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。

3 RT-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

置并仿真的方案：1）基于模型对FPGA的I/O口进行配置；2）将在XSG下建立的图形化模型自动产生VHDL硬件代码运行于FPGA上以实现“片上仿真”。

4 RT-LAB硬件构架

RT-LAB实时仿真平台硬件全部基于在市场上能方便购买到的“商业货架（COTS）”产品，非常便于升级。唯一例外的是仿真器中Opal-RT公司定做的专用于高频脉冲捕获的FPGA I/O卡。该FPGA卡可实现10ns精度的数字脉冲捕获，1us的D/A及2us的A/D转换精度。

RT-LAB硬件基于Intel/AMD架构，其优势在于并行分布式计算，平台通过共享内存方式在同一台PC的不同CPU之间交换数据，通过IEEE1394(火线)在不同PC间实现数据高速通信。

平台另一特点在于对大量第三方I/O卡的支持，Acromag，DDC, Kronton，Measurement Computing，National Instruments，Quanser and Sensoray等著名厂商的产品均有驱动支持[5]。图1为系统PC机群的硬件构架。

图1 RT-LAB机群构架

5 系统结构及仿真应用

本节介绍了RT-LAB平台在电力应用方面的几个实时项目，分别代表了实时仿真的三种典型应用，即半实物仿真范畴的快速控制原型（RCP）和硬件在环测试（HIL）、以加速大系统仿真速度为目的的全数字实时仿真。平台仿真结果的有效性及运算的实时性均达到科研及工程应用的要求。

所谓半实物仿真是指在仿真实验系统的回路中接入部分实物的实时仿真。它同其它类型的仿真方法相比具有实现更高真实度的可能性，是仿真技术中置信度最高的一种仿真方法。从系统的观点来看，半实物仿真允许在系统中接入部分实物，意味着已经把部分实物放在系统中进行考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验，因此是提高系统设计的可靠性和研制质量的有效手段[6]。

快速控制原型(RCP)与硬件在环仿真(HIL)是基于半实物仿真的控制系统设计的两个重要阶段。以下将分别介绍这两种应用的成功项目。 A. 开关磁阻电机调速系统快速控制原型（RCP）

在控制系统设计的初始阶段，使用快速控制原型(RCP)对设计的理念、控制算法进行实时仿真，通过I/O与实际被控对象连接，反复修正算法并在线调参，直到系统满足控制性能要求。此时，由于算法控制的是实际对象，其可行性从事实上得到了最高置信度的验证。

开关磁阻电机调速系统（SRD）具有结构简单、成本低；电机各项相对，容错能力强可靠性高；启动转矩大，启动电流小；可控参数多，控制性能好的特点，近年来在科研和产业界获得了广泛关注，有深远的开发潜力[7]。

该项目为国内某高校开关磁阻调速系统设计（SRD），系统在低速和高速时分别采用电流斩波（CCC）和角度位置控制（APC）算法，采用RT-LAB平台作为其快速原型控制器，以实时在线的

方式对控制算法和参数进行不断优化，并直观的反映在真实电机获得的实际性能上。图2是系统构架图。

系统运行于20us的仿真步长下，获得了很好的调速效果，验证了控制算法的有效性。较之前的单片机调速系统具有人机界面友好，修改算法和参数便捷等明显优势，缩短了从算法构思到验证实现的过程。

B. 静止无功补偿装置STATCOM控制器硬件在环测试（HIL）

通过快速控制原型（RCP）过程验证得到的算法，在形成实际控制器之后还需要对其控制性能进行测试才能投入使用。这时硬件在环(HIL)仿真就为这种测试提供了一种新的思路。在这种测试环境下，实际控制器和虚拟被控对象形成闭环，对控制器进行测试，减小了对实际对象直接操作的危险性，大幅的降低了成本，并可以对各种极端情况进行模拟。工程上的实践反复证明，在被控对象建模准确时，HIL仿真的可信度是很高的。

系统结构如图3所示，基于GTO的三电平无功补偿装置STATCOM采用链式结构通过变压器接入电网，对电压及无功功率进行补偿，从而能最大限度的发挥线路的输送能力。此处对被控系统如逆变部分、变压器及电网进行建模运行于RT-LAB仿真器中，实际控制器与虚拟电网组成闭环，对控制器进行测试。Artemis算法对电路所有可能出现的拓扑进行预先计算，减少了实时仿真的运算量。“时戳桥（TSB）”对GTO三电平逆变桥进行了精确模拟。

