CN103279892A - 仿真运行管理服务器及其仿真对象发现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电力系统仿真应用的仿真运行管理服务器，同时也公开了基于该仿真运行管理服务器实现的仿真对象发现方法。在本发明中，仿真应用按照面向对象的方法进行封装，构建电力仿真对象，当某个仿真应用加入电网仿真系统时，仿真应用通过公布/订购机制向电网仿真系统公布能够提供和接收的数据及操作，通过回调机制自动发现它所需的全部仿真对象并获取仿真对象的当前状态，其它仿真应用也同时获取新的仿真应用对外公布的仿真对象及状态。基于这种方法实现的电网仿真系统，接收者无需知道仿真对象的位置以及提供这种能力的仿真应用，具有位置透明和即插即用的特点，可以用于快速构建复杂的电网仿真系统。

Description

仿真运行管理服务器及其仿真对象发现方法

技术领域

本发明涉及一种用于电力系统仿真应用的仿真运行管理服务器，同时也涉及基于该仿真运行管理服务器实现的仿真对象发现方法，属于电力系统仿真技术领域。

背景技术

随着电力系统自动化技术的发展，电力系统仿真工作不断面临各种新的技术要求，对电网仿真系统的功能要求越来越高。现在使用的电网仿真系统很多采用面向功能（function-oriented）的方法设计，当需要不断扩展和修改功能时，修改工作量很大，容易导致系统冗余增大，结构变得复杂而且利用率下降，修改费用高。

面向对象（object-oriented）方法公认是解决上述问题的有效技术手段。由于对象系统结构与解题系统既有相互独立性（封装性）又相互联系，因此可保证软件系统不断扩展和维修。因为电力系统是一个复杂的大规模系统，建模所需的数据量十分庞大，结构很复杂。仿真模型必须随应用功能的改变而变化。仿真模型的规模、结构也将随电力系统发展而经常改变。拟定一个以面向对象技术为指导的模型方案需要反复研究与探索。面向对象技术引入电力系统仿真软件对软件的开发有重要意义，但仍有许多具体问题需要研究与探索，例如电力系统仿真的建模、面向对象在数值计算中的应用等。

在专利号为ZL200910177649.X的中国发明专利中，公开了一种模块化对象的公布和发现技术。在该技术方案中，具有操作需求的对象可以与具有满足那些操作需求的能力的主机绑定(匹配可以自动发生，也可以通过使用者的操作发生)。一旦匹配了，可以向与所述对象相关的使用者呈现不同的功能。为了帮助使用者，所述对象可以包括外部参考、逻辑、局部或私有数据，也包括除了资源之外的其他。为了便利操作，可以在可由不同实体访问的目录中公布能力和资源(有时具有安全限制，以保护配置完整性)。同样地，可以使用预订系统，以便当对相关实体做出改变时，通知可以传递到相关实体并且操作可以基于改变而变化。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于电力系统仿真应用的仿真运行管理服务器。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供基于该仿真运行管理服务器实现的仿真对象发现方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种仿真运行管理服务器，包括仿真应用管理模块、声明管理模块、对象管理模块、所有权管理模块、数据分发管理模块以及时间管理模块；其中，

所述仿真应用管理模块为仿真应用提供加入、退出的功能接口；

所述声明管理模块用于提供仿真对象类的公布和订购管理；

所述对象管理模块接收、管理全部进程创建的仿真对象，并根据仿真进程的订购信息将仿真对象的创建、删除事件通知订购进程；

所述所有权管理模块用于实现对象实例属性的所有权在仿真程序之间转移，使得一个对象实例的多个属性分由多个仿真程序进行管理；

所述数据分发管理模块用于实现数据订购者和接收者的自动匹配和传输；

所述时间管理模块用于保证在电网仿真系统中事件发生的时间序列和真实电网系统中事件发生的时间序列相一致。

其中较优地，所述仿真运行管理服务器的内部组件包括本地组件和核心组件；

所述本地组件以链接库的形式嵌入到仿真应用中，所述仿真应用通过所述本地组件的接口申请功能服务；

所述本地组件将该申请提交给所述核心组件，在接收到所述核心组件发来的信息后，以回调的形式通知所述仿真应用。

其中较优地，所述仿真应用中具有本地组件，所述仿真运行管理服务器具有核心组件，各所述本地组件与所述核心组件之间使用交互接口，通过网络进行交互。

其中较优地，所述数据分发管理模块采用基于类和/或基于值的数据过滤手段提高数据传输效率。

一种仿真对象发现方法，基于上述的仿真运行管理服务器实现，其特征在于包括如下步骤：

（1）提供统一的接口函数按照面向对象的方法封装仿真应用，构成应用级的电力仿真对象；

（2）根据所述仿真应用包含的仿真对象和交互事件定义对象类和交互类，建立仿真对象模型库；

（3）所述仿真应用加入电网仿真系统时，通过所述接口函数向仿真运行管理服务器公布/订购对象类和交互类，所述仿真运行管理服务器管理对象类、交互类及对象实例，根据公布/订购关系进行生产者和消费者的匹配，并将匹配结果通知订购者，订购者通过回调函数获得订购的类句柄和对象实例句柄；

