CN102999674A - 基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真平台及方法 - Google Patents

Abstract

基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真平台，通过一个联合仿真协调器将电力系统仿真器和通信系统仿真器整合在一起，实现对两者的控制、数据交换以及时间同步，仿真方法主要包括如下步骤：首先控制对初始电力系统状态进行仿真，产生出用于控制和通信的状态数据，记录仿真结束后的时间；然后通信系统仿真器进行仿真，确定出所有可能的通信事件，获得控制动作时间；该时间反馈到电力系统仿真器，使电力系统开始运行至新的时间，得出电力系统的新的状态；电力系统仿真器再继续仿真，到下一个量测时间点获得电力系统的状态判断是否稳定运行，如果不是则返回继续仿真，本发明考虑了通信过程中的各种随机性情况，具有实用性和推广性。

Description

基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真平台及方法

技术领域

本发明属于电力系统仿真分析研究技术领域，具体涉及基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真平台及方法。

背景技术

目前，各国都在大力的研究和发展智能电网。智能电网是自动的和广泛分布的能量交换网络，它具有电力和信息双向流动的特点，同时它将分布式计算和提供实时信息的通信的优越性用于电网，并使之能够维持设备层面上即时的供需平衡。由此可见，智能电网的数据获取、保护和自动控制都需要通信系统的有力支持，只有建立了高速、双向、集成、实时的通信系统，智能电网的特征才能够实现。随着通信技术的发展以及智能电网技术的不断深入研究，现代电力系统已经逐渐发展为由电力系统和通信系统相互耦合的网络系统。通信系统的丢包、延时增加或者故障等不确定性都会对电力系统造成重大影响，甚至导致大规模停电事故的发生。

为了能够评估通信系统对电力系统所造成的影响，仿真是解决问题的关键。目前，在通信系统和电力系统两个领域的仿真已经取得了很大的成果，但是这些仿真都是独立的，无法同时对通信系统和电力系统进行仿真。如果重新开发一种能够适合通信和电力系统同时仿真的软件，即耗费时间又花费巨大，所以开始有人提出了通信和电力系统的联合仿真。

已有学者研究的各种联合仿真方法重点基本在联合仿真平台的结构和数据交换、时间同步等关键技术，有些对其具体的使用方法和最终的结果分析进行了介绍。但是它们都没有考虑通信系统和电力系统的随机性，对其结果分析中也缺乏随机性的讨论。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真平台及方法，针对上述存在问题进行了修正，并对仿真结果进行了概率性的统计分析。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真平台，包括电力系统仿真器和通信系统仿真器，通过一个联合仿真协调器将电力系统仿真器和通信系统仿真器整合在一起，实现对两者的控制、数据交换以及时间同步，

其中，

时间同步是指：联合仿真协调器控制电力系统仿真器运行，如果在时刻[t₀]处联合仿真协调器检测到电力系统的潮流或者频率发生了变化，则驱动通信系统仿真器进行仿真，此时电力系统仿真器暂停运行，等待通信系统仿真器反馈的数据，当通信系统仿真结束以后，暂停运行，并通过联合仿真协调器将通信控制向量数据[T]反馈到电力系统仿真器中，电力系统仿真器接收到控制向量数据[T]，开始运行仿真至时刻[t₁]=[t₀]+[T]，此后电力系统继续运行仿真，在[t₂]处又检测到电力系统的变化，重复上述过程，其中[A]这种形式表示向量。

所述电力系统仿真器基于OpenDSS，所述通信系统仿真器基于OPNET。

所述数据交换包括：

（a）联合仿真协调器与OpenDSS通过COM接口的数据交换；

（b）联合仿真协调器与OPNET通过外部系统域的数据交换。

本发明同时提供了一种基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真方法，主要包括如下步骤：

步骤（1）：联合仿真协调器控制电力系统仿真器运行，对初始电力系统状态[x₀]进行仿真，产生出用于控制和通信的状态数据，仿真结束后的时间记为[t₀]；

步骤（2）：通信系统仿真器进行仿真，确定出所有可能的通信事件，并获得控制动作时间[T]；

步骤（3）：联合仿真协调器将通信仿真得到的控制动作时间[T]反馈到电力系统仿真器，使电力系统开始运行至[t₁]=[t₀]+[T]，此时得出电力系统的新的状态[X₁]，对其进行分析；

