一种电力电子实时仿真系统、方法、设备及介质与流程

本发明属于数字仿真，尤其涉及一种电力电子实时仿真系统、方法、设备及介质。

背景技术：

1、电力电子仿真机是用于研究电力系统电磁暂态现象的装置，具备实时性和数字化两大特征。实时性是指该装置具有强大的计算能力，可以持续产生输出，其输出结果能够真实反映物理网络中的情况。因此，用户可以将仿真机直接连接到电力系统控制和保护装置上，实现仿真系统与实际物理系统的联合工作。数字化是指该装置并非实际系统元件的物理小型化，而是以软件模型为基础，可以快速搭建系统仿真模型，并且可以方便地从一应用场景切换至另一应用场景，从而极大地提高实验效率。

2、电力电子实时仿真技术的难点主要在于模型复杂度、实时性要求和数据采集与处理。电力电子系统的模型非常复杂，包括非线性元件、多模态行为、时变特性等，这使得实时仿真的计算负担很大。此外，电力电子系统的实时性要求很高，需要在短时间内完成大量的计算和数据处理，以实现对电力电子元件暂态特性的模拟效果。同时，实时仿真需要对大量的传感器和执行器数据进行采集和处理，这需要高效的数据采集和处理算法。

3、为了完成实时仿真任务，电力电子仿真机系统需要承担不同功能的多个单元协同工作。其中应当包括实现大规模高密度计算的主机单元(其核心器件是高性能处理器)，实现高实时性技术的实时单元(其核心器件是大规模现场可编程逻辑器件，fpga)，实现与模拟量、开关量采集与传输的io单元。此外，为了完成更大规模的系统级仿真工作，单个仿真机装置的算力不足，需要将仿真计算分解至多个仿真机装置系统完成。仿真机内各类单元工作原理有差异，各仿真机的任务分工也不同，如果要协同完成仿真工作，各单元间以及各仿真机间均需要足够大的通信带宽以及精确的同步效果。

技术实现思路

1、本发明的目的，在于提供一种电力电子实时仿真系统、方法、设备及介质，能够通过网络实现多个单元、设备的同步运行，协调执行大规模数字仿真任务。

2、为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

3、一种电力电子实时仿真系统，包括若干仿真机装置，各仿真机装置之间通过交换式网络设备连接；各所述仿真机装置包括主计算单元、实时单元和输入输出单元，主计算单元与实时单元以星型拓扑网络连接，各实时单元之间以网格型拓扑网络连接，输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接；

4、所述主计算单元按照大时间步长完成仿真计算任务，实时单元按照小时间步长完成仿真计算任务，大时间步长与小时间步长间存在倍数关系；输入输出单元完成仿真系统内部数字仿真结果与外部实际装置交互任务。

5、上述主计算单元与实时单元以星型拓扑网络连接，主计算单元作为中心节点，仿真机装置内所有实时单元与主计算单元之间具有独立的点对点通信通道。

6、各所述实时单元之间以网格型拓扑网络连接，每个实时单元均与本仿真机装置内其他实时单元具有点对点通信通道。

7、上述输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接，实时单元作为串联链路的根节点，各输入输出单元依次串联。

8、各所述仿真机装置的主计算单元通过交换式网络设备连接，并通过运行在网络上的对时协议实现各仿真机装置的同步功能。

9、上述仿真系统运行过程中，主计算单元的大时间步长与实时单元的小时间步长维持稳定的相位关系；各实时模块的小时间步长维持稳定的相位关系。

10、上述输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接，实时单元根据本单元小时间步长周期发起通信，各输入输出单元在周期内完成与实时单元的数据交互。

11、一种电力电子实时仿真方法，配置若干仿真机装置，各仿真机装置之间通过交换式网络设备连接；各所述仿真机装置配置为包括主计算单元、实时单元和输入输出单元，主计算单元与实时单元以星型拓扑网络连接，各实时单元之间以网格型拓扑网络连接，输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接；

12、所述主计算单元按照大时间步长完成仿真计算任务，实时单元按照小时间步长完成仿真计算任务，大时间步长与小时间步长间存在倍数关系；输入输出单元完成仿真系统内部数字仿真结果与外部实际装置交互任务。