（4）所述仿真应用通过所述接口函数发送仿真对象状态和交互操作事件，根据所获取的仿真对象状态和交互操作事件调整自身的工作状态和行为，推进电网仿真系统的运行。

其中较优地，所述仿真应用的交互接口符合HLA接口规范、交互内容符合HLA对象模型的模板要求、交互方式符合HLA规则。

其中较优地，所述仿真运行管理服务器提供统一的通信接口、数据描述格式和交互方式，实现仿真应用之间的数据交换和管理。

其中较优地，所述仿真运行管理服务器根据公布/订购关系进行数据分发，通过回调函数将仿真对象状态和交互操作事件通知订购者。

其中较优地，所述仿真应用退出时，通过所述接口函数删除创建的对象类、交互类和对象实例，所述仿真运行管理服务器将删除消息发送到各个相关仿真应用。

其中较优地，所述电力仿真对象封装所述仿真应用运行所需的数据、交互操作事件接口和模拟计算功能。

本发明所提供的仿真运行管理服务器及其仿真对象发现方法，其接口规范、模型表达、交互方式遵循高层体系结构规范，对象模型的交互内容遵循IEC61970标准，具有高开放性和可扩展性、高效的通信效率、仿真应用位置透明性、对象自动发现等特点，可以方便高效地支持电网仿真系统的开发和管理。

附图说明

图1为各个仿真应用之间的逻辑关系示意图；

图2为仿真运行管理服务器中的核心组件在创建仿真执行之后的内部数据结构图；

图3为声明管理模块的内部数据结构图；

图4为对象管理模块的内部数据结构图；

图5为发布者与订购者的区域重叠示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

在电力系统仿真应用中，为了解决应用级的重用问题，易于电网仿真系统的集成、管理、快速组合和重新配置，为开发大型的、复杂的分布式电网仿真系统提供支持。本发明采用了基于高层体系结构（High Level Architecture，简写为HLA）的仿真运行管理服务器。具体说明如下：

高层体系结构是新一代分布交互仿真国际标准，由三部分组成：

●HLA规则：HLA规则定义了在电网仿真系统(即“联邦（Federation）”)设计阶段必须遵循的基本准则，描述电网仿真系统和仿真成员(即“联邦成员”)的职责，保证电网仿真系统运行阶段仿真成员之间能够正确进行交互。

●对象模型模板（Object Model Template，简写为OMT）：定义了一套描述HLA对象模型的规则，是实现电网仿真系统信息交互和互操作的基础。

●HLA接口规范：定义了系统运行过程中支持仿真成员之间互操作的标准服务及功能接口，是开发仿真运行管理服务器的依据。

仿真运行管理服务器完全遵循高层体系结构规范，通过标准化的技术规范确保了仿真运行管理服务器实现的功能与具体应用系统无关，具有通用性、开放性和易扩展的特点，并且实现了不同类型、不同时间推进机制的仿真应用之间的互操作。从体系结构上解决了仿真应用的重用性和互操作性，易于新的电网仿真系统的集成、管理和重构，是复杂协同电网仿真系统的理想支撑环境。

仿真运行管理服务器采用层次化体系结构，分为接口描述层、内部RTI（Run-Time Infrastructure，运行支撑环境）组件、网络抽象层。其中，接口描述层将仿真运行管理服务器所能提供的服务按照接口规范进行封装；内部RTI组件（简称内部组件）是驱动仿真运行管理服务器运转的核心模块；网络抽象层提供了支持不同操作系统、网络设备的通信服务。

仿真运行管理服务器的内部组件也采用层次式结构，分为本地RTI组件（简称本地组件）和核心RTI组件（简称核心组件）两部分。本地组件以链接库的形式嵌入到仿真应用中，仿真应用通过本地组件的标准接口申请功能服务。本地组件在本地处理这一服务请求或者将该申请提交给核心组件，本地组件循环读取核心组件发来的处理信息。本地组件接收到核心组件发来的信息后，以回调的形式通知仿真应用。

