联合实时仿真

本文档主要介绍 CloudPSS EMTLab 在电磁暂态实时仿真中联合实时仿真的应用方法及案例。

功能定义

CloudPSS EMTLab 可凭借高性能实时仿真器 CloudPSS Mini (RT) 或 CloudPSS Pro (RT) ，以及数模转换枢纽 CloudPSS I/O Signal Hub，实现联合实时仿真的应用。

功能说明

硬件平台

联合实时仿真是指 CloudPSS-RT 仿真器与其它仿真平台的仿真器进行实时数据交互，以实现系统规模的扩展或平台功能的扩展。CloudPSS-RT 仿真器具备通用的 SFP 光纤接口和多路模拟量、数字量接口，可兼容多种其它仿真平台，实现联合实时仿真。CloudPSS-RT 的联合实时仿真硬件平台示意图如下所示。

CloudPSS-RT 联合实时仿真应用

CloudPSS-RT 可配置 1 - 3 块 FPGA 通信/计算卡，每块 FPGA 通信/计算卡具备 2 - 4 个 SFP 光纤接口。CloudPSS-RT 通过 SFP 接口与 Signal Hub 连接后，将具备 8 路模拟量输入和 32 路模拟量输出，并具备 96 路可控数字量输入/输出，其中含 8 路 PWM 输入和 16 路 PWM 输出，支持 1k - 100kHz 的 PWM 调制与解调。

通过上述数据交互接口，可实现与其它仿真平台的联合实时仿真。

通信协议

当使用 SFP 光纤接口与其它仿真平台的仿真器通信时，需要定制开发通信协议。

CloudPSS-RT 的 SFP 光纤接口可采用 Aurora 通信协议。Aurora 协议是 Xilinx 公司提供的一个开放、免费的链路层协议，可进行点对点的串行数据传输，具有高效、稳定和简单易用的特点。Aurora 协议允许器件之间通过多个通道绑定进行通信。单个通道可实现 750Mbit/s - 6.5Gbit/s的通信传输，多个通道的组合可实现几十 Gbit/s 甚至上百 Gbit/s 的通信传输。Aurora 协议的链路结构如下图所示。

Aurora 协议链路结构图

CloudPSS-RT 的 FPGA 通信/计算卡中已内置了一个 Aurora 协议，协议各参数如下表。

参数项	协议内容
帧格式	32 位 Float
同步帧	1 通道，4 字节，0x12345678
有效帧	64 通道，256 字节，用户自定义
帧长度	共 65 通道，260 字节
光口速率	5Gbps
解析方式	大端解析

若其它仿真平台的仿真器数据交互接口配置成相同的协议，即可与 CloudPSS-RT 通过该协议进行数据交互。

CloudPSS-RT 与 I/O Signal Hub 的数据交互也是通过 SFP 光纤接口进行，使用内置的 Aurora 通信协议实现。

主从式同步机制

为确保 SFP 光纤接口传输的数据正确、稳定、无丢包，CloudPSS-RT 的光纤通信采用主从式的同步机制。光纤两端的器件，一端作为主模式，按一定时间间隔（一般是仿真步长）发送数据；另一端作为从模式，按相同的时间间隔接收数据，并校验同步帧，默认同步帧之后的帧数据有效。

CloudPSS-RT 可在电磁暂态仿真方案中，设置实时仿真的类型后，选择设置为主模式或从模式，当选为主模式时，CloudPSS-RT 将会以设置的仿真积分步长为间隔，持续发送和接收数据，并且不会校验接收到的数据；当选为从模式时，CloudPSS-RT 将会以设置的仿真积分步长为间隔接收数据，并校验数据的同步帧，若同步帧匹配，则发送数据。以此实现光纤通信的时序同步和数据的正确、稳定交互。

