CN102820649B - Rtds-ems系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统调度自动化技术领域中的一种RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法。包括：实时数字仿真器RTDS系统上搭建等值系统的仿真模型；在能源管理系统EMS中绘制网络模型；获取RTDS仿真模型的仿真基态；配置数据接口；设计开发规约转换器，实现实时数字仿真器RTDS和能源管理系统EMS之间的信息交互；虚拟出多个远程终端RTU，控制虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS之间的连接；设计开发实时数据存储控制器，用于模拟实际电网中不同控制中心采样时刻不一致的情形。本发明实现了RTDS-EMS系统级闭环控制。

Description

RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法

技术领域

本发明属于电力系统调度自动化技术领域，尤其涉及一种RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法。

背景技术

全球能源资源短缺和电网大规模发展的现状，促使新能源并网发电和各种新算法的出现。这些新技术和新能源的投入使用需要建立在电网安全稳定的基础上，因此针对这些新方向的入网检测是目前亟待解决的问题，但直接基于实际系统做研究势必会给电网运行带来不可预测的影响。在新算法的调试中，目前经常使用的仿真环境是离线的，这些仿真环境虽然对新算法可行性的测试是有效的，但是基于实时系统的调试结果是不可见的。解决上述问题的方法之一是建立与实际电网实时运行一致的研究与测试环境。由于RTDS（Real Time Digital Simulator，实时数字仿真器）仿真系统能逼真地模拟实际电力系统的状态，同时由于被试设备直接连接到仿真系统，和在实际系统中运行一样，RTDS系统在电力系统实际装置闭环试验中有了广泛应用。但从国内外文献看，目前还没有实现RTDS系统级闭环控制。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法，模拟不同控制中心的实时断面采样时刻不一致现象，为开发实用化分布式状态估计计算系统提供条件。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：对原型等值系统进行简化等值处理，从而获得等值系统，并在实时数字仿真器RTDS系统上搭建等值系统的仿真模型；

步骤2：在能源管理系统EMS中绘制与所述等值系统对应的实际设备接线图，即EMS网络模型；

步骤3：获取RTDS仿真模型的仿真基态；

步骤4：安装网络通讯接口卡GTNET，搭建RTDS数据输入输出接口DNP模块，在能源管理系统EMS侧配置前置系统FES的网络运行参数；

步骤5：设计开发规约转换器，开发接口函数，实现实时数字仿真器RTDS和能源管理系统EMS之间的信息交互；所述规约转换器用于实现实时数字仿真器RTDS数据和能源管理系统EMS数据之间的格式转换；

步骤6：虚拟出多个远程终端RTU，使远程终端RTU与等值系统中的厂站一一对应，控制虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS之间的连接；

步骤7：设计开发实时数据存储控制发生器，设置数据触发延时，模拟实际电网中不同控制中心采样时刻不一致的情形。

所述步骤3具体包括：

步骤301：从原型实际系统的BPA格式或EMS格式潮流数据文件中获取与EMS网络模型相匹配的量测数据；

步骤302：将步骤301获得的量测数据经EMS系统的实时数据网络接口写入EMS实时库；

步骤303：结合EMS网络模型进行状态估计；

步骤304：将步骤303所得的状态估计结果经EMS系统的实时数据网络接口取出，作为数据基态送入RTDS仿真模型。

所述步骤4具体包括：

步骤401：统计各个实时数字仿真器RTDS的计算单元RACK需要通信的数据量，确定网络通讯接口卡GTNET的安装位置；

步骤402：在安装有网络通讯接口卡GTNET的计算单元RACK上加入RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块；在与装有网络通讯接口卡GTNET的计算单元RACK直接通信的所有计算单元RACK上添加串行器模块；其中，不含RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块和串行器模块的计算单元RACK上的监视变量，通过输出元件传送到含有RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块或串行器模块的计算单元RACK上；

步骤403：为每个RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块配置一个点映射文件RTDS_DNP，定义通过RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块输入输出RTDS的所有变量，并描述各个变量和RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块的点号地址之间的映射关系；

步骤404：通过前置系统FES配置等值厂站通道规约类型、网络类型以及各变量的点号和通道号。

所述步骤5具体包括：

步骤501：根据所用到的模拟状态量、数字状态量、模拟控制量和数字控制量四种数据对象类型，设计四个接口函数，分别用以读取模拟和二进制数据量以及写入模拟和二进制数据对象；