各个仿真应用之间的逻辑关系如图1所示。仿真应用1、仿真应用2……仿真应用n分别具有各自的本地组件。仿真运行管理服务器具有核心组件。各本地组件与核心组件之间使用交互接口，通过网络进行交互。该交互接口符合HLA接口规范，交互内容符合HLA对象模型的模板要求，交互方式符合HLA规则。各仿真应用之间不直接通信，所有网络通信功能集中由仿真运行管理服务器实现。各个仿真应用向仿真运行管理服务器发出某种接口服务的功能调用，仿真运行管理服务器负责根据系统中各个仿真应用的需求，调度整个电网仿真系统中的数据分布，从而实现了只将变化的信息发送到需要的地方。

仿真运行管理服务器包括仿真应用管理模块、声明管理模块、对象管理模块、所有权管理模块、数据分发管理模块以及时间管理模块等功能模块，具体说明如下：

（1）仿真应用管理模块

在一个仿真运行管理服务器中可以运行多套电网仿真系统，每套系统称一个仿真执行。它可以包含分布在不同或相同计算机上的许多应用程序（即仿真应用），仿真应用管理模块为仿真应用提供加入、退出的功能接口，以及建立、撤销、管理仿真应用环境的接口，同时提供同步管理功能，实现分布式环境下的进程间的同步策略。

图2是仿真运行管理服务器中的核心组件在创建仿真执行之后的内部数据结构图。每个仿真执行在仿真执行队列中有一个仿真执行节点，每个仿真执行节点对应相应的成员信息队列、同步成员队列、控制成员队列，核心组件根据这些队列中的信息实现仿真执行的创建/撤销、仿真应用的加入/退出、同步管理、时间协调管理。

（2）声明管理模块

声明管理模块用于提供仿真对象类的公布和订购管理，自动把类的发布订购消息通知给发布者和订购者。仿真进程使用声明管理模块提供的服务来声明它们可以产生和希望接收的信息。仿真进程在创建对象实例、更新属性值之前，需要调用合适的声明管理模块服务通知电网仿真系统自己可以创建哪种类型的对象并更新它们的属性。仿真进程在获取对象实例、接收实例属性值之前，也必须调用适当的声明管理模块服务和数据分发管理模块服务。

声明管理模块的内部数据结构如图3所示，包括对象类队列ObjectClassSet、交互类列表InteractionSet、路径空间类列表RouteSpace、区域类列表RegionImp等。其中，核心组件在处理发布对象类服务接口时，在ObjectClassSet链表中的相应节点创建其目标类属性队列ObjectClassAttribute，同时根据订购的属性，将联邦成员加入到ObjectClassAttribute队列中的Publisher队列中；在处理订购对象类服务接口时，根据订购的属性，将联邦成员加入到ObjectClassAttribute队列中的Subscriber队列中。

同样，核心组件在处理发布交互类服务接口时，将联邦成员加入到InteractionSet队列中相应节点的Publisher队列中；在处理订购交互类服务接口时，将联邦成员加入到InteractionSet队列中相应节点的Subscriber队列中。

（3）对象管理模块

对象管理模块为仿真进程创建对象、发现对象、删除对象、发送数据、接收数据提供支持和管理。对象管理模块接收、管理整个电网仿真系统中全部进程创建的仿真对象，并根据仿真进程的订购信息把仿真对象的创建、删除事件通知订购进程，对象数据的更新也通过对象管理模块自动发送给接收者，数据接收进程和发送进程无需知道对方在系统中的什么地方，也不知道仿真对象由谁创建，具有位置透明性。

对象管理模块的内部数据结构图4所示。核心组件在处理目标对象类服务接口时，根据对象类句柄找到相应的ObjectClass节点，从该类派生出一个目标节点Object，并将其加入到ObjectSet队列中；根据对象所声明的属性句柄，在ObjectClassAttribute队列中找到相应节点，同时生成各目标属性节点，加入到ObjectAttribute队列中。

同样，核心组件在处理交互类服务接口时，根据交互类句柄找到相应的InteractionClassSet节点，从该类派生出一个目标节点Interaction，并将其加入到核心组件中的Interaction队列中；将交互所声明的参数依次加入到Interaction节点的参数队列中。

（4）数据分发管理模块

数据分发管理模块用于实现数据订购者和接收者的自动匹配和传输，它通过基于类和/或基于值的数据过滤手段来提高数据传输效率。

基于类的数据过滤采用兴趣管理技术实现。在声明管理模块中，仿真进程通过订购对象类表达自己的兴趣，通过发布对象类表明自己的能力。仿真进程只能产生自己所发布的对象类的实例数据，只会“发现”那些满足订购要求、由其它仿真进程产生的对象类实例的数据。数据分发管理模块将对象的消息主动转发到那些在声明中就已说明对此消息感兴趣的对象，从发送端限制数据的发送范围，有效地降低总线上数据的流量，提高网络数据的传输效率。

