通常采用MCU(高速精簡(jiǎn)指令 集微處理器)或者DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)作為嵌入式局部總線內(nèi)核，從而組成智能化、自 主處理板內(nèi)轉(zhuǎn)換的仿真平臺(tái)系統(tǒng)，有效減少對(duì)服務(wù)器時(shí)間的占用。因此，實(shí)時(shí)分布式仿真控 制系統(tǒng)是智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的仿真平臺(tái)系統(tǒng)，是未來電力系統(tǒng)仿真技術(shù)發(fā)展的主流。但就申請(qǐng)人所知，目前在電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域中并沒有滿足上述分布式仿真系 統(tǒng)要求的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種面向電力系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)分布式仿真 平臺(tái)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱仿真平臺(tái)系統(tǒng))。它采用分布式布局，適合電力系統(tǒng)分布式仿真處理的需要。為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的方案一種面向電力系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)包括至少一臺(tái)仿真服務(wù)器，每臺(tái)所述仿真服務(wù)器以 PCI橋接方式連接至少一臺(tái)實(shí)時(shí)分布式仿真裝置，所述實(shí)時(shí)分布式仿真裝置通過PCI總線 同時(shí)連接多塊智能型仿真板卡，各所述智能型仿真板卡分別與實(shí)際的電力設(shè)備進(jìn)行連接。其中，當(dāng)所述仿真服務(wù)器為多臺(tái)時(shí)，各仿真服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接。所述智能型仿真板卡包括AO板卡，所述AO板卡為16位32路通道。所述AO板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理器一方面連接局部總線，
3另一方面連接高速隔離芯片，所述高速隔離芯片連接模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換處理單元和信號(hào)同步 單元，所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換處理單元和信號(hào)同步單元連接信號(hào)處理單元。在所述PCI總線與所述局部總線之間設(shè)有共享的高速緩存，同時(shí)還設(shè)有信息單元 和控制寄存器。所述智能型仿真板卡包括AI板卡，所述AI板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理器。所述智能型仿真板卡包括DO板卡，所述DO板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理器。所述智能型仿真板卡包括DI板卡，所述DI板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理器。所述AO板卡向?qū)嶋H電力設(shè)備1輸出模擬的電氣量，而所述A I板卡從實(shí)際電力設(shè) 備1處接收相應(yīng)的反饋信號(hào)。所述DO板卡向?qū)嶋H電力設(shè)備2輸出數(shù)字的電氣量，而所述DI 板卡從實(shí)際電力設(shè)備2處接收相應(yīng)的反饋信號(hào)。所述智能型仿真板卡還包括脈沖捕獲板卡。本發(fā)明所提供的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)通過分布式布局和與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的靈活 連接，可以方便地構(gòu)成適合各種現(xiàn)場(chǎng)需要的實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)，充分滿足電力系統(tǒng)仿真 技術(shù)的發(fā)展要求。


下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本專利進(jìn)一步說明。圖1為本實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)的整體工作原理示意圖；圖2為本仿真平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)閉環(huán)連接的基本原理示意圖；圖3為AO板卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為PCI接口及局部總線的連接示意圖；圖5為AO板卡中，同步信號(hào)輸出輸入接口的示意圖；圖6為D0/DI板卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為脈沖捕獲板卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為脈沖捕獲板卡捕獲脈沖信號(hào)的原理示意圖；圖9為應(yīng)用本仿真平臺(tái)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)分布式變電站仿真系統(tǒng)的示例圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明所提供的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)包括至少一臺(tái)仿真服務(wù) 器，該仿真服務(wù)器可單臺(tái)進(jìn)行運(yùn)算或多臺(tái)聯(lián)合進(jìn)行運(yùn)算。在進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)算時(shí)，多臺(tái)仿真服務(wù) 器之間通過千兆(或以上速率)以太網(wǎng)進(jìn)行連接。在每一臺(tái)仿真服務(wù)器中，通過PCIe/PCI 橋接方式(由圖2中的PCI橋接器提供支持)連接單臺(tái)或多臺(tái)實(shí)時(shí)分布式仿真裝置。在本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該實(shí)時(shí)分布式仿真裝置具有12個(gè)PCI接口，可通過PCI總線同時(shí)擴(kuò) 展連接多塊智能型仿真板卡。在實(shí)踐中，上述PCI接口的數(shù)量也可以根據(jù)需要進(jìn)行靈活的 調(diào)整。