基于多FPGA的飞机电力系统实时仿真器通信方法与流程

基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法
技术领域
1.本发明属于飞机电力系统仿真技术领域，具体涉及一种基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法。


背景技术：

2.随着多电飞机电气化技术的发展，电能储能装置、大功率脉冲负载、电作动器、高频电力电子装置等各种设备大量接入系统，飞机电力系统电能容量增加、结构愈加复杂、电磁暂态特性发生急剧变化。飞机电力系统的设计规划、安全运行优化、故障保护机制、仿真分析等受上述飞机电力系统特性的影响与传统飞机电力系统存在巨大差距。传统飞机电力系统的稳态仿真分析方法已经不能满足对多电飞机中复杂大规模电力系统的特性分析，而是需借助精确的电磁暂态仿真来研究多电飞机电力系统的运行机制、瞬态特性、多物理系统的耦合、故障产生原因等。
3.飞机电力系统仅进行离线暂态的实时仿真已经不能满足现有需求，特别是对飞机电力系统的发电机控制器、保护装置、分布式配电终端、智能控制算法的验证优化、飞机能量管理优化系统等软硬件系统与飞机电力系统的测试、试验都需要半实物仿真完成，必需借助实时仿真器。国内外开发的商业实时仿真器(rt_lab、rtds、dspace、adpss等)主要采用pc或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)等串行计算处理器为底层硬件，以多个处理器联合计算实现电力系统实时仿真计算能力。随着飞机电力系统暂态仿真规模、仿真精度、仿真复杂度等需求增长，导致芯片实时算力、硬件资源、多处理器间仿真数据通信带宽需求持续增长，而上述传统串行处理器和并行电互连技术，面对大规模纳秒级电磁暂态仿真实时仿真存在多方不足：1)受处理器计算任务、中断调度、操作系统等限制，处理器间通行延迟不稳定；2)传统处理器只能进行微秒级的实时仿真。以上串行处理器片间通信延迟、物理结构、信号处理速度等限制实时仿真的步长，从而影响飞机电力系统仿真规模和高频电力电子设备的仿真精度。
4.并行处理器现场可编程门级阵列(fied programmable gate array，fpga)是高性能飞机电力系统小步长实时仿真器底层硬件处理器选择的新方向。fpga高度并行处理、深度流水线操作、丰富存储资源、用户自定义i/o接口等优势为飞机电力系统纳秒级实时仿真提供丰富的计算资源。此外，全双工、稳定、低延迟的高速收发器不仅可以实现fpga计算资源的扩展，而且也可以实现fpga间数据更小的传输延迟，以此为基础构建的多fpga联合实时仿真器满足了高精度大规模飞机电力系统实时仿真需求。但现有技术中还缺乏行之有效的基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，其方法步骤结构简单，设计合理，实现方便，本发明针对拥有较大规模交直流混合、高频电力电子、脉冲负载、非线性元件等的飞机电力系
统，实现纳秒级实时仿真，采用基于高速收发器互连的多fpga并行计算提高实时仿真器的计算能力，能够满足详细建模的飞机电力系统的实时仿真需求，将飞机电力系统从发电到配电再到用点负载划分为若干个子系统，分别在不同的fpga仿真计算，各自系统的仿真数据交换传输通过fpga片间通信实现，从而实现详细的大规模飞机电力系统模型在多fpga实时仿真器中精确计算，解决fpga片间数据延迟对实时仿真精度的影响，效果显著，便于推广。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，待实时仿真的飞机电力系统在m个fpga建的实时仿真器中进行通信，所述方法包括以下步骤：
7.步骤一、将待仿真飞机电力系统分割成m个子系统并编程下载到对应fpga中，根据子系统连接关系设置仿真接口数据分别为ri和fi；
8.步骤二、系统初始化并同步，设置仿真时刻t＝0；
9.步骤三、启动仿真；
10.步骤四、推进下一个时间步长
△
t内的仿真计算；
11.步骤五、第i个fpga将接收数据ri和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据fi发送至节点fpga；
12.步骤六、节点fpga将接收数据fi和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据rj发送至第j个fpga；
