直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)實時仿真實驗平臺

陸玲霞， 萬克廳， 于 淼， 齊冬蓮

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

0 引 言

近年來，隨著環(huán)境污染和能源短缺問題日益嚴(yán)重，加速能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和大力發(fā)展可再生能源已成為各國的共識［1-2］。融合太陽能、氫能、燃料電池等可再生能源的直流微電網(wǎng)技術(shù)已成為我國新能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，其對于國民經(jīng)濟發(fā)展和能源高效利用均具有重要意義［3-4］。

現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)不斷融合發(fā)展的背景下，直流微電網(wǎng)已經(jīng)逐步發(fā)展為信息空間與電力空間深度耦合的信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）［5-7］。直流微電網(wǎng)內(nèi)部接入的分布式新能源、儲能裝置和用電設(shè)備等大量智能電力設(shè)備，在實現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)傳輸、優(yōu)化控制和需求響應(yīng)等功能時會產(chǎn)生頻繁交互的信息流與電力流，其信息感知的深度、廣度及密度均有大幅提升，對仿真技術(shù)與實驗方法提出了新的要求［8-9］。

直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的仿真實驗技術(shù)研究取得了一系列成果［10-11］，但依然存在一些固有的技術(shù)缺陷，主要表現(xiàn)在以下3個方面：首先是借助高性能仿真工具實現(xiàn)直流微電網(wǎng)中電力空間的實時仿真，但忽略了信息空間中通信架構(gòu)與數(shù)據(jù)流量的特性模擬［12-13］，無法研究和分析直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)內(nèi)部的耦合機制與交互特性；其次是在考慮信息空間特性仿真的前提下，采用一定的時間同步機制與仿真協(xié)調(diào)方法，實現(xiàn)信息空間與電力空間的聯(lián)合仿真，但過度簡化了信息物理耦合機制［14-15］或降低了信息空間的模型復(fù)雜度［16-18］，不足以模擬直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)中復(fù)雜的數(shù)據(jù)流量特性；最后是仿真實驗裝置的復(fù)用性與可擴展性較差［19］，限制了后續(xù)實驗的改進空間，不利于仿真技術(shù)與實驗方法的進一步發(fā)展。

為滿足直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的仿真需求，自主設(shè)計并實現(xiàn)了一種直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的實時仿真實驗平臺。平臺以嵌入式控制構(gòu)件為核心，配合RT-LAB、OPNET同時實現(xiàn)電力空間的控制器硬件在環(huán)仿真（hardware-in-the-loop，HIL）與信息空間的系統(tǒng)在環(huán)仿真（system-in-the-loop，SITL），可基本覆蓋直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的各類運行場景，為研究電力運行與信息通信提供高效、可靠的仿真方法與實驗裝置。

1 實驗平臺總體架構(gòu)

實驗平臺包含3個構(gòu)件：以多個DSP控制板和信號調(diào)理電路組成的嵌入式控制構(gòu)件、以RT-LAB軟件、OPAL-RT仿真機組成的電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件和以O(shè)PNET軟件和仿真機組成的通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件。實驗平臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗平臺總體結(jié)構(gòu)

嵌入式控制構(gòu)件通過編程實現(xiàn)量測信號采樣、控制算法執(zhí)行、控制信號輸出、通信數(shù)據(jù)收發(fā)及人機交互等功能，可連接電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件進行控制器硬件在環(huán)仿真，同時可連接OPNET及其他網(wǎng)絡(luò)硬件進行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在環(huán)仿真。

電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件使用RT-LAB軟件編輯和調(diào)試電力系統(tǒng)模型，將其分割、編譯和裝載后由OPALRT仿真機的分布式計算核心進行實時仿真與動態(tài)控制，同時借助其多路信號I/O模塊實現(xiàn)控制器硬件在環(huán)仿真。

通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件使用OPNET軟件在網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點層和進程層界面中編輯通信網(wǎng)絡(luò)模型，將其編譯后按離散事件驅(qū)動的仿真機制進行通信系統(tǒng)實時仿真，同時借助其實時仿真模型庫實現(xiàn)系統(tǒng)在環(huán)仿真。

上述3個平臺構(gòu)件相互獨立、并行運作，其中嵌入式控制構(gòu)件作為平臺的核心構(gòu)件，是信息空間與電力空間之間的耦合接口與數(shù)據(jù)樞紐。平臺設(shè)計的目標(biāo)是為研究直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)的電力能量潮流和網(wǎng)絡(luò)流量特性提供快速精準(zhǔn)的實驗裝置和高效便捷的驗證手段。

2 實驗平臺設(shè)計方案

實驗平臺的設(shè)計內(nèi)容主要包括硬件部分和軟件部分，按實物節(jié)點控制、電力空間仿真和信息空間仿真分別集成為嵌入式控制構(gòu)件、電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件和通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件。