图2 开关磁阻电机调速系统RCP

图3 永磁同步电机控制器硬件HIL

C. 大型双馈并网发电系统分布式实时仿真

整个系统的结构如图4所示，由10台额定功率1.5MW的双馈风力发电机组成一个大规模风力发电并网系统。

图4 系统整体结构图

图5 系统分割方式

由于整个系统过于庞大，计算负担过重，难以在单CPU上完成整个系统的实时仿真。RT-LAB

平台将整个系统分割为6个部分，分别运行于3台PC机的6个核上。同一PC机内的核之间通过共享内存实现通讯，不同PC机通过实时网络IEEE1394（火线）实现高速、低延时互连。系统分割方式如图5所示。

整个系统运行于30us（无I/O）定步长的硬实时仿真下。与常规运行于Windows操作系统PC的simulink环境下相比，具有240倍的加速比。

表1 实时性能测试

硬实时仿真步长(6CPU Xeon 2.33Gz)

加速比

基于RT-LAB仿真平台的硬实时仿真vs Windouws操作系统 Simulink/SPS 环境下离线仿真 (Genuine Intel dual core, 1.6GHz, 2GB RAM)

240 30us

表1显示了该平台在计算上的强大能力，值得指出的是，加速比指标随着PC性能的提高在不断提升，目前已经能达到800。这一特性有利于加速仿真进度，提高科研效率。对于系统在不断增大需要经常对仿真平台计算能力进行扩充的应用，如电网的仿真，该平台提供了较为方便和经济的方式，只需不断增加PC即可满足系统对运算能力的要求。

6 结论

电力电子及电力系统的复杂性日益增强要求科研院所及企业以新的思路来面对未来系统的规划、设计和验证。本文介绍了加拿大Opal-RT公司基于PC集群的电力实时仿真平台RT-LAB，以实际应用为对象，介绍了实时仿真及半实物仿真。通过对大量实际项目运行结果的评估证明了该平台的对电力研究及产业化的重要意义。

参考文献：

[1] 廖瑛,梁加红等编著. 实时仿真理论与支撑技术[M]. 长沙:国防科技大学出版社,2002.

[2] S. Abourida, C. Dufour, J. Bélanger, G. Murere, N. Lechevin, Y. Biao,“Real-time PC-based simulator of electric

systems and drives”, Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2002. [3] 王鹏,吕爽,聂治,谢千河等编著. 并行计算应用及实战[M]. 北京:机械工业出版社,2008.

[4] 李亚楼，周效信，吴中习. 基于PC机群的电力系统机电暂态仿真并行算法.电网技术,27(11),2003:6-12 [5] C. Dufour, J. Bélanger, “Real-time Simulation of a 48-Pulse GTO STATCOM Compensated Power System on a

Dual-Xeon PC using RT-LAB”, Proceedings of the 6th International Conference on Power Systems Transients (IPST-05), June 19-23, 2005, Montréal, QC, Canada.

[6] 单家元,孟秀云,丁艳等编著. 半实物仿真[M]. 北京:国防工业出版社,2008.4.

[7] Shengli lu, Hao Chen, Zhe Chen “Modeling Inter-Turn Winding Faults in Switched Reluctance Machines Based

on Neural Network,” Proceeding of International Conference on Electrical Machines and Systems 2007, Oct. 8~11, Seoul, Korea

作者简介：

王 涛(1981-), 男, 湖南怀化, 苗族, 硕士，系统仿真工程师，研究方向为系统仿真、电力电子与电力系统等;邮箱：taowang@aeetk.com；

邹毅军(1975-)，男，硕士，上海科梁信息工程有限公司总工程师，技术部经理。主要研究方向为分布式并行仿真，航空、汽车电子领域系统仿真。年晓红(1965-)，男，甘肃武山人，博士，中南大学教授，主要研究方向为变流技术与传动控制、复杂多体系统的控制与优化等；

胡 毅(1982-), 男,四川成都, 汉族, 学士，仿真工程师，研究方向为系统仿真、电力电子与电力系统等；