本發(fā)明中的智能型仿真板卡分AO(模擬量輸出)、AI (模擬量輸入)、D0(數(shù)字量 輸出)、DI (數(shù)字量輸入)、脈沖捕獲五種。其中的AO板卡為16位32路通道，DO板卡為64 路通道，DI板卡為64路通道，脈沖捕獲板卡為32路通道。圖2顯示了本仿真平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)閉環(huán)連接的基本原理。在圖2中，實(shí)時(shí)分布式仿真裝置所連接的智能型仿真板卡分別與各實(shí)際的電力設(shè)備如繼電保護(hù)裝置 進(jìn)行連接。其中，AO板卡向?qū)嶋H電力設(shè)備1輸出模擬的電氣量，而AI板卡從實(shí)際電力設(shè)備 1處接收相應(yīng)的反饋信號(hào)。同樣地，DO板卡向?qū)嶋H電力設(shè)備2輸出數(shù)字的電氣量，而DI板 卡從實(shí)際電力設(shè)備2處接收相應(yīng)的反饋信號(hào)。以此類推，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的閉環(huán)連接。下面對(duì)本仿真平臺(tái)系統(tǒng)中的各組成部分的工作原理作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明中使用的仿真服務(wù)器由運(yùn)算能力較強(qiáng)的高性能計(jì)算機(jī)或者服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，用 于提供仿真運(yùn)算和輸入輸出服務(wù)功能。它與實(shí)時(shí)分布式仿真裝置通過PCI/PCIe橋接方式 實(shí)現(xiàn)連接，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出的轉(zhuǎn)換。在本仿真服務(wù)器中，可采用QNX、LinuX等實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)。這些操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能好，且支持多核系統(tǒng)，適合電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)分布式仿真的需 要。實(shí)時(shí)分布式仿真裝置是用于擴(kuò)展仿真平臺(tái)系統(tǒng)的硬件板卡。它負(fù)責(zé)完成與仿真服 務(wù)器的數(shù)據(jù)交換及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，并提供與外部設(shè)備(如繼電保護(hù)裝置)的物理接口、板卡 電源、PCI總線及風(fēng)扇散熱系統(tǒng)等。在本仿真平臺(tái)系統(tǒng)中，各智能型仿真板卡均帶有嵌入式DSP處理器，它負(fù)責(zé) 局部總線的處理。其中，AO板卡基于DSP(例如TIC2000系列數(shù)字信號(hào)處理器中的 TMS320F28334、TMS320F28335等)、高速隔離芯片(例如采用IT711-2芯片)及共享內(nèi)存 技術(shù)設(shè)計(jì)，具有高速輸出轉(zhuǎn)換能力。如圖3所示，AO板卡中的DSP —方面連接局部總線，另 一方面連接高速隔離芯片。該高速隔離芯片連接多個(gè)AD/DA (模數(shù)/數(shù)模)轉(zhuǎn)換處理單元 (可以用DAC8814芯片實(shí)現(xiàn))和一個(gè)信號(hào)同步單元(由IT711-2及驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn))，這些 AD/DA轉(zhuǎn)換處理單元連接信號(hào)處理單元。該信號(hào)處理單元由基準(zhǔn)電源電路(采用REF102、 TL43IACLP芯片)和運(yùn)放電路(采用0PA22^芯片)實(shí)現(xiàn)，用于完成信號(hào)的變換、零點(diǎn)調(diào)整、 幅度調(diào)整等工作。另外，在AO板卡中還具有E2PR0M，它通過I2C連接局部總線。如圖4所示，在PCI總線與局部總線之間設(shè)有共享的高速緩存(RAM)，同時(shí)還設(shè)有 控制寄存器、采用CY7C09449芯片實(shí)現(xiàn)的信息單元，其中高速RAM用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，信息 單元實(shí)現(xiàn)信息流控。通過它們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存的共享，并支持DMA數(shù)據(jù)傳輸，從而有效提高 數(shù)據(jù)吞吐的能力。AO板卡設(shè)有信號(hào)同步單元，可實(shí)現(xiàn)多塊AO板卡的輸出同步。該同步信號(hào) 由一個(gè)AO板卡輸出(可定義為主端)，其它的AO板卡接收(可定義為從端)，因此可以同 時(shí)支持多塊AO板卡。同步信號(hào)的輸入輸出接口如圖5所示，其中P2、P3、P4、P5為同軸接口，P6為主從 設(shè)置跳線，LSY為板內(nèi)同步信號(hào)，LSY-O為板外同步信號(hào)。當(dāng)P6被斷接時(shí)，AO板卡設(shè)為主方 式，板內(nèi)同步信號(hào)通過P6連接至LSY-0，可從同軸接口 P2、P3、P4、P5輸出。其它的AO板卡 的P6跳線設(shè)置打開，設(shè)為從方式。同步信號(hào)可從采用主方式的AO板卡通過同軸電纜接入。類似地，AI板卡、DO板卡、DI板卡(參見圖6所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與AO板卡類似，在 此不再贅述)也是基于DSP、高速隔離芯片及共享內(nèi)存技術(shù)設(shè)計(jì)的，其PCI接口支持高速緩 存的共享。這些板卡都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是內(nèi)部的局部總線由嵌入式DSP處理器來進(jìn) 行管理。相關(guān)的AD/DA(模數(shù)/數(shù)模)轉(zhuǎn)換處理、信號(hào)同步等工作都由該DSP負(fù)責(zé)控制，與 上述的仿真服務(wù)器無關(guān)，從而減小仿真服務(wù)器的占用時(shí)間，適應(yīng)電力系統(tǒng)分布式仿真處理 的需要。脈沖捕獲板卡參見圖7所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也與AO板卡類似，只不過高速隔離芯片與接口之間為多個(gè)脈沖電平轉(zhuǎn)換電路。這樣，輸入的脈沖信號(hào)量經(jīng)脈沖電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行 信號(hào)電平變換后，接入高速隔離芯片，進(jìn)而變換至DSP。該脈沖捕獲板卡支持上升沿、下降 沿、上升沿和下降沿同時(shí)捕獲三種方式，并具有時(shí)標(biāo)信息返回功能。在脈沖捕獲板卡中，脈 沖信號(hào)接入內(nèi)部的DSP的高速輸入端口。