主从模式设置

CloudPSS-RT 与其它仿真平台的仿真器通过光纤通信时，通常设置为从模式，由 CloudPSS-RT 跟随其它仿真器的同步信号。

CloudPSS-RT 与 I/O Signal Hub 通信时需设置为从模式。

软件接口

EMTLab 提供了一套实时仿真工具库，包含了联合实时仿真的软件接口，可将模型中的数据通过 SFP 接口或 I/O Signal Hub 的模拟量、数字量接口输出，或接收 SFP 数据、模拟量信号、数字量信号，参与模型中的仿真计算。

实时仿真工具库

• SFP 接口元件

  提供 SFP 接口功能，输入和输出引脚的维数均为 64，对应 CloudPSS-RT 内置 Aurora 协议的 64 通道有效帧，需配合多路信号合并和多路信号分离元件使用。协议中的同步帧 0x12345678 已隐藏在接口中作为帧头，无需用户设置。

  

  SFP 接口元件

• 虚拟端口元件

  提供以太网接口交互功能，虚拟输出端口可将模型的数据从以太网接口输出，虚拟输入端口可接收以太网接口的输入到模型中。

  虚拟端口元件一般用于在实时仿真过程中，通过以太网将仿真结果数据传输到上位机观测，也可以接收上位机下发的数据指令。使用方法可参考软件工具 CloudPSS Signal Monitor 文档。

  若需要通过以太网接口与其它仿真平台的仿真器通信，需定制开发通信协议，并选定一些虚拟端口元件与待输出、待输入信号绑定。

  

  虚拟端口元件

• 模拟量接口元件

  与 I/O Signal Hub 交互数据，实现模拟量输出、模拟量输入功能。一台 CloudPSS I/O Signal Hub 支持最多 32 路模拟量输出通道和 8 路模拟量输入通道，模拟量输出信号的幅值范围为 ±10V，模拟量输入信号的幅值范围为 ±5V，具体使用方法可参考硬件产品 CloudPSS I/O Signal Hub 文档。

  

  模拟量输出与输入元件

• 数字量接口元件

  与 I/O Signal Hub 交互数据，实现数字量输出、数字量输入功能。一台 CloudPSS I/O Signal Hub 支持最多 96 路数字量通道，每 8 路为 1 组，可按组为单位切换数字量方向，选择接口为数字量输出或数字量输入。数字量输出信号的低电平为 0V，高电平为 5V，数字量输入信号的高电平判断阈值为 2V。

  

  数字量输出与输入元件

  在 96 路通道的数字量接口中，有 16 路可设置为 PWM 输出接口，通过调制波输出元件将基波信号传输至 CloudPSS I/O Signal Hub，Signal Hub 根据用户设置的载波参数将基波调制为 1k - 100kHz 的 PWM 信号，并从对应的数字量接口输出。

  并且，还有 8 路可设置为 PWM 输入接口，CloudPSS I/O Signal Hub 将以 10MHz 的频率采样和接收 PWM 信号，并将其解调还原为基波，通过调制波输入元件将基波信号传输至模型中，支持解调的 PWM 频率范围为 1k - 100kHz。

  

  调制波输出与输入元件

  数字量接口元件的具体使用方法可参考硬件产品 CloudPSS I/O Signal Hub 文档。

案例

与 RT-LAB 联合实时仿真

• 案例介绍

  该案例搭建了基于 CloudPSS-RT 与 RT-LAB 仿真器的储能并网联合实时仿真测试平台，被测设备为储能 PCS 控制器，完成了储能控制器在小步长硬件在环仿真的同时，在大规模区域电网中的并网、故障测试。

• 平台结构

  平台结构如下图所示。

  

  储能并网的联合实时仿真测试平台

  在 CloudPSS-RT 中搭建大规模区域电网模型，基于长传输线解耦的原理将区域电网与储能并网系统解耦，通过 SFP 光纤接口与 RT-LAB 实现数据交互。RT-LAB 同时与储能 PCS 控制器进行小步长的模拟量、数字量交互，实现了储能 PCS 控制器在大规模区域电网中的并网和故障仿真测试。