2.1 嵌入式控制構(gòu)件

嵌入式控制構(gòu)件作為實驗平臺的核心構(gòu)件，負責(zé)聯(lián)立其他構(gòu)件以實現(xiàn)直流微電網(wǎng)CPS中的電氣變量控制與通信數(shù)據(jù)收發(fā)，其硬件部分主要包括若干塊獨立的嵌入式控制板和信號調(diào)理板，相應(yīng)的硬件布局方式如圖2所示。

圖2 嵌入式控制構(gòu)件的硬件布局示意

嵌入式控制板的主控芯片選用TMS320F28377D數(shù)字信號處理器，該芯片具備2個32 bit浮點微控制器單元、2個CLA實時控制協(xié)處理器、4個獨立的16 bit A/DC及24路PWM通道，專用于高級閉環(huán)控制應(yīng)用；嵌入式控制板的通信芯片選用W5300網(wǎng)絡(luò)芯片，該芯片具備TCP/IP協(xié)議棧、8個獨立的socket端口、內(nèi)嵌10BaseT/100BaseTX以太網(wǎng)物理層，應(yīng)用于高性能嵌入式領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；信號調(diào)理板的信號驅(qū)動選用74HC244三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖芯片，該芯片具備2個4 bit三態(tài)緩沖器，常用于嵌入式設(shè)備輸出信號的驅(qū)動放大。

嵌入式控制構(gòu)件的軟件部分主要包括采樣信號模數(shù)轉(zhuǎn)換、核心算法實時運算、控制信號驅(qū)動輸出、網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)收發(fā)以及人機交互功能，其相應(yīng)的軟件功能執(zhí)行框圖如圖3所示。

圖3 嵌入式控制構(gòu)件的軟件功能執(zhí)行框圖

信號采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能依靠DSP執(zhí)行相關(guān)驅(qū)動程序，調(diào)用4組雙模式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Conversion，A/DC）將OPAL-RT仿真機輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，實現(xiàn)電力系統(tǒng)運行狀態(tài)采樣信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；核心算法實時運算功能依靠DSP的雙核CPU和CLA，按并行計算的程序架構(gòu)實現(xiàn)外設(shè)控制與實時計算；控制信號驅(qū)動輸出功能依靠DSP配置片上ePWM模塊的運行模式，將實時計算得到的控制信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的脈寬調(diào)整信號輸出至信號調(diào)理板，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換與信號驅(qū)動后返回至OPAL-RT仿真機；網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)收發(fā)功能依靠DSP按預(yù)設(shè)的通信架構(gòu)，配置W5300中本地設(shè)備的IP信息及特定socket的運行模式，以實現(xiàn)本地設(shè)備與其他設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)交互；人機交互功能依靠嵌入式控制板電路主板上的按鍵電路及其電平檢測程序，在實時運行過程檢測外部按鍵輸入以調(diào)整相關(guān)變量與算法。

2.2 電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件

電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件主要基于實時仿真框架軟件包RT-LAB，該軟件專門應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電力電子、電機拖動等系統(tǒng)的實時仿真，可節(jié)約開發(fā)時間、降低設(shè)計成本并增加測試功能，其運行機制框圖如圖4所示。

圖4 電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件的運行機制框圖

電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件的硬件部分包括上位機和下位機：上位機又稱主機（Host PC），運行Windows操作系統(tǒng)并安裝RT-LAB和Matlab/Simulink等軟件，負責(zé)調(diào)試仿真模型、在線調(diào)整參數(shù)及實時數(shù)據(jù)采集等功能；下位機又稱目標(biāo)機（Target PC），運行QNX/Redhat

實時操作系統(tǒng)，作為仿真模型的載體實現(xiàn)分布式實時運算。

電力系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件的軟件部分包括模型設(shè)計與模型分割：模型設(shè)計是指在RT-LAB內(nèi)嵌的Simulink

界面中編輯與調(diào)試直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)模型，并設(shè)計相應(yīng)的信號量測與脈沖采樣模型；模型分割是指按照特定原則將系統(tǒng)模型中不同模塊劃分至不同的子系統(tǒng)，以保證分布式并行仿真的準(zhǔn)確性與速度。

在仿真進程中，上位機中控制臺子系統(tǒng)負責(zé)展示實時運行過程中的人機交互界面，其內(nèi)部涉及直流微電網(wǎng)狀態(tài)信息展示模型與運行工況切換模型；下位機中主級子系統(tǒng)和若干個從級子系統(tǒng)負責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)電氣變量的實時仿真與并行運算，其內(nèi)部涉及直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的一次設(shè)備模型；下位機中特定的從級子系統(tǒng)負責(zé)配合OPAL-RT仿真機的模擬輸出板卡和數(shù)字輸入板卡，實現(xiàn)與外部嵌入式控制構(gòu)件的數(shù)據(jù)交互，其內(nèi)部涉及狀態(tài)信號量測模型和控制信號采樣模型。

