面向实时电力系统仿真的可扩展中央处理器-现场可编程门阵列异构集群

来源：电子与信息学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：杨航宇, 汤勇明, 刘济源, 曹阳, 邹德虎, 许明旺, 袁晓冬, 韩华春, 顾伟, 李鹤

单位：1.东南大学电子科学与工程学院 南京 2100962.东南大学电气工程学院 南京 2100963.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 南京 211003

摘要：高频开关器件的大量接入，以及可再生能源与电压源型变流器(VSCs)的深度融合，使电力系统仿真面临微秒级暂态分析和亚微秒步长仿真的挑战。现有仿真器在应对包含数百个电力电子开关的系统时，普遍存在计算扩展性不足、通信延迟偏高的问题。为此，该文提出一种面向实时电力系统仿真的中央处理器-现场可编程门阵列(CPU-FPGA)异构集群架构，能够在1 μs步长下完成对480个开关器件构成的新能源系统的实时仿真。该系统主要包含3项核心创新：(1)提出基于时间步长解耦的计算负载感知调度策略，实现4片FPGA的并行计算调度；(2)结合混合精度量化与矩阵-向量重组技术，相较传统定点方法，在400 ns计算窗口内实现资源占用大幅下降，查找表(LUT)、触发器(FF)与数字信号处理单元(DSP)分别降低32.0%, 24.3%与43.8%；(3)基于数据平面开发工具包(DPDK)设计零拷贝通信机制，实现29 μs的端到端通信延迟。实验验证表明，该系统验证了异构集群架构在大规模高频电力系统仿真中的有效性，并具备良好的扩展性与工程应用潜力。

关键词：实时仿真, FPGA集群, 量化方法, 电力系统

基金资助：国家电网有限公司总部科技项目(5400-202318547A-3-2-ZN)