• 系统规模

  区域电网模型采用 10 机 39 节点标准测试算例模型，电磁暂态实时仿真步长 20us，系统模型含 180 个电气节点，737 个控制节点。

与 RTDS 联合实时仿真

• 案例介绍

  该案例搭建了基于 CloudPSS-RT 与 RTDS 仿真器的直流系统联合实时仿真测试平台，分别在 CloudPSS-RT 中完成了直流控制系统的硬件在环测试，以及直流电气拓扑的快速原型控制验证。

• 平台结构

  平台结构如下图所示。

  

  直流系统联合实时仿真测试平台

  基于本案例搭建的联合实时仿真测试平台，进行了两个方案的测试和验证：

  • 1. 在 CloudPSS-RT 中根据真实直流工程参数搭建两端 LCC 直流的电气拓扑模型，在 RTDS 中构建直流的控制系统模型，RTDS 与 CloudPSS I/O Signal Hub 通过模拟量进行数据交互。CloudPSS-RT 作为电气系统完成了直流控制系统的硬件在环测试。
  • 2. 在 CloudPSS-RT 中搭建直流的控制系统模型，在 RTDS 中构建直流的电气拓扑模型，RTDS 与 CloudPSS I/O Signal Hub 通过模拟量进行数据交互。CloudPSS-RT 作为控制系统完成了直流电气模型的快速原型控制验证。

  通过以上两个方案验证了 CloudPSS-RT 与 RTDS 联调的可行性，以及直流控制策略的正确性。

• 系统规模

  电磁暂态实时仿真步长 50us，LCC 直流系统模型包含控制系统在内，含 462 个电气节点，1168 个控制节点。

与 FPGA 电力电子仿真器联合实时仿真

• 案例介绍

  该案例搭建了基于 CloudPSS-RT 与 FPGA 电力电子仿真器的联合实时仿真测试平台，完成了两电平并网逆变器的并网仿真测试。

• 平台结构

  平台结构如下图所示。

  

  两电平并网逆变器的联合实时仿真测试平台

  在 CloudPSS-RT 中构建两电平并网逆变器的控制模型，在 FPGA 仿真器中构建两电平并网逆变器的电气拓扑，通过 CloudPSS I/O Signal Hub 采集 FPGA 仿真器的电压、电流数据，进行并网控制后，将控制调制波输出至 FPGA 仿真器，完成两电平并网逆变器的快速原型控制测试。

• 系统规模

  电磁暂态实时仿真步长 50us，逆变器控制系统模型含 59 个控制节点。

常见问题

如何修改 SFP 光纤接口通信协议？

CloudPSS-RT 内置的 Aurora 通信协议已固化在通信模块中，无法由用户自定义，如需修改通信协议，可联系 CloudPSS 技术人员定制开发。

联合实时仿真是否存在通信延迟，通信延迟对仿真结果是否有影响？

CloudPSS 采用主从式的同步机制，从仿真器跟随主仿真器的同步信号保持数据交互同步。因此，在联合仿真中，仿真器之间会存在通信延迟，但为了确保稳定的数据交互，该通信延迟被设计为一个与仿真积分步长相关的固定值，一般是仿真积分步长的整数倍。

通信延迟与仿真平台的仿真计算时序有关。以 CloudPSS 与 RT-LAB 通过 SFP 光纤接口的联合仿真为例，在CloudPSS 中，一个仿真时步内，先计算控制系统，再计算电气系统；而在 RT-LAB 中，一个仿真时步内，先计算电气系统，再计算控制系统。因此，由于仿真计算时序的不同，CloudPSS 与 RT-LAB 的控制结果实际上相差了 2 个时步，通信延迟也为 2 个仿真积分步长的固定通信延迟。若设置仿真积分步长为 20us，则 CloudPSS 与 RT-LAB 的通信延迟为 40us，在 50Hz 的电网系统中，该通信延迟的影响可忽略不计。

若对通信延迟有更高的要求，CloudPSS 也可提供一个基于长传输线解耦的联合实时仿真方案，利用长传输线自身的延迟特性将通信延迟补偿，具体的实现方法可联系 CloudPSS 技术人员。