13.步骤七、第j个fpga将接收数据rj和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据fj发送至节点fpga；
14.步骤八、节点fpga将接收数据fj和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将新的结果数据ri发送至第i个fpga；
15.步骤九、判断当前仿真时间是否到达t＝t+
△
t时刻，当未到达时，仿真器等待时间至t＝t+
△
t时刻；
16.步骤十、判断仿真时间是否到达设置仿真终止时间t，当未到达时，返回步骤六；当到达时，结束仿真和数据通信。
17.上述的基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，步骤一中所述将待仿真飞机电力系统分割成m个子系统并编程下载到对应fpga中，根据子系统连接关系设置仿真接口数据分别为ri和fi的具体过程包括：
18.步骤101、根据飞机电力系统拓扑结构、元件组成、连接逻辑和fpga计算容量分为m个子系统；
19.步骤102、提取各子系统基本参数，建立各子系统的电气计算矩阵、非线性建模的存储矩阵和控制算法矩阵；
20.步骤103、设定系统仿真步长，将各子系统相关的比特流分别下载到对应的fpga中；
21.步骤104、设置一个节点fpga，根据连接关系在所述节点fpga中建立相应的连接计算关系和数据传输接口，所述节点fpga与m-1个fpga相连，设置所述节点fpga向第i个fpga发送仿真数据fi，所述节点fpga从第i个fpga接收仿真数据ri，其中i＝1,2,3,...,m-1。
22.上述的基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，所述仿真接口数据fpga
间传输延迟l个通信采样时钟周期，各子系统在对应fpga仿真计算耗时ni个时钟周期。
23.本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明方法步骤结构简单，设计合理，实现方便，本发明针对拥有较大规模交直流混合、高频电力电子、脉冲负载、非线性元件等的飞机电力系统，实现纳秒级实时仿真，采用基于高速收发器互连的多fpga并行计算提高实时仿真器的计算能力，能够满足详细建模的飞机电力系统的实时仿真需求，将飞机电力系统从发电到配电再到用点负载划分为若干个子系统，分别在不同的fpga仿真计算，各自系统的仿真数据交换传输通过fpga片间通信实现，从而实现详细的大规模飞机电力系统模型在多fpga实时仿真器中精确计算，解决fpga片间数据延迟对实时仿真精度的影响，效果显著，便于推广。
24.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
25.图1为本发明的方法流程示意图；
26.图2为本发明单个fpga内部数据收发流程示意图；
27.图3为本发明飞机电力系统实时仿真器平台示意图；
28.图4为本发明多fpga实时仿真子系统分割示意图；
29.图5为本发明三级发电机结构示意图；
30.图6为本发明变压整流器结构示意图；
31.图7为本发明电力系统接触器控制时序图；
32.图8为本发明发电机1的a相电压仿真数据波形图；
33.图9为本发明发电机1的a相电流仿真数据波形图；
34.图10为本发明变压整流器tru1输出电压仿真数据波形图；
35.图11为本发明变压整流器tru1负载电流仿真数据波形图。
具体实施方式
36.如图1所示，本发明的基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，待实时仿真的飞机电力系统在m个fpga建的实时仿真器中进行通信，所述方法包括以下步骤：
37.步骤一、将待仿真飞机电力系统分割成m个子系统并编程下载到对应fpga中，根据子系统连接关系设置仿真接口数据分别为ri和fi；
38.步骤二、系统初始化并同步，设置仿真时刻t＝0；
39.步骤三、启动仿真；
40.步骤四、推进下一个时间步长
△
t内的仿真计算；
41.步骤五、第i个fpga将接收数据ri和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据fi发送至节点fpga；
