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eMEGAsim 全数字电力电子实时虚拟仿真系统
售价:    (Tel:010-58732755)
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简介:eMEGAsim是一种基于并行计算技术、采用模块化设计的全数字实时仿真软件既可以对电力系统机电和电磁暂态分别进行实时仿真,同时也可以对机电和电磁暂态混合系统进行实时仿真eMEGAsim实时仿真结果与公认的离线分析软件EMTP-RV的仿真结果吻合
公司:北京神州普惠科技有限公司
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    实时仿真是研究电力系统电磁和机电暂态过程、优化系统规划与运行的重要手段。电力系统实时仿真经历了三个发展过程:第一代模拟分析系统;第二代模拟/数字混合仿真系统;第三代全数字实时仿真系统。 

eMEGAsim 全数字电力电子实时虚拟仿真系统

    eMEGAsim是一种基于并行计算技术、采用模块化设计的全数字实时仿真软件。与前两代仿真系统相比eMEGAsim具有以下优势:
 
    1)既可以对电力系统机电和电磁暂态分别进行实时仿真,同时也可以对机电和电磁暂态混合系统进行实时仿真。

    2)仿真精度高;eMEGAsim实时仿真结果与公认的离线分析软件EMTP-RV的仿真结果吻合。

    3)良好的升级和扩充性;eMEGAsim硬件采用基于PC Cluster的计算机集群,当仿真的系统规模增大时,只需增加CPU数目和增大内存容量即可。
 
    系统组成
 
    eMEGAsim实时仿真系统包括两部分:主机和目标机。

    主机为运行Windows操作系统的普通PC机,其主要功能如下: 

    ·模型开发

    ·离线仿真

    ·模型分隔和代码的自动生成
 
   ·仿真过程的控制

   ·人机交互

    目标机是模型实时运行的平台。主机上开发好的电力系统模型通过以太网下载到目标机上,目标机包括各种IO板卡,通过IO板卡和功放设备与实际的电力设备进行数据交换。

    目标机的特点如下:

    ·采用多CPU以及多core技术的高性能硬件平台

    ·QNX实时操作系统

    ·仿真模型在多个CPU(或多个core)上并行执行

    ·基于FPGA的高精度IO模块,FPGA的工作频率100MHz

    ·所有IO板卡均带有信号调理模块

    ·实时与超时仿真模式

eMEGAsim 全数字电力电子实时虚拟仿真系统
基于PMSM永磁电机有限元模型的实时仿真

    电力系统实时仿真存在的问题:

    ·建模的问题

    ·仿真的实时性问题

    ·开关器件的实时仿真问题

    ·仿真精度和数值稳定性的问题
 
    解决方法:
 
    建模的问题:

 
    模型开发工具采用MATLAB/Simulink和SimPowerSystem软件包。此外,eMEGAsim还提供了改进的专门针对实时仿真的电力元件模型库,以此做为对SimPowerSystem元件库的补充。
 
    eMEGAsim提供的模型库包括:

    1、带时间戳的整流电路模型库(包括半桥、全桥、多电平桥等);
 
    2、带时间戳的逆变器模块库(包括半桥、全桥、多电平桥等);
 
    3、改进的电力电子元器件库,包含了常用的电力电子设备元件,如:IGBT、GTO等;
 
    4、实时逻辑处理模块库;
 
    5、事件信号产生模块库等。
 
    仿真的实时性问题:

     1. 并行算法
 
    输电线路互联的电站组成电力系统网络,各电站信号以光速在输电线路中传播。然而信号具有传输延迟,并且这种延迟随线路长度而变化。因此当仿真步长小于传输延迟时,对电站和线路并行仿真是可行的。电站包括无源器件、发电机、电动机、控制系统等。大多数控制系统的时间常数远大于仿真步长,因此这些控制系统可独立仿真,与电站节点方程并行处理,整体准确性不受影响。eMEGAsim将传输线路、电站、控制系统分解为并行子任务,这些子任务分配到不同的CPU上计算。每一仿真时步开始,分别计算每一子任务;仿真时步结束,各子任务相互交换信息。
 
    2.  解耦元件
 
    多节点、密集结构的电力系统往往具有以下特点:
 
    1) 近距离:不像陆地电力系统,不同的电站或设备之间动辄几十、几百、甚至上千公里;密集结构的电力系统的电站与设备之间的距离最多一百多米;
 