步骤（4）：电力系统仿真器再继续仿真，到下一个量测时间点t₂获得电力系统的状态判断t₂是否稳定运行，如果不是则返回步骤（2），从[X₁]开始仿真；

上述各个步骤中，以[A]这种形式表示向量，仿真结果的分析采用概率统计方法。

与现有技术相比，本发明在联合仿真的过程中，考虑了通信过程中的各种随机性情况，并且本发明具有实用性和可推广性。

附图说明：

图1是本发明联合仿真流程图。

图2是本发明联合仿真平台框架。

图3是本发明OpenDSS的结构框图。

图4是本发明联合仿真的时间同步方法。

图5是本发明OPNET联合仿真结构及数据交换示意图。

图6是本发明IEEE13节点统示意图。

图7是本发明通信系统拓扑结构图。

图8是本发明联合仿真的分析结果。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案做详细说明。

为便于理解，本发明以[A]这种形式表示向量。

如图1所示，本发明的联合仿真方法流程包括如下主要步骤：

步骤（1）：联合仿真协调器控制电力系统仿真器运行，对初始电力系统状态[x₀]进行仿真，产生出用于控制和通信的状态数据，仿真结束后的时间记为[t₀]；

步骤（2）：通信系统仿真器进行仿真，确定出所有可能的通信事件，并获得控制动作时间[T]；

步骤（3）：联合仿真协调器将通信仿真得到的控制动作时间[T]反馈到电力系统仿真器，使电力系统开始运行至[t₁]=[t₀]+[T]，此时得出电力系统的新的状态[X₁]，对其进行分析；

步骤（4）：电力系统仿真器再继续仿真，到下一个量测时间点t₂获得电力系统的状态判断t₂是否稳定运行，如果不是则返回步骤（2），从[X₁]开始仿真。

基于上述方法流程，本发明的联合仿真平台框架如图2所示，通过一个中间协调器（Coordinator）将通信系统仿真器和电力系统仿真器整合在一起，实现对两者的控制、数据交换传输以及时间同步。本发明中采用的电力系统仿真器是OpenDSS，而通信系统仿真器是OPNET。

本发明联合仿真平台的关键组件主要包括OpenDSS和OPNET。

（1）OpenDSS（The Open Distribution System Simulator）是针对配电系统的综合电力系统仿真工具。OpenDSS可以应用在配电网设计和分析、一般多相交流电路分析、分布式发电互联的分析、谐波与间谐波分析、光伏发电系统仿真等领域，而且还有如蒙特卡罗法等多种潮流解决模式。OpenDSS既可以作为一个独立的仿真引擎进行仿真，也可以通过进程内的COM接口由多种现存的软件平台进行驱动。OpenDSS的结构如图3所示，对其进行简单描述。

（2）OPNET是目前最先进的通信网络仿真开发的平台之一。它采用网络域、节点域和进程域三层建模机制，不仅支持面向对象的建模方式，还提供图形化的操作界面。OPNET本身充分考虑了通信系统的随机性问题，随机到达的业务、经过信道传输后包含随机误码的信号、数据包等这些都可以看做是仿真系统的驱动力，从而使得OPNET可以很容易的对通信系统的无线信道噪声、设备故障等多种随机情况进行模拟。

本发明联合仿真平台的关键技术包括两方面：时间同步以及数据交换。

（1）联合仿真的时间同步

联合仿真的时间同步方法如图4所示。具体的方法是：首先由联合仿真协调器控制电力系统仿真器运行，在时刻[t₀]处联合仿真协调器检测到电力系统的潮流或者频率等发生了变化，就会驱动通信系统仿真器进行仿真。这时，电力系统仿真器暂停运行，等待通信系统仿真器反馈的数据。当通信系统仿真结束以后，暂停运行，并通过联合仿真协调器将通信控制向量数据[T]反馈到电力系统仿真器中。电力系统仿真器接收到控制向量数据[T]，开始运行仿真至时刻[t₁]=[t₀]+[T]。此后电力系统继续运行仿真，在[t₂]处又检测到电力系统的变化，于是重复上述过程。

（2）联合仿真的数据交换

数据交换在联合仿真平台的运行中非常重要，本发明采用的方法是通过中间协调器，对两者的输出数据进行读取使得数据在两个仿真器之间交换。具体的如下：

（a）与OpenDSS的数据交换

OpenDSS可以通过COM接口由许多种外部程序驱动，这不仅提供了强有力的额外的分析能力，也提供了显示结果的完美图表。OpenDSS的许多结果可以通过COM接口以及各种输出文件重新取回。它输出的文件是CSV格式写入的，这有利于导入其他工具来进行后续处理。从而，联合仿真协调器和OpenDSS的数据交换是通过COM接口来进行的。

（b）与OPNET的数据交换

OPNET为其与外部程序交换通信数据提供了高层体系结构HLA(HighLevel Architecture)和外部系统域（External System Domain）2种方法，比较简单和实用的是后者。外部系统不仅具有发送和处理数据包的功能，还可以与额外的程序代码进行交互。于是通过外部系统接口，就可以实现OPNET和联合仿真协调器之间的双向的数据交换。图5表示的是OPNET的联合仿真结构图以及数据交换示意图。