42.步骤六、节点fpga将接收数据fi和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据rj发送至第j个fpga；
43.步骤七、第j个fpga将接收数据rj和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据fj发送至节点fpga；
44.步骤八、节点fpga将接收数据fj和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并
将新的结果数据ri发送至第i个fpga；
45.步骤九、判断当前仿真时间是否到达t＝t+
△
t时刻，当未到达时，仿真器等待时间至t＝t+
△
t时刻；
46.步骤十、判断仿真时间是否到达设置仿真终止时间t，当未到达时，返回步骤六；当到达时，结束仿真和数据通信。
47.本实施例中，步骤一中所述将待仿真飞机电力系统分割成m个子系统并编程下载到对应fpga中，根据子系统连接关系设置仿真接口数据分别为ri和fi的具体过程包括：
48.步骤101、根据飞机电力系统拓扑结构、元件组成、连接逻辑和fpga计算容量分为m个子系统；
49.步骤102、提取各子系统基本参数，建立各子系统的电气计算矩阵、非线性建模的存储矩阵和控制算法矩阵；
50.步骤103、设定系统仿真步长，将各子系统相关的比特流分别下载到对应的fpga中；
51.步骤104、设置一个节点fpga，根据连接关系在所述节点fpga中建立相应的连接计算关系和数据传输接口，所述节点fpga与m-1个fpga相连，设置所述节点fpga向第i个fpga发送仿真数据fi，所述节点fpga从第i个fpga接收仿真数据ri，其中i＝1,2,3,...,m-1。
52.本实施例中，所述仿真接口数据fpga间传输延迟l个通信采样时钟周期，各子系统在对应fpga仿真计算耗时ni个时钟周期。
53.具体实施时，每个fpga内单链路通道高速收发器的数据接收和发送流程如图2所示，fpga间单链路传递的数据ri和fi分别代表一个完整的数据包。实时仿真器每个计算步长开始s_done为低电平，r_done为高电平，gt_done为低电平，gr_done为高电平，本地fpga计算完成且将fpga内部多个不同仿真接口数据通过异步fifo1并行传递到高速收发器时钟域时s_done为高电平，r_done为低电平，更新数据send_reg，以流水线方式取数、编码、发送到另外一个fpgai完成时s_done为低电平，gt_done为高电平，gr_done为高电平；本地fpga接收到fpgai发送的数据并行对齐、解析、校验完成时gt_done为低电平，gr_done为高电平，同时数据解析到数据rec_reg且校验有效时，将数据通过并行异步fifo2传输到电气计算时钟域，更新对应仿真接口寄存器数据，从计算到发送再到接收并更新电气计算时钟域寄存器数据耗时n个高速收发器采样时钟周期，就此完成本地fpga的计算任务。
54.为了验证本发明方法的有效性，进行具体的试验验证。五个fpga组建的实时仿真器平台如图3所示，飞机电力系统拓扑及其fpga仿真划分如图4所示。图4中的发电机1和发电机2的拓扑如图5所示，发电机1和发电机2均为60kw三级式发电机，lvtru1和lvtru2的拓扑如图6所示，lvtru1和lvtru2均为5.7kw的28v变压整流器。其中发电机1、发电机2、lvtru1、lvtru2分别分配到xilinx公司zynq系列的fpga1、fpga2、fpga4、fpga3；其余的交流汇流条1、交流汇流条2、28v应急汇流条1、28v应急汇流条2、gtb1、gtb2、btb1、btb2、btb3、btb4以及拓扑各元件互连关系划分到节点fpga(mpsoc)进行仿真计算。
55.fpga之间采用光纤实现仿真数据的传输，节点fpga与fpga1、fpga2、fpga3、fpga4互连；fpga1、fpga2、fpga3、fpga4任何两个之间不存在直接通信连接，而是通过节点fpga进行数据传递计算，这样的拓扑结构可灵活扩展满足较大规模的电力系统实时仿真需求。整个实时仿真器光纤参考时钟125mhz，fpga之间各通道传输速率10gbps。在图4所示的飞机电
力系统实时方振中，fpga1和fpga2内部仿真计算延迟时间均为180ns，fpga1、fpga2分别与节点fpga通信延迟212ns，fpga3和fpga4内部仿真计算延迟70ns，fpga3、fpga4分别与节点fpga通信延迟224ns，交流汇流条和直流汇流在节点fpga内部计算延迟均为16ns。