如圖8所示，脈沖時(shí)標(biāo)可記錄計(jì)算步長起點(diǎn)到該 步長內(nèi)脈沖到達(dá)的上升沿或下降沿。PCI橋接器包括電源、PCI橋連板卡和PCI擴(kuò)展槽等。它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域常用的 設(shè)備，在此就不詳細(xì)說明了。上述的各智能型仿真板卡可以根據(jù)分布式仿真的實(shí)際需要決定數(shù)量，并進(jìn)行靈活 多樣的組合。例如在圖9所示的實(shí)時(shí)分布式變電站仿真系統(tǒng)中，通過分布式布局和現(xiàn)場(chǎng)控 制總線，多個(gè)智能型仿真板卡可以組成控制網(wǎng)絡(luò)并接收后臺(tái)教員系統(tǒng)的控制指令。與智能 型仿真板卡連接的斷路器、刀閘及操作機(jī)構(gòu)裝置等具有真實(shí)設(shè)備的所有回路、接點(diǎn)，可以模 擬斷路器、刀閘及操作機(jī)構(gòu)的正常動(dòng)作和故障情況，為相關(guān)的技術(shù)研究和自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)提供 良好的技術(shù)平臺(tái)。以上對(duì)本發(fā)明所提供的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對(duì) 本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見的改 動(dòng)，都將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
權(quán)利要求
1.一種面向電力系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)包括至少一臺(tái)仿真服務(wù)器，每臺(tái)所述仿真服務(wù)器以PCI 橋接方式連接至少一臺(tái)實(shí)時(shí)分布式仿真裝置，所述實(shí)時(shí)分布式仿真裝置通過PCI總線同時(shí) 連接多塊智能型仿真板卡，各所述智能型仿真板卡分別與實(shí)際的電力設(shè)備進(jìn)行連接。
2.如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)所述仿真服務(wù)器為多臺(tái)時(shí)，各仿真服務(wù)器之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接。
3.如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述智能型仿真板卡包括模擬量輸出板卡，所述模擬量輸出板卡為16位32路通道。
4.如權(quán)利要求3所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述模擬量輸出板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理器一方面連接局部總 線，另一方面連接高速隔離芯片，所述高速隔離芯片連接模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換處理單元和信號(hào) 同步單元，所述模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換處理單元和信號(hào)同步單元連接信號(hào)處理單元。
5.如權(quán)利要求4所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于在所述PCI總線與所述局部總線之間設(shè)有共享的高速緩存，同時(shí)還設(shè)有信息單元和控 制寄存器。
6.如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述智能型仿真板卡包括模擬量輸入板卡，所述模擬量輸入板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理。
7.如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述智能型仿真板卡包括數(shù)字量輸出板卡，所述數(shù)字量輸出板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理ο
8.如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述智能型仿真板卡包括數(shù)字量輸入板卡，所述數(shù)字量輸入板卡中具有數(shù)字信號(hào)處理
9.如權(quán)利要求3、6 8中任意一項(xiàng)所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于所述模擬量輸出板卡向第一實(shí)際電力設(shè)備輸出模擬的電氣量，所述模擬量輸入板卡從 所述第一實(shí)際電力設(shè)備處接收相應(yīng)的反饋信號(hào)；所述數(shù)字量輸出板卡向第二實(shí)際電力設(shè) 備輸出數(shù)字的電氣量，所述數(shù)字量輸入板卡從所述第二實(shí)際電力設(shè)備處接收相應(yīng)的反饋信號(hào)。
10.如權(quán)利要求1所述的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，其特征在于 所述智能型仿真板卡還包括脈沖捕獲板卡。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向電力系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)，包括至少一臺(tái)仿真服務(wù)器，每臺(tái)仿真服務(wù)器以PCI橋接方式連接至少一臺(tái)實(shí)時(shí)分布式仿真裝置，實(shí)時(shí)分布式仿真裝置通過PCI總線同時(shí)連接多塊智能型仿真板卡，各智能型仿真板卡分別與實(shí)際的電力設(shè)備進(jìn)行連接。本實(shí)時(shí)分布式仿真平臺(tái)系統(tǒng)通過分布式布局和與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的靈活連接，可以方便地構(gòu)成適合各種現(xiàn)場(chǎng)需要的實(shí)時(shí)分布式仿真系統(tǒng)，充分滿足電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展要求。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102073753SQ20101018881
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者馮斌, 張鵬, 林昌年, 林春龍, 王慶平, 榮垂凱, 馬曉偉, 魏文輝 申請(qǐng)人:北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司