直流微電網信息物理系統實時仿真實驗平臺

陸玲霞， 萬克廳， 于 淼， 齊冬蓮

（浙江大學電氣工程學院，杭州310027）

0 引 言

近年來，隨著環境污染和能源短缺問題日益嚴重，加速能源結構轉型和大力發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技術已成為我國新能源發展戰略的重要組成部分，其對于國民經濟發展和能源高效利用均具有重要意義［3-4］。

現代信息技術與傳統電力系統不斷融合發展的背景下，直流微電網已經逐步發展為信息空間與電力空間深度耦合的信息物理系統（Cyber Physical System，CPS）［5-7］。直流微電網內部接入的分布式新能源、儲能裝置和用電設備等大量智能電力設備，在實現信息采集、數據傳輸、優化控制和需求響應等功能時會產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，對仿真技術與實驗方法提出了新的要求［8-9］。

直流微電網信息物理系統的仿真實驗技術研究取得了一系列成果［10-11］，但依然存在一些固有的技術缺陷，主要表現在以下3個方面：首先是借助高性能仿真工具實現直流微電網中電力空間的實時仿真，但忽略了信息空間中通信架構與數據流量的特性模擬［12-13］，無法研究和分析直流微電網信息物理系統內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調方法，實現信息空間與電力空間的聯合仿真，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雜度［16-18］，不足以模擬直流微電網信息物理系統中復雜的數據流量特性；最后是仿真實驗裝置的復用性與可擴展性較差［19］，限制了后續實驗的改進空間，不利于仿真技術與實驗方法的進一步發展。

為滿足直流微電網信息物理系統的仿真需求，自主設計并實現了一種直流微電網信息物理系統的實時仿真實驗平臺。平臺以嵌入式控制構件為核心，配合RT-LAB、OPNET同時實現電力空間的控制器硬件在環仿真（hardware-in-the-loop，HIL）與信息空間的系統在環仿真（system-in-the-loop，SITL），可基本覆蓋直流微電網信息物理系統的各類運行場景，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

實驗平臺包含3個構件：以多個DSP控制板和信號調理電路組成的嵌入式控制構件、以RT-LAB軟件、OPAL-RT仿真機組成的電力系統實時仿真構件和以OPNET軟件和仿真機組成的通信系統實時仿真構件。實驗平臺總體結構如圖1所示。

圖1 實驗平臺總體結構

嵌入式控制構件通過編程實現量測信號采樣、控制算法執行、控制信號輸出、通信數據收發及人機交互等功能，可連接電力系統實時仿真構件進行控制器硬件在環仿真，同時可連接OPNET及其他網絡硬件進行網絡系統在環仿真。

電力系統實時仿真構件使用RT-LAB軟件編輯和調試電力系統模型，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控制，同時借助其多路信號I/O模塊實現控制器硬件在環仿真。

通信系統實時仿真構件使用OPNET軟件在網絡層、節點層和進程層界面中編輯通信網絡模型，將其編譯后按離散事件驅動的仿真機制進行通信系統實時仿真，同時借助其實時仿真模型庫實現系統在環仿真。

上述3個平臺構件相互獨立、并行運作，其中嵌入式控制構件作為平臺的核心構件，是信息空間與電力空間之間的耦合接口與數據樞紐。平臺設計的目標是為研究直流微電網信息物理系統的電力能量潮流和網絡流量特性提供快速精準的實驗裝置和高效便捷的驗證手段。

2 實驗平臺設計方案

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

2.1 嵌入式控制構件

嵌入式控制構件作為實驗平臺的核心構件，負責聯立其他構件以實現直流微電網CPS中的電氣變量控制與通信數據收發，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理板，相應的硬件布局方式如圖2所示。

圖2 嵌入式控制構件的硬件布局示意

嵌入式控制板的主控芯片選用TMS320F28377D數字信號處理器，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，專用于高級閉環控制應用；嵌入式控制板的通信芯片選用W5300網絡芯片，該芯片具備TCP/IP協議棧、8個獨立的socket端口、內嵌10BaseT/100BaseTX以太網物理層，應用于高性能嵌入式領域的網絡數據傳輸；信號調理板的信號驅動選用74HC244三態數據緩沖芯片，該芯片具備2個4 bit三態緩沖器，常用于嵌入式設備輸出信號的驅動放大。