步骤502：根据所述四种数据对象类型及IEC104协议的工作流程，设计用于实现RTDS数据和能源管理系统EMS控制指令的解析和封装的接口函数。

所述步骤6具体是：

步骤601：实时显示各个虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS主站的连接情况；

步骤602：利用Socket套接字编程实现虚拟远程终端RTU所在工作站与实时数字仿真器RTDS和能源管理系统EMS之间的通信连接；

步骤603：建立多个相互独立的线程，每个线程控制一个虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS之间的连接。

所述步骤7具体包括：

步骤701：实现实时数据采集起始时刻、采集时间间隔和上送时刻界面可控；

步骤702：实现RTDS仿真模型运行时的数据上送可控，按设定的数据采集起始时刻和时间间隔，从RTDS仿真器获取数据断面，生成以发生时刻命名的数据文件并存储在数据库，待到达指定时间延迟后，从数据库中顺序读取存放在数据缓存区；

步骤703：实现RTDS仿真模型运行停止时的数据上送可控，编写用于选择数据源的进程，将选定的数据断面按设定的数据采集起始时刻和时间间隔顺序读取存放在数据缓存区。

本发明可以虚拟出多个远程终端RTU，通过自主开发设计的规约转换器和实时数据存储控制发生器，建立并控制其与EMS系统之间的连接，从RTDS系统获取仿真数据，作为厂站端遥信、遥测量送至EMS系统，并将来自EMS系统的遥控、遥调指令，送至RTDS系统，支持RTDS-EMS之间的双向数据流，实现RTDS-EMS系统级闭环控制；同时通过增设EMS系统和配置广域网模拟设备，还可以搭建实验室模拟分布式状态估计实验测试环境。

附图说明

图1是RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法流程图；

图2是RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台功能结构图；

图3是RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台硬件结构示意图；

图4是本发明提供的实验室模拟分布式状态估计硬件测试环境示意图；

图5是本发明提供的RTDS运行时控制实时数据存储发生器实现人为控制数据上送时延的流程图；

图6是本发明提供的RTDS运行停止时控制实时数据存储发生器实现人为控制数据上送时延的流程图；

图7是本发明提供的RTDS-EMS之间双向数据流的实现流程图；

图8是本发明提供的虚拟RTU功能实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

图1是RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法流程图，图2是RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台功能结构图。参考图1和图2，本发明提供的RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法包括：

步骤1：在实时数字仿真器RTDS系统上搭建仿真模型；对原型实际系统进行简化等值处理，从而获得等值系统，并在实时数字仿真器RTDS系统上搭建等值系统的仿真模型。

步骤2：在能源管理系统EMS中绘制与所述等值厂站对应的实际设备接线图，即EMS网络模型。

步骤3：获取RTDS仿真模型的仿真基态。

步骤301：从原型实际系统的BPA格式或EMS格式潮流数据文件中获取与EMS网络模型相匹配的量测数据。

步骤302：将步骤301获得的量测数据经EMS系统的实时数据网络接口写入EMS实时库。

步骤303：结合EMS网络模型进行状态估计。

步骤304：将步骤303所得的状态估计结果经EMS系统的实时数据网络接口取出，作为数据基态送入RTDS仿真模型。

步骤4：安装网络通讯接口卡GTNET，搭建RTDS数据输入输出接口DNP模块，在能源管理系统EMS侧配置前置系统FES的网络运行参数。

步骤401：统计各个实时数字仿真器RTDS的计算单元RACK需要通信的数据量，确定网络通讯接口卡GTNET的安装位置。

在实际应用中，通信的变量通常以模拟信号状态量为主，因此为提高通信效率，预安装GTNET卡的RACK应满足：首先，与该RACK通过IRC（Inter-RackCommuni cation Card，层间通信卡）卡直接通信的所有RACK（包含该RACK）上参与通信的模拟信号状态量的数量总和应尽可能的大；其次，该RACK本身参与通信的模拟信号状态量尽可能的大。

步骤402：在安装有网络通讯接口卡GTNET的计算单元RACK上加入RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块；在与装有网络通讯接口卡GTNET的计算单元RACK直接通信的所有计算单元RACK上添加串行器模块；其中，不含RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块和串行器模块的计算单元RACK上的监视变量，通过输出元件传送到含有RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块或串行器模块的计算单元RACK上。

