一种风电场高精度实时仿真平台及方法

1.本发明属于风电场仿真技术领域，具体涉及一种风电场高精度实时仿真平台及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在以新能源为主体的新型电力系统发展大背景下，风电并网规模持续增加。同时，目前风电向着场站规模化、机组大型化的方向发展。传统的以等值为核心的风电场动态仿真已无法满足学术界研究和工业界分析需求，亟需构建以高精度模型为基础的风电场高精度仿真平台。
4.风电场高精度模型涉及场内流体动态、尾流动态、气动动态、机械动态和电磁暂态等多时间尺度动态特性及其耦合。现有常用的实时仿真平台如rt-lab、rtds仅支持直接建立电磁暂态模型，而无法直接建立流体、尾流、气动、机械等动态模型，导致使用流程繁琐。同时，现有这种实时仿真平台算力无法完全满足要求，用户需购置多台硬件，才能够实现大规模风电场高精度实时仿真，导致使用成本非常高，而且现有的基于cpu-fpga的方案其缺乏针对风场流体模型建模和仿真能力，同时还采用了分立式的cpu和fpga的计算芯片，具有交互速度慢且交互数据吞吐量小的问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种风电场高精度实时仿真平台及方法，本发明该硬件平台在硬件上由多块cpu、gpu、zynq芯片构成。采用该平台，用户仅需设置风电场模型参数，而无需额外编写程序，即可实现风电场高精度实时仿真。同时，该发明所提出的硬件方案采用不同类型的硬件实现不同时间尺度动态模型的实时仿真。通过提高硬件适配读，极大降低硬件成本。
6.根据一些实施例，本发明的第一方案提供了一种风电场高精度实时仿真平台，采用如下技术方案：
7.一种风电场高精度实时仿真平台，包括：
8.流体动态模块，用于计算风电场内风速计算；
9.混合动态模块，包括尾流动态模型、气动动态模型、机械动态模型以及电磁暂态模型，用于负责风电机组下游尾流特征叶片气动特性、风电机组机械元件的结构受力特性以及风电机组电气系统的暂态过程计算；
10.集电暂态模块，用于计算风电场中集电系统的电磁暂态；
11.平台控制模块，用于控制流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块的启停，模型数据下发以及仿真数据回收；
12.通讯模块，用于负责平台控制模块与流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态
模块之间的网络通信转发。
13.进一步地，所述流体动态模块包括中央处理器和图像处理器，所述图像处理器对风电场流体动态中整场风速的遍历计算；所述中央处理器负责算法的逻辑控制。
14.进一步地，所述混合动态模块采用全可编程片上系统，包括arm处理器以及现场可编程的门阵列；
15.所述arm处理器用于计算毫秒级的风电场尾流动态、气动动态和机械动态；所述现场可编程的门阵列用于计算微秒级的电磁暂态。
16.进一步地，所述集电暂态模块采用现场可编程的门阵列，用于计算微秒级的风电场中集电系统的电磁暂态。
17.进一步地，仿真平台通过增删混合动态模块的数量适用不同规模风电场的实时仿真。
18.进一步地，所述流体动态模块和混合动态模块通过通讯模块进行数据交互。
19.进一步地，多个所述混合动态模块同时与集电暂态模块进行数据交互。
20.根据一些实施例，本发明的第二方案提供了一种风电场高精度实时仿真方法，采用如下技术方案：
21.基于第一方案所述的一种风电场高精度实时仿真平台的仿真方法，包括：
22.平台控制模块通过通讯模块向流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块发送启停指令、模型数据下发指令以及仿真数据回收指令；
23.流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块根据平台控制模块下发的相应指令执行相应的动作，并反馈给平台控制模块。
24.进一步地，所述模型数据下发指令是平台控制模块将用户建立的风电场高精度模型相应的文本类型数据发送给流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块；
25.所述仿真数据回收指令是平台控制模块接收流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块的仿真结果数据。
26.进一步地，所述流体动态模块和多个混合动态模块之间交互风速数据和尾流动态参数；
27.多个所述混合动态模块与集电动态模块之间交互三相电压和电流瞬间值数据。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
29.本发明解决了现有实时仿真器硬件无法方便地进行风电场高精度模型实时仿真的问题。同时，附带解决了现有实时仿真器硬件成本较高的问题；该硬件平台在硬件上由多块cpu、gpu、zynq芯片构成。采用该平台，用户仅需设置风电场模型参数，而无需额外编写程序，即可实现风电场高精度实时仿真。同时，该发明所提出的硬件方案采用不同类型的硬件实现不同时间尺度动态模型的实时仿真。通过提高硬件适配读，极大降低硬件成本。
30.本发明显著降低硬件成本，不同类型的硬件用于不同计算模块，能够充分发挥硬件算力和经济优势；显著增强平台仿真能力，该方案具备较强的扩展能力，能够面向不同规模的风电场采用不同数量的单机仿真硬件，而整体硬件成本不会增加太多。
31.本发明所提出的风电场高精度实时仿真平台能够实现覆盖流体动态、尾流动态、气动动态、机械动态、电磁暂态在内的风电场高精度模型的实时仿真，能够捕获整个风电场的整体动态特性。