嵌入式控制構件的軟件部分主要包括采樣信號模數轉換、核心算法實時運算、控制信號驅動輸出、網絡通信數據收發以及人機交互功能，其相應的軟件功能執行框圖如圖3所示。

圖3 嵌入式控制構件的軟件功能執行框圖

信號采樣、模數轉換功能依靠DSP執行相關驅動程序，調用4組雙模式模數轉換器（Analog-to-Digital Conversion，A/DC）將OPAL-RT仿真機輸出的模擬信號轉換為數字信號，實現電力系統運行狀態采樣信號的模數轉換；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實現外設控制與實時計算；控制信號驅動輸出功能依靠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換為對應的脈寬調整信號輸出至信號調理板，經過電平轉換與信號驅動后返回至OPAL-RT仿真機；網絡通信數據收發功能依靠DSP按預設的通信架構，配置W5300中本地設備的IP信息及特定socket的運行模式，以實現本地設備與其他設備之間的網絡通信和數據交互；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整相關變量與算法。

2.2 電力系統實時仿真構件

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

圖4 電力系統實時仿真構件的運行機制框圖

電力系統實時仿真構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操作系統并安裝RT-LAB和Matlab/Simulink等軟件，負責調試仿真模型、在線調整參數及實時數據采集等功能；下位機又稱目標機（Target PC），運行QNX/Redhat

實時操作系統，作為仿真模型的載體實現分布式實時運算。

電力系統實時仿真構件的軟件部分包括模型設計與模型分割：模型設計是指在RT-LAB內嵌的Simulink

界面中編輯與調試直流微電網的系統模型，并設計相應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模型中不同模塊劃分至不同的子系統，以保證分布式并行仿真的準確性與速度。

在仿真進程中，上位機中控制臺子系統負責展示實時運行過程中的人機交互界面，其內部涉及直流微電網狀態信息展示模型與運行工況切換模型；下位機中主級子系統和若干個從級子系統負責實現系統電氣變量的實時仿真與并行運算，其內部涉及直流微電網系統的一次設備模型；下位機中特定的從級子系統負責配合OPAL-RT仿真機的模擬輸出板卡和數字輸入板卡，實現與外部嵌入式控制構件的數據交互，其內部涉及狀態信號量測模型和控制信號采樣模型。

2.3 通信系統實時仿真構件

通信系統實時仿真構件主要基于網絡仿真技術軟件包OPNET Modeler，該軟件采用面向對象的建模方法和圖形化的編輯器，提供全面支持通信系統和分布式的開發環境。同時，OPNET支持系統在環仿真模型庫，可實現虛擬網絡模型與真實硬件設備之間的數據交互和實時仿真，其運行場景示意如圖5所示。

圖5 通信系統實時仿真構件的運行場景示意

通信系統實時仿真構件的硬件部分包括高性能仿真機和網卡拓展器：高性能仿真機運行Windows操作系統并安裝OPNET Modeler軟件，負責調試仿真模型和實時通信仿真等功能；網卡拓展器由USB3.0分線器和若干個USB網卡轉換器組成，負責完成對應SITL

模塊的網絡數據實時通信。

通信系統實時仿真構件的軟件部分包括模型設計與工程配置：模型設計是指在OPNET中進程層、節點層和網絡層的編輯界面，逐層建模并按離散事件驅動的仿真機制進行模型調試；工程配置是指按OPNET相關配置要求，調整工程文件中的仿真選項及參數，以實現系統在環仿真的實時性。

在仿真過程中：高性能仿真機搭建的直流微電網CPS通信網絡中包含實際節點和虛擬節點，其中實際節點即為嵌入式控制構件接入網卡對應的SITL模塊，虛擬節點是用于模擬直流微電網CPS中其他設備的通信節點，對應于實際網絡環境中的各類通信設備；嵌入式控制構件中的各個嵌入式控制板通過SITL模塊將數據包發送至仿真網絡，經過格式轉換和路由轉發后傳輸至目標地址，完成TCP數據包的通信流程；同時，OPNET仿真中可修改節點參數或配置故障模塊，以考察不同的通信架構、路由協議和設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CPS運行特性的影響。