13、一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的电力电子实时仿真方法的步骤。

14、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的电力电子实时仿真方法的步骤。

15、采用上述方案后，本发明具有以下特点：

16、(1)本发明设置的多个仿真机装置扩展能够解决超大规模仿真任务中单台仿真机计算能力不足的问题。这些仿真机设备不仅具备强大的计算性能，而且通过外部交换式网络设备实现数据交互，以确保数据传输的稳定性和高效性。采用这种扩展方案，仿真模型可以灵活地分配到多个仿真机装置上执行，从而能够并行处理大规模仿真任务。这种架构提供了极高的灵活性，可以根据实际需求随时调整仿真机装置的数量，以适应不同规模和复杂度的仿真任务。此外，通过多个仿真机装置扩展，还可以实现高效的资源利用。由于仿真机装置的数量可以根据需求进行动态调整，因此可以避免资源的浪费或不足。这种方案适用于各种超大规模仿真任务，具有很高的实用性和灵活性。

17、(2)仿真机装置内部各单元的通信网络以及仿真机装置间通信网络，均能支持基于网络通信的同步功能，大步长周期与小步长周期有确定的倍数关系，并在运行中维持确定的相位关系，有实现多个单元、设备的同步运行，协调工作，进而实现高效、可靠的数字仿真任务。

18、(3)仿真机装置内部的各单元通信网络和仿真机装置间的通信网络，均具备基于网络通信的同步功能(如ptp1588)，同步功能可以极大地增强通信的准确性和效率。主计算单元的大步长周期与实时单元的小步长周期之间存在确定的倍数关系，并在运行过程中保持确定的相位关系，可以进一步增强仿真机内部和仿真机之间的协同性、稳定性与确定性。

19、(4)本发明通过实现多个单元、设备的同步运行，仿真机装置能够高效、可靠地完成各种数字仿真任务。这种同步运行的方式，可以使各单元、设备之间的工作更加协调、高效，从而显著提高仿真机装置的整体性能。

技术特征：

1.一种电力电子实时仿真系统，其特征在于：包括若干仿真机装置，各仿真机装置之间通过交换式网络设备连接；各所述仿真机装置包括主计算单元、实时单元和输入输出单元，主计算单元与实时单元以星型拓扑网络连接，各实时单元之间以网格型拓扑网络连接，输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接；

2.如权利要求1所述的电力电子实时仿真系统，其特征在于：所述主计算单元与实时单元以星型拓扑网络连接，主计算单元作为中心节点，仿真机装置内所有实时单元与主计算单元之间具有独立的点对点通信通道。

3.如权利要求1所述的电力电子实时仿真系统，其特征在于：各所述实时单元之间以网格型拓扑网络连接，每个实时单元均与本仿真机装置内其他实时单元具有点对点通信通道。

4.如权利要求1所述的电力电子实时仿真系统，其特征在于：所述输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接，实时单元作为串联链路的根节点，各输入输出单元依次串联。

5.如权利要求1所述的电力电子实时仿真系统，其特征在于：各所述仿真机装置的主计算单元通过交换式网络设备连接，并通过运行在网络上的对时协议实现各仿真机装置的同步功能。

6.如权利要求1所述的电力电子实时仿真系统，其特征在于：所述仿真系统运行过程中，主计算单元的大时间步长与实时单元的小时间步长维持稳定的相位关系；各实时模块的小时间步长维持稳定的相位关系。

7.如权利要求1所述的电力电子实时仿真系统，其特征在于：所述输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接，实时单元根据本单元小时间步长周期发起通信，各输入输出单元在周期内完成与实时单元的数据交互。

8.一种电力电子实时仿真方法，其特征在于：配置若干仿真机装置，各仿真机装置之间通过交换式网络设备连接；各所述仿真机装置配置为包括主计算单元、实时单元和输入输出单元，主计算单元与实时单元以星型拓扑网络连接，各实时单元之间以网格型拓扑网络连接，输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接；

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器，以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序；其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求8所述的电力电子实时仿真方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序；其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8所述的电力电子实时仿真方法的步骤。

技术总结
本发明公开一种电力电子实时仿真系统，包括若干仿真机装置，各仿真机装置之间通过交换式网络设备连接；各所述仿真机装置包括主计算单元、实时单元和输入输出单元，主计算单元与实时单元以星型拓扑网络连接，各实时单元之间以网格型拓扑网络连接，输入输出单元以串联拓扑网络与实时单元连接；所述主计算单元按照大时间步长完成仿真计算任务，实时单元按照小时间步长完成仿真计算任务，大时间步长与小时间步长间存在倍数关系；输入输出单元完成仿真系统内部数字仿真结果与外部实际装置交互任务。此种技术方案能够通过网络实现多个单元、设备的同步运行，协调执行大规模数字仿真任务。

技术研发人员：杨双飞,周月宾,袁智勇,赵晓斌,吴越,徐义良,熊岩
受保护的技术使用者：南方电网科学研究院有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11