电源科技奖获奖展示 | 优秀产品创新奖：SpaceR实时仿真平台

 

完成单位：北京北创芯通科技有限公司

项目亮点：SpaceR具有强实时性，保证严格的时钟机制和极小的仿真步长，在配合FPGA片上仿真时可做到几百ns级别的仿真步长，这对于解决目前电力电子系统开关数量多、频率高、要求开关暂态模拟精度高以及系统逐渐多样化提供了强大的技术保证。

 

电力电子系统非常复杂，且具有非线性、时变的特点，故其设计和分析的难度较大，一般需要借助一些仿真工具来辅助产品的设计，以缩短其开发周期、降低开发费用并提高可靠性。实时仿真技术是辅助电力电子产品设计的常用手段，使仿真环境与现实世界接轨。相比国外，国内很少有人对半实物仿真这一课题展开过研究，对适用于电力电子领域半实物仿真系统展开研究的就更少了。更为严重的是，国内开发出的各类半实物仿真系统大多建立在他人的硬件设备基础上，自身仅对软件系统进行了特定的开发。因此，针对电力电子领域对半实物仿真系统的需求，研究出一套实时性好、仿真精度高、容量大、价格低廉、通用性好的半实物仿真平台具有十分重要的意义。

SpaceR集成了用于电力电子和电力系统的多种专属模型库，最小步长可以达到几个微秒甚至纳秒级别，可以精准仿真电力电子系统的动态响应过程，并能将系统的任意过渡过程通过高速实时I/O系统输出为电信号，用于闭环控制或者展示。除此之外，系统还配备了方便工程设计的模块化功能单元，能够灵活实现与外部实物系统的交互；良好的人机界面接口提供了柔性的工程化工具模块，让设计者可以全程免除编程，几乎只需拖拽鼠标即可实现程序积木式的所见即所得设计效果。

系统由开发主机、模型解算单元和I/O接口单元组成。开发主机主要为软件仿真集成开发环境，兼顾仿真过程的监控功能；计算单元用于模型的解算和与硬件输入出接口单元的通信； I/O接口单元主要为物理信号处理单元，实现仿真数据与物理信号的交互。实际被控设备接入后，三者即构成一套软硬件一体化的闭环仿真测控系统。

SpaceR实时仿真平台的最大创新点是异构联合仿真。半实物仿真平台最初采用基于CPU 的仿真器，其中CPU负责模型运算（步长一般为25μs），FPGA负责I/O管理及脉冲补偿。随着电子技术的发展，器件开关频率越来越高，超出脉冲补偿算法的范围，出现了基于FPGA的仿真器。仿真器中，FPGA 负责模型运算，充分发挥了其并行处理的能力，仿真步长可以达到0.25μs，即使开关频率达到几百k Hz，也可保证仿真的精度。当仿真模型复杂度增加，使基于FPGA 的仿真模型开发显得相对困难时，为了充分发挥CPU 和FPGA 各自的特点，设计出了基于CPU+FPGA 结构的仿真器。它将与电力电子开关相关的仿真模型放在FPGA 上进行运算，将复杂的电网、机械模型、控制器模型、通信系统等放在CPU上运行。基于FPGA+CPU的联合实时仿真既满足了电力电子系统高频率、多非线性开关的要求，同时还可以满足系统规模越来越大的要求，将快速高精度模型与相对低速率的电网模型分开处理，完全适应了当前电力电子系统的发展趋势。

项目图片

SpaceR实时仿真平台机箱主视图

SpaceR实时仿真平台机箱后视图 
 

SpaceR仿真引擎

SpaceR仿真模型库

项目完成单位

北京北创芯通科技有限公司

北京北创芯通科技有限公司是一家专业从事电力及电力电子实时半实物仿真、电力系统分布式同步测控、无人平台智能感知识别系统的高科技公司，成立于2009年。目前已有自主品牌SpaceR的多个系列近20款产品投入批量生产：分体式/一体式实时仿真平台、嵌入式实时仿真控制器、FPGA小步长实时仿真平台、变电站无线同步测控系统、主动配电网微型同步相量测量单元、智能配电单元、无人平台智能感知识别控制系统、电网异物激光清除器等。 

我们与多家高校和科研机构在技术合作、人才交流等方面建立了长期伙伴关系。公司技术团队拥有丰富的行业经验，已参与并完成了电力系统、电力电子、自动化控制、信息安全等领域的多项创新科技项目。我们以打造实时仿真测控国家战略品牌为目标，秉持锐意进取、合作共赢的精神创建开放式平台，助力电力能源、工业控制、海军船舶、兵器军工、航空航天、教育科研等领域项目研发和产品设计，帮助客户创新、提高市场竞争力。

由北京北创芯通科技有限公司自主研发生产的SpaceR实时仿真平台具有硬实时性能、实时操作系统、模型化开发、高速XHP模式等优势，成功降低了设计和测试新保护系统、控制系统和电力电子系统的成本和时间，提高了系统的可靠性和性能，延长了组件寿命，减少了系统调试时间以及故障排除的成本。该产品在国内著名企业、高校、研究所得到持续使用，功能强大、运行稳定，充分满足与客户签订的合同和技术协议要求，是各领域客户进行创新性项目研发、提升市场竞争力的强大助力引擎。

SpaceR实时仿真平台打破了国外公司对仿真核心技术的垄断，具有自主知识产权、分布式系统架构、功能定制化、本土化的售后支持等优点，在设计、工艺、材料、关键技术、系统集成等方面取得显著创新成果，推广应用取得较强市场竞争力，创造了较好的经济效益， 促进了国内实时仿真行业的科技进步，形成了产业的知名技术和名牌。

第一完成人简介

周学华

周学华，教育背景：

2006年9月-2010年7月 北京理工大学 生物医学工程专业

2010年9月-2013年3月 北京理工大学 电子科学与技术专业（嵌入式实时仿真方向）

业务技能和擅长领域：

1.实时仿真系统的软硬件架构的设计和实现；

2.低、中、高速通信单机和多机级联架构的设计和实现；

3.实时仿真测控系统的运行机制和实现的原理；

4.实时操作系统的底层驱动、并行解算、多核同步、模型的分割和优化等方法；

5.分布式同步测控系统的设计和实现。