3 實驗平臺測試算例

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

3.1 測試算例基本概況

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

圖6 測試算例電力系統架構及通信架構示意

通信網絡架構如圖7所示：各直流節點對應的SITL模塊分別接入不同子網中的交換機，經過路由網絡實現與其他子網內節點之間的數據通信；通信網絡中包含各類虛擬節點和預設業務模型，用于模擬真實網絡環境中的流量特性與數據業務。

圖7 測試算例通信網絡架構示意

3.2 正常運行場景仿真

直流微電網CPS正常運行仿真場景：物理側各直流節點執行分布式協同控制策略以實現輸出電流標幺值的一致性，信息側各節點間經由通信網絡模型進行數據交互。仿真結果如圖8所示。

圖8 正常運行場景下算例仿真結果

圖8（a）為各節點輸出電流波形：仿真開始后經過約15 s，各直流節點輸出電流的標幺值在經歷暫態過程后很快收斂至穩態值。圖8（b）為OPNET中統計的各節點通信速率波形：各直流節點對應的SITL模塊與外部網絡（即嵌入式控制構件的對應DSP電路板）之間的收發速率基本保持不變；節點N2、N3由于同時和兩個鄰近節點交互數據，其收發速率約為N1、N4的2倍。

3.3 物理側故障場景仿真

直流微電網CPS中物理側發生故障的仿真場景：物理側在系統收斂至穩態一段時間后，N2的電流采樣模塊發生故障，其采樣結果中增加了一個正弦分量，信息側的通信網絡模型保持正常運行狀態。仿真結果如圖9所示。

圖9 系統故障場景下算例仿真結果

圖9（a）為各節點輸出電流波形：系統在穩態工作點下運行約25 s，N2的電流采樣結果中增加了正弦分量，該故障引起的控制失穩隨即傳播至其他節點，導致直流微電網中所有節點的輸出電流標幺值都出現了正弦波動。圖9（b）為OPNET中統計的各節點通信速率波形：由于物理側的采樣模塊故障不會影響到信息側的仿真進程與數據收發，故各個直流節點對應的SITL模塊與外部網絡之間的收發速率波形與正常工況下無明顯差異。

3.4 信息側故障場景仿真

直流微電網CPS中信息側發生故障的仿真場景：信息側在系統收斂至穩態一段時間后，N4對應的SITL模塊發生故障，其格式轉換和數據收發等功能全部失效，物理側的電力系統模型保持正常運行狀態。仿真結果如圖10所示。

圖10 系統故障場景下算例仿真結果

圖10（a）為各節點輸出電流波形：系統在穩態工作點下運行約25 s，N4對應的SITL模塊進入故障停擺狀態，導致N4與其他節點間的數據通信中斷；嵌入式控制構件在檢測到通信中斷后將N4的控制策略調整為下垂控制，并刪除其采樣數據在其他節點中的對應耦合項；控制策略調整后，N4運行于預設的穩態工作點，其他節點收斂至新的穩態工作點并再次實現電流一致性。圖10（b）為OPNET中統計的各節點通信速率波形：隨著約25 s時N4對應的SITL模塊發生故障，其收發速率全部驟降為0；同時N3由于與N4斷連，其收發速率減半；其余節點的收發速率基本保持不變。

4 實驗平臺應用場景

構建直流微電網信息物理系統實時仿真實驗平臺，不僅可以為電力信息物理系統、連鎖故障傳播等教學案例提供實驗裝置，而且能夠為直流微電網領域的科學研究積累實操經驗和調試數據。

4.1 實驗教學指導

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

4.2 科學研究支撐

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

5 結 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信息物理系統實時仿真實驗平臺，設計并驗證了包含多種仿真場景的測試算例，相關實驗結果證明了平臺各項功能的有效性與準確性。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，為研究直流微電網信息物理系統提供了精準、高效的仿真手段和便捷易用的實驗裝置，對該領域的實驗教學和科學研究具有重要意義。