步骤403：为每个RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块配置一个点映射文件RTDS_DNP，定义通过RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块输入输出RTDS的所有变量，并描述各个变量和RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块的点号地址之间的映射关系。

步骤404：通过前置系统FES配置等值厂站通道规约类型、网络类型以及各变量的点号和通道号。

步骤5：设计开发规约转换器，开发接口函数，实现实时数字仿真器RTDS和能源管理系统EMS之间的信息交互。所述规约转换器用于实现实时数字仿真器RTDS数据和能源管理系统EMS数据之间的格式转换。

步骤501：基于DNP3.0开发数据接口，根据所用到的模拟状态量、数字状态量、模拟控制量和数字控制量四种数据对象类型，设计四个接口函数，分别用以读取模拟和二进制数据量以及写入模拟和二进制数据对象。

步骤502：基于IEC104开发数据接口，根据所述四种数据对象类型及IEC104协议的工作流程，设计用于实现RTDS数据和能源管理系统EMS控制指令的解析和封装的接口函数。

步骤6：虚拟出多个远程终端RTU，使远程终端RTU与等值厂站一一对应，控制虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS之间的连接。

步骤601：基于Microsoft Visual C++6.0的软件编程环境，结合RTDS仿真模型中的等值厂站信息，在界面上罗列出各虚拟RTU，并配备状态指示灯，用于实时显示各虚拟RTU与主站（即EMS系统）的连接情况。

步骤602：基于Microsoft Visual C++6.0的软件编程环境，利用Socket套接字编程实现虚拟RTU所在工作站与RTDS和EMS之间的通信连接。

步骤603：为实现多个虚拟RTU与EMS系统之间的并发处理，建立多个相互独立的线程，控制各虚拟RTU与EMS系统之间的连接，具体实现流程如图8所示。

步骤7：设计开发实时数据存储控制发生器，设置数据触发延时，模拟实际电网中不同控制中心采样时刻不一致的情形。

步骤701：实现实时数据采集起始时刻、采集时间间隔和上送时刻界面可控。

步骤702：实现RTDS仿真模型运行时的数据上送可控，按设定的数据采集起始时刻和时间间隔，从RTDS仿真器获取数据断面，生成以发生时刻命名的数据文件并存储在数据库，待到达指定时间延迟后，从数据库中顺序读取存放在数据缓存区，具体实现流程如图5所示。

步骤703：实现RTDS仿真模型运行停止时的数据上送可控，编写用于选择数据源的进程，将选定的数据断面按设定的数据采集起始时刻和时间间隔顺序读取存放在数据缓存区，具体实现流程如图6所示。

实施例2

下面以云南电网模型为例，说明本发明具体实施方案。

云南电网RTDS仿真模型系统结构信息如表1和表2所示。其中，表1为云南电网RTDS仿真模型系统规模信息表，表2为云南电网RTDS仿真模型与EMS对比信息表。

节点数/个	支路数/条	等值机/台	负荷节点/个
				38	60	16	17

表1

RTDS仿真模型与实际线路吻合的线路数/条	等值线路/条
		34	26
RTDS仿真模型与实际系统节点吻合个数/个	等值节点/个
		26	12

表2

该电网模型在RTDS中占用4个RACK，RTDS与EMS交换数据的各类变量分别有：49个数字状态量，94个数字控制量，162个模拟状态量，77个模拟控制量。

在仿真模型搭建步骤中，考虑到实验室现有的RTDS硬件及板卡的配置，确定建立包含16台发电机的等值网络模型来模拟云南电网。首先采用BPA软件进行网络简化和系统的动态等值，利用RSCAD的Draft模块搭建接线图和完成相关参数的输入，利用TLine/Cable模块定义与架空输电线有关的参数文件，对建好的模型进行编译，最后利用Runtime模块运行RTDS仿真系统。

在电网接线绘制步骤中，根据RTDS仿真模型，在EMS系统图形编辑界面上绘制与之对应的实际设备接线图，并比照RTDS仿真模型中设备信息，在EMS实时数据库中录入相应设备信息。