附图说明
32.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
33.图1是本发明实施例中所述的一种风电场高精度实时仿真平台的硬件架构图。
具体实施方式
34.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
35.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
36.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
37.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.实施例一
39.如图1所示，本实施例提供了一种风电场高精度实时仿真平台，包括：
40.流体动态模块，用于计算风电场内风速计算；
41.混合动态模块，包括尾流动态模型、气动动态模型、机械动态模型以及电磁暂态模型，用于负责风电机组下游尾流特征叶片气动特性、风电机组机械元件的结构受力特性以及风电机组电气系统的暂态过程计算；
42.集电暂态模块，用于计算风电场中集电系统的电磁暂态；
43.平台控制模块，用于控制流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块的启停，模型数据下发以及仿真数据回收；
44.通讯模块，用于负责平台控制模块与流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块之间的网络通信转发。
45.所述流体动态模块包括中央处理器和图像处理器，所述图像处理器对风电场流体动态中整场风速的遍历计算；所述中央处理器负责算法的逻辑控制。
46.所述混合动态模块采用全可编程片上系统，包括arm处理器以及现场可编程的门阵列；
47.所述arm处理器用于计算毫秒级的风电场尾流动态、气动动态和机械动态；所述现场可编程的门阵列用于计算微秒级的电磁暂态。
48.所述集电暂态模块采用现场可编程的门阵列，用于计算微秒级的风电场中集电系统的电磁暂态。
49.仿真平台通过增删混合动态模块的数量适用不同规模风电场的实时仿真。
50.所述流体动态模块和混合动态模块通过通讯模块进行数据交互。
51.多个所述混合动态模块同时与集电暂态模块进行数据交互。
52.为了方便理解硬件设计方案，首先总体叙述风电场高精度模型的构成。风电场高精度模型由流体动态、尾流动态、气动动态、机械动态和电磁暂态等不同时间尺度的模型构
成。其中，流体动态为秒级动态，主要负责场内风速的计算；尾流动态、气动动态和机械动态为毫秒级动态，主要负责风电机组下游尾流特性、叶片气动特性和风电机组机械元件的结构受力特性；电磁暂态为微秒级动态，主要负责风电机组电气系统的暂态过程计算。
53.所述风电场高精度实时仿真平台在硬件上由cpu、gpu、fpga、zynq构成，总体硬件架构如图1所示。
54.流体动态模块，也就是
①
号硬件由cpu和gpu芯片组成，负责流体动态计算。其中，gpu负责风电场流体动态中整场风速的遍历计算；cpu负责算法的逻辑控制。
①
号硬件搭载了由开源软件xenomai扩展的实时操作系统，保证运算的实时性。
55.混合动态模块，也就是
②
号硬件采用zynq芯片，负责尾流动态、气动动态、机械动态和电磁暂态模型计算。其中，arm部分负责尾流动态、气动动态、机械动态的计算，这部分动态时间尺度为10毫秒级；fpga部分负责电磁暂态计算，时间尺度为10微秒级。需要注意的是，整个硬件平台包括多块
②
号硬件。每个
②
号硬件能够实现5台风电机组的尾流动态、气动动态、机械动态和电磁暂态的计算。通过增减
②
号硬件的数量，可满足不同规模风电场的实时仿真。例如，包含100台风电机组的风电场，需要20块
②
号硬件。
56.集电暂态模块，也就是
③
号硬件由fpga芯片组成，负责风电场中集电系统的电磁暂态计算，时间尺度为10微秒。
57.通讯模块，也就是
④
号硬件为以太网交换机，负责整个平台中不同硬件间的网络通信转发。该硬件采用市场现有硬件。
58.平台控制模块，也就是
⑤
号硬件由cpu芯片构成，负责作为整个平台的控制单元，其功能包括控制平台内
①②③
号硬件的启动、停机、模型数据下发、仿真数据回收。对于启动和停机功能，
⑤
号硬件通过以太网通信协议udp，向
①②③
号硬件发送相应控制指令。
①②③
号硬件收到相应指令后，做出启动或停机的相应动作。模型数据下发功能是将用户建立的风电场高精度模型相应文本类型数据，分别发送至不同的硬件单元。仿真数据回收功能是接收不同硬件单元的仿真结果数据。对于模型数据下发功能，
⑤
号硬件通过以太网tcp协议，向
①②③
号硬件传输相应模型文件。对于仿真数据回收功能，
⑤
号硬件通过以太网udp协议，接收
①②③
号硬件回传的仿真数据。
59.①
号硬件与多台
②
号硬件之间交互风速数据和尾流动态参数。
①
号硬件计算场内风速，并将风电机组周围风速数据发送至
②
号硬件。
②
号硬件以风速数据为输入，将计算所得尾流动态参数发送至
①
号硬件。二者之间的数据传输周期为2秒，周期较长。因此可采用以太网tcp协议实现数据的及时传输。
①
号硬件和多台
②
号硬件之间通过以太网交换机连接，实现数据传输。
60.多台
②
号硬件和
③
号硬件之间交互三相电压和电流瞬时值数据。
②
号硬件将并网点三相电流传输至
③
号硬件。
③
号硬件将并网点三相电压传输至
②
号硬件。二者之间的数据交互周期为10微秒，周期较短。该发明采用光口连接两类硬件，并基于aurora协议进行数据交互。
61.此外，
③
号硬件附带网络接口，用于连接至以太网交换机，将仿真结果数据回传至
⑤
号硬件。