2.3 通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件

通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件主要基于網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)軟件包OPNET Modeler，該軟件采用面向?qū)ο蟮慕７椒ê蛨D形化的編輯器，提供全面支持通信系統(tǒng)和分布式的開發(fā)環(huán)境。同時，OPNET支持系統(tǒng)在環(huán)仿真模型庫，可實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)模型與真實硬件設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互和實時仿真，其運行場景示意如圖5所示。

圖5 通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件的運行場景示意

通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件的硬件部分包括高性能仿真機和網(wǎng)卡拓展器：高性能仿真機運行Windows操作系統(tǒng)并安裝OPNET Modeler軟件，負責(zé)調(diào)試仿真模型和實時通信仿真等功能；網(wǎng)卡拓展器由USB3.0分線器和若干個USB網(wǎng)卡轉(zhuǎn)換器組成，負責(zé)完成對應(yīng)SITL

模塊的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實時通信。

通信系統(tǒng)實時仿真構(gòu)件的軟件部分包括模型設(shè)計與工程配置：模型設(shè)計是指在OPNET中進程層、節(jié)點層和網(wǎng)絡(luò)層的編輯界面，逐層建模并按離散事件驅(qū)動的仿真機制進行模型調(diào)試；工程配置是指按OPNET相關(guān)配置要求，調(diào)整工程文件中的仿真選項及參數(shù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)在環(huán)仿真的實時性。

在仿真過程中：高性能仿真機搭建的直流微電網(wǎng)CPS通信網(wǎng)絡(luò)中包含實際節(jié)點和虛擬節(jié)點，其中實際節(jié)點即為嵌入式控制構(gòu)件接入網(wǎng)卡對應(yīng)的SITL模塊，虛擬節(jié)點是用于模擬直流微電網(wǎng)CPS中其他設(shè)備的通信節(jié)點，對應(yīng)于實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的各類通信設(shè)備；嵌入式控制構(gòu)件中的各個嵌入式控制板通過SITL模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)送至仿真網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換和路由轉(zhuǎn)發(fā)后傳輸至目標(biāo)地址，完成TCP數(shù)據(jù)包的通信流程；同時，OPNET仿真中可修改節(jié)點參數(shù)或配置故障模塊，以考察不同的通信架構(gòu)、路由協(xié)議和設(shè)備類型對通信性能的作用，并模擬延時、丟包和故障等工況對直流微電網(wǎng)CPS運行特性的影響。

3 實驗平臺測試算例

直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)實時仿真實驗平臺，包含多種運行場景的直流微電網(wǎng)分布式協(xié)同控制測試算例。

3.1 測試算例基本概況

電力系統(tǒng)架構(gòu)及通信架構(gòu)如圖6所示：各個直流節(jié)點分別由分布式電源、DC/DC變換器和本地負載組成，4個直流節(jié)點接入直流母線組成直流微電網(wǎng)；同時按照圖中的通信架構(gòu)，采取分布式協(xié)同控制策略［20］以實現(xiàn)各個節(jié)點的等電壓等負載率控制目標(biāo)。

圖6 測試算例電力系統(tǒng)架構(gòu)及通信架構(gòu)示意

通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7所示：各直流節(jié)點對應(yīng)的SITL模塊分別接入不同子網(wǎng)中的交換機，經(jīng)過路由網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信；通信網(wǎng)絡(luò)中包含各類虛擬節(jié)點和預(yù)設(shè)業(yè)務(wù)模型，用于模擬真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的流量特性與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

圖7 測試算例通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

3.2 正常運行場景仿真

直流微電網(wǎng)CPS正常運行仿真場景：物理側(cè)各直流節(jié)點執(zhí)行分布式協(xié)同控制策略以實現(xiàn)輸出電流標(biāo)幺值的一致性，信息側(cè)各節(jié)點間經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)模型進行數(shù)據(jù)交互。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 正常運行場景下算例仿真結(jié)果

圖8（a）為各節(jié)點輸出電流波形：仿真開始后經(jīng)過約15 s，各直流節(jié)點輸出電流的標(biāo)幺值在經(jīng)歷暫態(tài)過程后很快收斂至穩(wěn)態(tài)值。圖8（b）為OPNET中統(tǒng)計的各節(jié)點通信速率波形：各直流節(jié)點對應(yīng)的SITL模塊與外部網(wǎng)絡(luò)（即嵌入式控制構(gòu)件的對應(yīng)DSP電路板）之間的收發(fā)速率基本保持不變；節(jié)點N2、N3由于同時和兩個鄰近節(jié)點交互數(shù)據(jù)，其收發(fā)速率約為N1、N4的2倍。