    2) 节点数密集;与近距离相适应,密集结构的电力系统的节点全集中在一起,一个区域通常大约有几十个电力器件。
 
    对于此类多节点、密集结构的电力系统,现有的所有仿真软件均无法解决实时仿真问题。
 
    eMEGAsim的处理方法,是在系统中加入专门开发的解耦元件。通过解耦元件可以将一个大的电力系统模型分解成几个独立的子系统,通过将不同的子系统分别放在多个CPU上运算,达到降低每个CPU的计算量,实现整个系统实时仿真的目的。
 
    开关器件的实时仿真问题:
 
    随着高频电力开关器件越来越多的应用到电力系统中,如何在实时仿真的过程中准确的模拟高频开关设备的工作情况,是电力系统实时仿真必须解决的问题。为此,eMEGAsim软件提供了两个软件包ARTEMIS和RT-Events来解决这些问题。
 
    ARTEMIS是一个专门的算法求解器。该求解器专门用于对电力系统中的高频开关元件进行实时仿真。此外,ARTEMIS求解器还具有开关状态预计算功能,通过在实时仿真前,预先计算出系统中不同电力器件开关状态对应的矩阵,并将矩阵的计算结果存储在计算机的内存中。仿真时,当电力电子器件的开关状态变化时,CPU直接调用计算结果,从而节省了运算时间,使模型能够用于实时仿真。
 
    随着高频电力开关器件越来越多的应用到电力系统中,如何在实时仿真的过程中准确的模拟高频开关设备的工作情况,是电力系统实时仿真必须解决的问题。为此,eMEGAsim软件提供了两个软件包ARTEMIS和RT-Events来解决这些问题。
 
    ARTEMIS是一个专门的算法求解器。该求解器专门用于对电力系统中的高频开关元件进行实时仿真。此外,ARTEMIS求解器还具有开关状态预计算功能,通过在实时仿真前,预先计算出系统中不同电力器件开关状态对应的矩阵,并将矩阵的计算结果存储在计算机的内存中。仿真时,当电力电子器件的开关状态变化时,CPU直接调用计算结果,从而节省了运算时间,使模型能够用于实时仿真。

eMEGAsim 全数字电力电子实时虚拟仿真系统
使用ARTEMIS预计算电力开关器件在不同开关状态下对应的拓扑结构实现缩短计算时间的目的

eMEGAsim 全数字电力电子实时虚拟仿真系统
    RT-Events实时产生开关事件信号

eMEGAsim 全数字电力电子实时虚拟仿真系统
RT-Events实时捕获外部的开关事件信号

    仿真精度和数值稳定性的问题

    传统上,电力系统的仿真通常采用梯形积分法,针对梯形积分法的缺点,eMEGAsim提供了三种改进的求解算法:art5、art3、art3hd,专门用于对包含开关元件的电力系统进行仿真。

eMEGAsim 全数字电力电子实时虚拟仿真系统

    基于FPGA的实时仿真

    对于那些需要更短仿真步长(纳秒级)的用户,利用eMEGAsim XSG软件包可以将电力系统模型编译成能够在FPGA卡上运行的实时代码,利用FPGA的高速并行处理能力实现系统的实时仿真。

    此外,eMEGAsim还提供了针对FPGA卡的电力器件库,用户可以直接利用模型库中的元件搭建自己的仿真系统。

    仿真系统的升级和扩展问题

    eMEGAsim的硬件平台采用基于PC Cluster的计算机集群,当被仿真的电网规模增大时,只需增加CPU数目和增大内存容量即可。另外,eMEGAsim软件制造商加拿大OPAL-RT科技公司一直从事电力电子、电力系统的仿真研究,有丰富的实时仿真经验,能够为客户提供强有力的技术支持。
 
    硬件平台介绍

    整个实时仿真系统采用基于PC Cluster的计算机集群,不同计算机之间通过实时网络通讯,从而保证系统实时仿真的步长最小可以达到us级。

    IO 模块的配置如下:

    1、AD, 16ch, 16-bits, 1us, +-1V to +-100V;

    2、DA, 16ch, 16-bits, 2us, +-1V to +-16V;

    3、Static DI, 16ch, 100-nanos Opto coupler, 5 to 30V, 2 mA;

    4、Static DO, 16ch, 100-nanos Opto coupler, 5 to 30V, 100mA;

    5、带时间戳TSDI, 16ch, 10-nanos-timer,  Opto coupler, 5 - 30V;

    6、带时间戳TSDO, 16ch, 10-nanos-timer, Opto coupler, 5 - 30V;

    7、带时间戳的DIO主要用于PWM信号/事件信号/编码信号的产生和捕获功能。

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