高性能电力实时仿真平台RT-LAB

高性能电力实时仿真平台RT-LAB

王涛1，邹毅军1，年晓红2，胡毅1

(1. 上海科梁信息工程有限公司，上海 200233； 2. 中南大学信息科学与工程学院，长沙 410075)

摘要：阐述了PC机群、商业货架（COTS）及实时互联网络概念，介绍了基于分布式并行计算技术的

电力实时仿真平台RT-LAB，从软件和硬件架构上对该平台的性能进行了详细描述。探讨了实时仿真及其

意义，分析了快速控制原型（RCP）、硬件在环测试（HIL）及电力系统纯数字实时仿真的意义、应用原理

及系统构架，针对以上三个应用领域，分别介绍了具体应用项目。实际应用表明：实时仿真意义重大，

RT-LAB平台仿真结果准确，计算性能强大，开辟了未来电力系统设计、规划、验证的新思路，有效的缩

短了研究和产业化过程。

关键词：PC集群；实时仿真；快速控制原型；硬件在环；

1. 引言

伴随电力学科的飞速发展，电力电子及电力系统的复杂性日益增强，而另一方面市场竞争又在降低产品成本和加快上市时间上对行业人员提出了更高的要求。大量的系统仿真因此变得不可替代且正在发挥越来越重要的作用。实时仿真具有将硬件直接接入控制或测试回路的优势，使整个开发过程从本质上更接近于实际，具有更高的置信度[1]；并且大大缩短了开发周期，具有较高的经济价值。因此实时仿真技术及其应用近年来得到了广泛的重视。

电力系统实时仿真方面的研究与应用已经开展多年，领域内早期的产品极大的推动了研究、测试的发展。但这些产品有其固有的缺陷：1）价格昂贵；2）复杂的专用硬件；3）传统Tusin积分方法易于引起数值振荡问题[2]。

本文所介绍的电力系统实时仿真平台采用PC集群技术，基于以RT-LAB为旗舰的一系列软件工具包，对上述几个问题进行了解决。以较高的性价比为电力领域的控制算法设计、控制器测试及系统级仿真提供了完整的解决方案。

2.PC集群架构

计算能力是衡量一个国家国力和科学研究能力的重要指标，一个国家和地区的计算能力现在已经成为一种重要的战略资源，不亚于石油和其他战略物资的重要性。在仿真领域尤其是需要小步长仿真的电力仿真领域，对计算能力的要求更是严格。在此需求背景下，并行及分布式计算技术得到了较快发展，使我们能在现有的芯片制造技术情况下快速提升计算能力[3]，为电力领域的实时仿真提供强有力的支持。

2.1 PC机群

PC机群系统是指将多台PC机通过高速互联网络连接，配合特定的并行支撑软件，形成一个松散耦合的并行计算环境，协同地并行求解同一个问题[4]。机群结构具有单一系统映像(SSI)，能够充分利用单PC的计算资源，提供强大的计算性能，投资风险小，结构灵活，可扩展性强，软件可继承，通用性好，目前已被大量计算机用户和科研院校接受，成为高性能计算领域的一个新的思路。

和传统对称多处理机(SMP)和大规模并行机(MPP)相比，PC机群系统在性能上具有以下优点：投资风险小。由于每台PC机都可以单独使用，避免由于某些原因导致类似传统巨型机或MPP系统整体性能发挥不充分的情况。

易于编程开发。不需要学习并行程序设计语言，用常规的如simulink语言，即可使程序并行运行于机群上；

系统性价比高。采用商业货架PC，以具有竞争力的价格实现高性能的计算。

可扩展性好。可以根据计算需求扩展机群PC机数量，提高机群的计算性能。

值得一提的是，近年来，随着PC机性能的迅速提高和网络技术的发展，PC机群的性价比在不断提高，已经成为一种主流的并行计算机，得到了越来越多的关注。

2.2商业货架配置（COTS）

电力实时仿真对步长、计算能力、通讯带宽及I/O访问速度有较为严格的要求，因此，以往该类平台大多由专用定制且价格昂贵的高端产品来实现性能需求。近年来，商业货架产品（COTS）各方面能进步很快，基于PC的系统已经在仿真和控制应用的很多领域替代了传统专用硬件。随着PC技术的进一步发展，嵌入式PC时代的到来以及低成本高速互联网络技术的不断成熟，越来越多的应用领域正受益于COTS所带来的低成本高性能优势。

PC、以太网、IEEE1394（FireWire）、SimPowersystems等商业货架产品的采用，大幅度降低了RT-LAB平台的构建成本，方便了其性能升级，对于科研和产业界不断增强的需求是一种合适的选择。

2.3实时操作系统与高速通信网络

PC机群系统分布式计算和控制的基本架构决定了其对高速互连网络的严格要求。其容量和性能直接影响了整个系统对高性能计算的适应性。尤其在半实物仿真这种对时间约束非常强的过程，其计算、数据通讯和关键信号的处理如果出现超出范围的延迟，将直接导致整个仿真实验的失败，甚至损坏物理设备及伤害人身安全。因此，实时通讯技术是实现PC机群分布式实时仿真系统的关键所在。RT-LAB采用IEEE 1394（火线）作为高速互连线将PC以“菊花链”的形式进行连接，其带宽达到400Mb/s，在最新的IEEE 1394B中可达到800Mb/s，是一种高速、低延时的高性能实时网络。下位机采用QNX硬实时操作系统，该操作系统长期使用于飞机、医疗、核电、军工等关键任务中，是嵌入式实时操作系统的工业领袖。两者的组合保证了PC机群性能的性能。

3RT-LAB软件构架

RT-LAB电力系统实时仿真平台基于目前在电力仿真领域受到广泛关注的Simulink/Simpowersystems，并采用一系列算法对其进行优化以利于实时运行。

A.Artemis:

RT-LAB中主要的算法工具箱为针对SimPowerSystems开发的Artemis。该算法与其自带算法相比做了三点优化：1）对系统状态方程进行预计算以减少实时仿真中的计算量；2）提供了几种改进的离散化算法，系统离散稳定性得到提高；3）提供网络解耦方案，充分利用稀疏技术对电力网络进行计算4）摒弃了传统的A稳定积分算法，基于L稳定对数值振荡问题进行了大幅改进。

B.RT-Event

电力应用中的PWM脉冲信号频率常常高达KHz数量级，这对要求以定步长方式运行的实时仿真会产生很大影响，因为步长之间发生的事件（脉冲）无法被准确检测将会对积分结果产生较大影响。RT-Events采用插值补偿（interpolating）算法对这一问题进行了解决，能够在步长内捕捉高达512个脉冲并进行积分补偿，从而使RT-LAB能够对高频电力电子系统进行精确仿真。

C.RTeDrive

RTeDrive工具箱提供了对电压源逆变器的精确模拟。采用与RT-EVENT类似的算法针对IGBT/MOSGET/GTO等开关器件进行了重新建模。能够对电压源逆变器系统进行精确模拟。

D.Xilinx System Generator(XSG)

在对硬件描述语言没有任何基础的情况下，XSG模块库提供了对Opal-RT FPGA进行编程配