3.3 物理側(cè)故障場景仿真

直流微電網(wǎng)CPS中物理側(cè)發(fā)生故障的仿真場景：物理側(cè)在系統(tǒng)收斂至穩(wěn)態(tài)一段時間后，N2的電流采樣模塊發(fā)生故障，其采樣結(jié)果中增加了一個正弦分量，信息側(cè)的通信網(wǎng)絡(luò)模型保持正常運行狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)故障場景下算例仿真結(jié)果

圖9（a）為各節(jié)點輸出電流波形：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點下運行約25 s，N2的電流采樣結(jié)果中增加了正弦分量，該故障引起的控制失穩(wěn)隨即傳播至其他節(jié)點，導(dǎo)致直流微電網(wǎng)中所有節(jié)點的輸出電流標(biāo)幺值都出現(xiàn)了正弦波動。圖9（b）為OPNET中統(tǒng)計的各節(jié)點通信速率波形：由于物理側(cè)的采樣模塊故障不會影響到信息側(cè)的仿真進程與數(shù)據(jù)收發(fā)，故各個直流節(jié)點對應(yīng)的SITL模塊與外部網(wǎng)絡(luò)之間的收發(fā)速率波形與正常工況下無明顯差異。

3.4 信息側(cè)故障場景仿真

直流微電網(wǎng)CPS中信息側(cè)發(fā)生故障的仿真場景：信息側(cè)在系統(tǒng)收斂至穩(wěn)態(tài)一段時間后，N4對應(yīng)的SITL模塊發(fā)生故障，其格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)等功能全部失效，物理側(cè)的電力系統(tǒng)模型保持正常運行狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)故障場景下算例仿真結(jié)果

圖10（a）為各節(jié)點輸出電流波形：系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作點下運行約25 s，N4對應(yīng)的SITL模塊進入故障停擺狀態(tài)，導(dǎo)致N4與其他節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信中斷；嵌入式控制構(gòu)件在檢測到通信中斷后將N4的控制策略調(diào)整為下垂控制，并刪除其采樣數(shù)據(jù)在其他節(jié)點中的對應(yīng)耦合項；控制策略調(diào)整后，N4運行于預(yù)設(shè)的穩(wěn)態(tài)工作點，其他節(jié)點收斂至新的穩(wěn)態(tài)工作點并再次實現(xiàn)電流一致性。圖10（b）為OPNET中統(tǒng)計的各節(jié)點通信速率波形：隨著約25 s時N4對應(yīng)的SITL模塊發(fā)生故障，其收發(fā)速率全部驟降為0；同時N3由于與N4斷連，其收發(fā)速率減半；其余節(jié)點的收發(fā)速率基本保持不變。

4 實驗平臺應(yīng)用場景

構(gòu)建直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)實時仿真實驗平臺，不僅可以為電力信息物理系統(tǒng)、連鎖故障傳播等教學(xué)案例提供實驗裝置，而且能夠為直流微電網(wǎng)領(lǐng)域的科學(xué)研究積累實操經(jīng)驗和調(diào)試數(shù)據(jù)。

4.1 實驗教學(xué)指導(dǎo)

本平臺的基礎(chǔ)知識涉及電力電子技術(shù)、自動控制原理、通信原理和嵌入式編程等多門學(xué)科，在實驗教學(xué)過程中可促進學(xué)生將理論知識與實踐操作相結(jié)合，通過半實物調(diào)試過程鍛煉學(xué)生的動手能力與科研思維。

4.2 科學(xué)研究支撐

本平臺可提供電力空間與信息空間的聯(lián)合實時仿真，具備較強的仿真性能和充足的擴展接口，便于開展相關(guān)建模研究與理論驗證，為直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)領(lǐng)域的科學(xué)研究提供了良好的設(shè)備支撐和驗證平臺。

5 結(jié) 語

本文基于RT-LAB、OPNET與嵌入式控制板，搭建了一種直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)實時仿真實驗平臺，設(shè)計并驗證了包含多種仿真場景的測試算例，相關(guān)實驗結(jié)果證明了平臺各項功能的有效性與準(zhǔn)確性。本平臺相較于其他同類方案具有更高的仿真性能和更多的硬件接口，且具備較好的可擴展性，為研究直流微電網(wǎng)信息物理系統(tǒng)提供了精準(zhǔn)、高效的仿真手段和便捷易用的實驗裝置，對該領(lǐng)域的實驗教學(xué)和科學(xué)研究具有重要意義。