62.可以理解的是，本实施例所述的风电场高精度实时仿真平台的整体架构是本发明所要保护的重点，而采用同样的硬件架构，通过更改硬件中所采用的芯片类型实现本实施
例所述的技术方案的功能和效果的，也是本发明所要保护的技术方案。
63.实施例二
64.本实施例提供了基于实施例一所述一种风电场高精度实时仿真方法，包括：
65.平台控制模块通过通讯模块向流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块发送启停指令、模型数据下发指令以及仿真数据回收指令；
66.流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块根据平台控制模块下发的相应指令执行相应的动作，并反馈给平台控制模块。
67.所述模型数据下发指令是平台控制模块将用户建立的风电场高精度模型相应的文本类型数据发送给流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块；
68.所述仿真数据回收指令是平台控制模块接收流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块的仿真结果数据。
69.所述流体动态模块和多个混合动态模块之间交互风速数据和尾流动态参数；
70.多个所述混合动态模块与集电动态模块之间交互三相电压和电流瞬间值数据。
71.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种风电场高精度实时仿真平台，其特征在于，包括：流体动态模块，用于计算风电场内风速计算；混合动态模块，包括尾流动态模型、气动动态模型、机械动态模型以及电磁暂态模型，用于负责风电机组下游尾流特征叶片气动特性、风电机组机械元件的结构受力特性以及风电机组电气系统的暂态过程计算；集电暂态模块，用于计算风电场中集电系统的电磁暂态；平台控制模块，用于控制流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块的启停，模型数据下发以及仿真数据回收；通讯模块，用于负责平台控制模块与流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块之间的网络通信转发。2.如权利要求1所述的一种风电场高精度实时仿真平台，其特征在于，所述流体动态模块包括中央处理器和图像处理器，所述图像处理器对风电场流体动态中整场风速的遍历计算；所述中央处理器负责算法的逻辑控制。3.如权利要求1所述的一种风电场高精度实时仿真平台，其特征在于，所述混合动态模块采用全可编程片上系统，包括arm处理器以及现场可编程的门阵列；所述arm处理器用于计算毫秒级的风电场尾流动态、气动动态和机械动态；所述现场可编程的门阵列用于计算微秒级的电磁暂态。4.如权利要求1所述的一种风电场高精度实时仿真平台，其特征在于，所述集电暂态模块采用现场可编程的门阵列，用于计算微秒级的风电场中集电系统的电磁暂态。5.如权利要求1所述的一种风电场高精度实时仿真平台，其特征在于，仿真平台通过增删混合动态模块的数量适用不同规模风电场的实时仿真。6.如权利要求1所述的一种风电场高精度实时仿真平台，其特征在于，所述流体动态模块和混合动态模块通过通讯模块进行数据交互。7.如权利要求1所述的一种风电场高精度实时仿真平台，其特征在于，多个所述混合动态模块同时与集电暂态模块进行数据交互。8.基于权利要求1-7任一项所述的一种风电场高精度实时仿真平台的仿真方法，其特征在于，包括：平台控制模块通过通讯模块向流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块发送启停指令、模型数据下发指令以及仿真数据回收指令；流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块根据平台控制模块下发的相应指令执行相应的动作，并反馈给平台控制模块。9.如权利要求8所述的一种风电场高精度实时仿真方法，其特征在于，所述模型数据下发指令是平台控制模块将用户建立的风电场高精度模型相应的文本类型数据发送给流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块；所述仿真数据回收指令是平台控制模块接收流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块的仿真结果数据。10.如权利要求8所述的一种风电场高精度实时仿真方法，其特征在于，所述流体动态模块和多个混合动态模块之间交互风速数据和尾流动态参数；多个所述混合动态模块与集电动态模块之间交互三相电压和电流瞬间值数据。

技术总结
本发明属于风电场仿真领域，提供一种风电场高精度实时仿真平台及方法，包括流体动态模块，用于计算风电场内风速计算；混合动态模块，包括尾流动态模型、气动动态模型、机械动态模型及电磁暂态模型，用于负责风电机组下游尾流特征叶片气动特性、风电机组机械元件的结构受力特性以及风电机组电气系统的暂态过程计算；集电暂态模块，用于计算风电场中集电系统的电磁暂态；平台控制模块，用于控制流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块的启停，模型数据下发以及仿真数据回收；通讯模块，用于负责平台控制模块与流体动态模块、混合动态模块以及集电暂态模块之间的网络通信转发。解决了现有技术无法方便地进行风电场高精度模型实时仿真的问题。仿真的问题。仿真的问题。


技术研发人员：赵浩然 李冰
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/10/19