56.整个仿真测试中，tru1和tru2同时动态负载实验：0-10ms额定负载200a；10ms时突卸负载到300a；35ms时突卸负载到100a。0-25ms,发电机1和2分别独立给tru1和tru2供电，在25ms时发电机2发生故障，gtb2断开，btb1闭合，发电机1给tru1和tru2供电，此期间电力系统接触器控制时序如图7所示，高电平接触器闭合，低电平接触器断开；发电机1的a相电压仿真数据波形如图8所示；发电机1的a相电流仿真数据波形如图9所示；变压整流器tru1输出电压仿真数据波形如图10所示；变压整流器tru1负载电流仿真数据波形如图11所示，仿真结果说明仿真数据的传输的稳定性和正确性，说明本发明方法能够有效应用于实时仿真器的通信。
57.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，其特征在于，待实时仿真的飞机电力系统在m个fpga建的实时仿真器中进行通信，所述方法包括以下步骤：步骤一、将待仿真飞机电力系统分割成m个子系统并编程下载到对应fpga中，根据子系统连接关系设置仿真接口数据分别为r
i
和f
i
；步骤二、系统初始化并同步，设置仿真时刻t＝0；步骤三、启动仿真；步骤四、推进下一个时间步长
△
t内的仿真计算；步骤五、第i个fpga将接收数据r
i
和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据f
i
发送至节点fpga；步骤六、节点fpga将接收数据f
i
和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据r
j
发送至第j个fpga；步骤七、第j个fpga将接收数据r
j
和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将结果数据f
j
发送至节点fpga；步骤八、节点fpga将接收数据f
j
和上一步长子系统状态进行本地的仿真计算，并将新的结果数据r
i
发送至第i个fpga；步骤九、判断当前仿真时间是否到达t＝t+
△
t时刻，当未到达时，仿真器等待时间至t＝t+
△
t时刻；步骤十、判断仿真时间是否到达设置仿真终止时间t，当未到达时，返回步骤六；当到达时，结束仿真和数据通信。2.按照权利要求1所述的基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，其特征在于，步骤一中所述将待仿真飞机电力系统分割成m个子系统并编程下载到对应fpga中，根据子系统连接关系设置仿真接口数据分别为r
i
和f
i
的具体过程包括：步骤101、根据飞机电力系统拓扑结构、元件组成、连接逻辑和fpga计算容量分为m个子系统；步骤102、提取各子系统基本参数，建立各子系统的电气计算矩阵、非线性建模的存储矩阵和控制算法矩阵；步骤103、设定系统仿真步长，将各子系统相关的比特流分别下载到对应的fpga中；步骤104、设置一个节点fpga，根据连接关系在所述节点fpga中建立相应的连接计算关系和数据传输接口，所述节点fpga与m-1个fpga相连，设置所述节点fpga向第i个fpga发送仿真数据f
i
，所述节点fpga从第i个fpga接收仿真数据r
i
，其中i＝1,2,3,...,m-1。3.按照权利要求1所述的基于多fpga的飞机电力系统实时仿真器通信方法，其特征在于，所述仿真接口数据fpga间传输延迟l个通信采样时钟周期，各子系统在对应fpga仿真计算耗时n
i
个时钟周期。

技术总结
本发明公开了一种基于多FPGA的飞机电力系统实时仿真器通信方法，包括步骤一、将待仿真飞机电力系统分割成M个子系统，设置仿真接口数据；二、系统初始化并同步；三、启动仿真；四、推进下一个时间步长内的仿真计算；步骤五、第i个FPGA进行仿真计算，并将结果发送至节点FPGA；步骤六、节点FPGA进行仿真计算，并将结果发送至FPGA；步骤七、第j个FPGA进行仿真计算，并将结果发送至节点FPGA；步骤八、节点FPGA将接收数据F


技术研发人员：王慧英 彭昭颖
受保护的技术使用者：陕西智简美科技有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/9