在仿真基态获取步骤中，采用VC++6.0工具，编程实现从云南电网的EMS潮流数据文件中获取与当前EMS网络模型相匹配的量测数据；通过调用EMS系统的实时数据网络接口写入EMS实时数据库；结合当前EMS网络模型做状态估计；调用EMS系统的实时数据网络接口将状态估计结果取出，送入RTDS仿真模型，进行仿真分析。

在数据接口配置步骤中，首先统计各RACK中需要通信的数据量，确定GTNET卡的安装位置。在安装有GTNET卡的RACK上加入GTNET_DNP模块，在可以与装有GTNET卡的RACK直接通信的所有RACK上，添加串行器模块，不含GTNET_DNP模块和串行器模块的RACK上的监视变量，通过输出元件传送到含有GTNET_DNP模块或串行器模块的RACK上。GTNET_DNP模块的通讯网络传输参数设置为UDP only,端口号为DNP应用层端口号20000，IP地址标识规约转换器所在工作站。为GTNET_DNP模块配置一个RTDS_DNP点映射文件，定义通过该模块输入输出到RTDS的所有变量，及各变量与GTNET_DNP点号地址之间的映射关系。

EMS系统前置子系统（FES）是实时数据输入、输出的中心，FES集成的各种远动规约是站端RTU和EMS系统进行信息交互的接口。在EMS系统实时数据库（dbi）界面上，配置实现前置服务器网络通讯的运行参数，厂站通道规约类型设置为IEC104，通讯类型为网络，对应RTDS_DNP点映射文件，在前置遥信、遥测定义表配置数字状态量和模拟状态量的点号，遥控、遥调定义表中配置数字控制量和模拟控制量的点号。

在规约转换器开发步骤中，RTDS的数字接口支持的协议中只有DNP3.0用于网络通讯，实现与RTDS数据通信的编程中利用DNP3.0协议的独有端口号20000，根据所用到的四种数据对象类型，设计四个接口函数，分别用以读取模拟和二进制数据量，写入模拟和二进制数据对象；实现与EMS数据通信的编程中利用IEC104协议的端口号2404，根据所用到的四种数据对象类型及IEC104协议的工作流程，设计了多个接口函数。RTDS-EMS之间双向数据流如图7所示，规约转换器将RTDS与EMS之间的数据通信分成两个独立的过程，一部分为RTDS与规约转换器进行DNP3.0规约通信；另一部分为EMS与规约转换器按IEC104规约格式通信。RTDS仿真断面经GTNET数字通信接口以DNP规约的数据格式输出，经规约转换器解析封装成IEC104规约数据，送至EMS前置系统；EMS系统的控制指令在前置系统封装成IEC104规约格式数据，经规约转换器解析封装成DNP规约数据，送至RTDS系统，改变RTDS仿真模型的运行方式，从而实现RTDS-EMS之间的双向数据流。

在虚拟RTU实现步骤中，结合RTDS仿真模型中等值厂站信息及EMS系统中各厂站配置的RTU号，基于Microsoft Visual C++6.0的软件编程环境，实现各厂站及厂站RTU号在界面上的显示，各RTU与EMS系统连接情况以不同颜色指示灯在界面上显示。利用Socket套接字编程实现虚拟RTU所在工作站（以下简称中间工作站）与RTDS和EMS之间的通信连接。采用多线程编程，实现各虚拟RTU与EMS系统之间连接的并发处理，并编程实现各虚拟RTU与EMS系统之间的连接界面可控。

在实时数据存储控制发生器开发步骤中，基于Microsoft Visual C++6.0的软件编程环境，编程实现数据采集起始时刻、采集时间间隔和上送时间延迟参数界面可控，并分RTDS运行和运行停止两种情况设计实现数据存取和上送的控制。RTDS运行时，按设定的数据采集起始时刻和时间间隔，从RTDS仿真器获取数据断面，并以发生时刻命名生成数据文件存放在数据库，待达到指定时间延迟后，从数据库中顺序读取存放在数据缓存区，等待EMS系统的召唤；RTDS运行停止时，编程实现历史数据断面的选择界面可控，将选定的数据文件按设定的数据采集起始时刻和时间间隔顺序读取存放在数据缓存区，等待EMS系统的召唤。