下面以IEEE13节点为例说明专利说明书中叙述的仿真方法。如图6所示，假设t=0.01s在线路684671之间发生了A、C两相短路故障。本系统的继电保护装置采用的是多代理远程后备保护。在节点671处的继电器代理可以正常的发现故障，但是在另一端节点684处的继电器代理由于故障或者错误的继电器设置而没有发现故障。在这种情况下，节点611和652的继电器代理就成为了后备保护，它们将向主代理（位于节点632处）发送请求并等待主代理的决定。主代理从其他代理收集信息，经过判断以后作出决定，并把控制信息发送给位于节点611和652的继电器代理，使其动作从而切除故障。基于此种情况，具体的实施步骤如下：

步骤（1）构建电力系统模型

根据IEEE13节点的结构图以及上述假设的情况，在OpenDSS中构建电力系统的模型。

步骤（2）构建通信系统模型

根据上述假设中的电力系统的保护需要，搭建适合当前电力系统保护的通信系统模型。在OPNET中，根据通信系统的实际情况，选择合适的模型元件，配置好各个元件的参数。构建的通信系统的模型拓扑如图7所示。

步骤（3）联合仿真协调器控制联合仿真运行

构建好电力系统和通信系统的仿真模型以后，联合仿真协调器将控制联合仿真运行，并输出结果。

步骤（4）结果分析

为了考虑通信系统的随机性，需要对通信和电力系统的耦合网络进行大量的仿真，利用统计的方法对结果分析。由于继电保护对时间的要求特别高，延时越短越好，所以本发明假设后备保护延时的最长时间为0.01s，于是最坏的情况是在t=0.02s时将故障切除。在联合仿真的过程中，运行1000次，并取t=0.021s时的电压，对其进行分析。由于OpenDSS是按照A、B、C三相输出结果，为简便起见，只讨论C相的结果。影响通信系统延时的参数有数据包的大小、链路背景利用率、高层协议等。本发明将只讨论数据包的大小可能会对电力系统造成的影响。将数据包的大小设定为500Bytes，仿真以后的结果如图8（a）所示。

步骤（5）改变通信系统参数并进行仿真

前述步骤进行了联合仿真的过程，为了研究通信系统可能对电力系统造成的影响，需要改变通信系统的参数，进行再次仿真并统计改变后的参数对电力系统的影响。本发明将通信的数据包的大小参数分别改为1000Bytes、1500Bytes，重复步骤（3）——步骤（5），得到仿真结果如图8（b）、（C）所示。由结果分析可知，在通信数据的传输过程中，数据包的大小会影响电力系统的稳定、可靠性，从而在设计通信系统时不能将传输的数据包设置过大。

Claims (4)

1.基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真平台，包括电力系统仿真器和通信系统仿真器，其特征在于，通过一个联合仿真协调器将电力系统仿真器和通信系统仿真器整合在一起，实现对两者的控制、数据交换以及时间同步，

其中，

时间同步是指：联合仿真协调器控制电力系统仿真器运行，如果在时刻[t₀]处联合仿真协调器检测到电力系统的潮流或者频率发生了变化，则驱动通信系统仿真器进行仿真，此时电力系统仿真器暂停运行，等待通信系统仿真器反馈的数据，当通信系统仿真结束以后，暂停运行，并通过联合仿真协调器将通信控制向量数据[T]反馈到电力系统仿真器中，电力系统仿真器接收到控制向量数据[T]，开始运行仿真至时刻[t₁]＝[t₀]+[T]，此后电力系统继续运行仿真，在[t₂]处又检测到电力系统的变化，重复上述过程，其中[A]这种形式表示向量。

2.根据权利要求1所述电力和通信系统耦合仿真平台，其特征在于，所述电力系统仿真器基于OpenDSS，所述通信系统仿真器基于OPNET。

3.根据权利要求2所述电力和通信系统耦合仿真平台，其特征在于，所述数据交换包括：

(a)联合仿真协调器与OpenDSS通过COM接口的数据交换；

(b)联合仿真协调器与OPNET通过外部系统域的数据交换。

4.基于应用集成的电力和通信系统耦合仿真方法，主要包括如下步骤：

步骤(1)：联合仿真协调器控制电力系统仿真器运行，对初始电力系统状态[x₀]进行仿真，产生出用于控制和通信的状态数据，仿真结束后的时间记为[t₀]；

步骤(2)：通信系统仿真器进行仿真，确定出所有可能的通信事件，并获得控制动作时间[T]；

步骤(3)：联合仿真协调器将通信仿真得到的控制动作时间[T]反馈到电力系统仿真器，使电力系统开始运行至[t₁]＝[t₀]+[T]，此时得出电力系统的新的状态[X₁]，对其进行分析；

步骤(4)：电力系统仿真器再继续仿真，到下一个量测时间点t₂获得电力系统的状态判断t₂是否稳定运行，如果不是则返回步骤(2)，从[X_l]开始仿真；

上述各个步骤中，以[A]这种形式表示向量，仿真结果的分析采用概率统计方法。

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