最后如图3所示，将中间工作站通过LAN分别与RTDS和EMS相连。

本发明不仅可以为EMS高级应用的算法研究提供与实际电网一致的实时数据，还可以为EMS高级应用软件提供与实际电网一致的测试环境。通过增设EMS系统和配置广域网模拟设备，可建立如图4所示的分布式状态估计实验测试环境：将RTDS上稳定运行的电网模型作为实际互联电网，将之分为两片或多片相互重叠的区域，分别由模拟控制中心的不同EMS系统建模，再通过模拟广域网将两个或多个模拟控制中心的EMS系统通过网络互联，构成分布式计算环境。同时，通过对实时数据存储发生器和规约转换器的控制，还可以模拟出不同控制中心量测采样时刻不同步的实时数据，由此可以模拟出与实际电网中互联控制中心之间的非常一致的运行和实验环境。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：对原型实际系统进行简化等值处理，从而获得等值系统，并在实时数字仿真器RTDS系统上搭建等值系统的仿真模型；

步骤2：在能源管理系统EMS中绘制与所述等值模型对应的实际设备接线图，即EMS网络模型；

步骤3：获取RTDS仿真模型的仿真基态；

步骤4：安装网络通讯接口卡GTNET，搭建RTDS数据输入输出接口DNP模块，在能源管理系统EMS侧配置前置系统FES的网络运行参数；

步骤5：设计开发规约转换器，开发接口函数，实现实时数字仿真器RTDS和能源管理系统EMS之间的信息交互；所述规约转换器用于实现实时数字仿真器RTDS数据和能源管理系统EMS数据之间的格式转换；

步骤6：虚拟出多个远程终端RTU，使远程终端RTU与等值系统中的厂站一一对应，控制虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS之间的连接；

步骤7：设计开发实时数据存储控制发生器，设置数据触发延时，模拟实际电网中不同控制中心采样时刻不一致的情形。

2.根据权利要求l所述的RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法，其特征是所述步骤4具体包括：

步骤401：统计各个实时数字仿真器RTDS的计算单元RACK需要通信的数据量，确定网络通讯接口卡GTNET的安装位置；

步骤402：在安装有网络通讯接口卡GTNET的计算单元RACK上加入RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块；在与装有网络通讯接口卡GTNET的计算单元RACK直接通信的所有计算单元RACK上添加串行器模块；其中，不含RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块和串行器模块的计算单元RACK上的监视变量，通过输出元件传送到含有RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块或串行器模块的计算单元RACK上；

步骤403：为每个RTDS教据输入输出接口GTNET_DNP模块配置一个点映射文件RTDS_DNP，定义通过RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块输入输出RTDS的所有变量，并描述各个变量和RTDS数据输入输出接口GTNET_DNP模块的点号地址之间的映射关系；

步骤404：通过前置系统FES配置等值厂站通道规约类型、网络类型以及各变量的点号和通道号。

3.根据权利要求2所述的RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法，其特征是所述步骤5具体包括：

步骤501：根据所用到的模拟状态量、数字状态量、模拟控制量和数字控制量四种数据对象类型，设计四个接口函数，分别用以读取模拟和二进制数据量以及写入模拟和二进制数据对象；

步骤502：根据所述四种数据对象类型及IEC104协议的工作流程，设计用于实现RTDS数据和能源管理系统EMS控制指令的解析和封装的接口函数。

4.根据权利要求3所述的RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法，其特征是所述步骤6具体包括：

步骤601：实时显示各个虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS主站的连接情况；

步骤602：利用Socket套接字编程实现虚拟远程终端RTU所在工作站与实时数字仿真器RTDS和能源管理系统EMS之间的通信连接；

步骤603：建立多个相互独立的线程，每个线程控制一个虚拟远程终端RTU与能源管理系统EMS之间的连接。

5.根据权利要求4所述的RTDS-EMS系统级闭环控制实验仿真平台搭建方法，其特征是所述步骤7具体包括：

步骤701：实现实时数据采集起始时刻、采集时间间隔和上送时刻界面可控；

步骤702：实现RTDS仿真模型运行时的数据上送可控，按设定的数据采集起始时刻和时间间隔，从RTDS仿真器获取数据断面，生成以发生时刻命名的数据文件并存储在数据库，待到达指定时间延迟后，从数据库中顺序读取存放在数据缓存区；

步骤703：实现RTDS仿真模型运行停止时的数据上送可控，编写用于选择数据源的进程，将选定的数据断面按设定的数据采集起始时刻和时间间隔顺序读取存放在数据缓存区。