基于值的数据过滤的基本概念是路径空间（Routing Space）。仿真进程创建路径空间类的对象，在发送数据时，为路径空间对象赋值，将数据及路径空间的值一起发送给仿真运行管理服务器，接收进程订购对象类的属性时，也将路径空间的值发送给仿真运行管理服务器，数据分发服务根据路径空间的值自动完成发送者和订购者的匹配，实现数据的高效传输。

仿真运行管理服务器采用区域法来实现基于值的数据过滤。具体地说，一个对象实例可以将自己的属性与多个区域相关联，首先实现一个区域的过滤，而后扩充到多个区域的过滤中。一个区域可用空间的维来定义它，对于只有两个属性的对象类而言，其相关联的就是二维空间，对于只有n个属性的对象类而言，其相关联的就是n维空间。一个区域的大小可通过定义每一维的上限和下限来规定，如二维的区域，可定义X维的最小值和最大值，以及Y维的最小值和最大值，这样在图中就是一个矩形区域，如图5所示。每一订购者包含自己的订购区域，当发布者更新的区域有重叠时，核心组件会选中该订购者，并将更新信息发送给该订购者。

（5）时间管理模块

时间管理模块的主要任务是保证在电网仿真系统中事件发生的时间序列和真实电网系统中事件发生的时间序列相一致，使各个仿真进程能够以同样的时间序列感知到事件的发生，并能协调它们之间相关的活动。

仿真应用采用适当的时间推进策略，通过时间管理模块的协调，能够实现分布式环境下仿真时间的协同推进，保证电网仿真系统的时空一致性，实现电网仿真系统的正确运行。

（6）所有权管理模块

所有权管理模块用于实现对象实例属性的所有权在仿真程序之间转移，使得一个对象实例的多个属性分由多个仿真程序进行管理。仿真运行管理服务器只允许拥有对象实例属性所有权的仿真程序才可以更新该对象实例的属性，从而提供了一种在分布式环境下解决仿真负载平衡的方法。

上述仿真运行管理服务器的接口规范、模型表达、交互方式遵循高层体系结构规范，对象模型的交互内容遵循IEC61970标准，具有高开放性和可扩展性、高效的通信效率、仿真应用位置透明性、对象自动发现等特点，可以方便高效地支持电网仿真系统的开发和管理。在此基础上，仿真应用按照面向对象的方法进行封装，构建电力仿真对象，当某个仿真应用加入电网仿真系统时，仿真应用通过公布/订购机制向电网仿真系统公布能够提供和接收的数据及操作，通过回调机制自动发现它所需的全部仿真对象并获取仿真对象的当前状态，其它仿真应用也同时获取新的仿真应用对外公布的仿真对象及状态。基于这种方法实现的电网仿真系统，接收者无需知道仿真对象的位置以及提供这种能力的仿真应用，具有位置透明和即插即用的特点，可以用于快速构建复杂的电网仿真系统。

下面，对基于上述仿真运行管理服务器实现的仿真对象发现方法进行详细的说明。

首先，提供统一的接口函数按照面向对象的方法封装仿真应用，构成应用级的电力仿真对象。在这个过程中，仿真应用按照高层体系结构规范的要求进行封装，即，交互接口符合HLA接口规范、交互内容符合HLA对象模型的模板要求、交互方式符合HLA规则。而电力仿真对象封装了仿真应用运行所需的数据、交互操作事件接口、模拟计算功能。

接着，根据仿真应用包含的仿真对象和交互事件定义对象类和交互类，建立仿真对象模型库。该对象模型库的表达遵循HLA对象模型模板规范的要求。对象模型的交互内容符合IEC61970标准。

仿真运行管理服务器提供统一的通信接口、数据描述格式和交互方式，实现仿真应用之间的数据交换和管理。该仿真运行管理服务器可以部署在网络上的任何一台计算机上，仿真应用通过统一的接口函数向仿真运行管理服务器请求创建对象类、交互类、对象实例等数据列表，仿真运行管理服务器统一管理和维护数据列表。

仿真应用加入电网仿真系统时，仿真应用通过统一的接口函数向仿真运行管理服务器公布/订购对象类和交互类；通过统一的接口函数创建电力仿真对象实例。仿真应用公布对象类和交互类时，如果仿真运行管理服务器不存在该类，则仿真运行管理服务器创建一个新的对象类加入类列表，并将类的句柄发送给订购该对象类的仿真应用，仿真应用通过类的句柄对类进行操作。仿真应用创建对象实例时，如果仿真运行管理服务器中不存在同名对象实例，则创建一个新的对象实例，并将对象实例句柄发送给发布/订购了该对象类的仿真应用，如果同名对象实例已经存在，则创建对象实例失败。

仿真运行管理服务器管理对象类、交互类及对象实例，根据公布/订购关系进行生产者和消费者的匹配，并将匹配结果通知订购者，订购者通过回调函数自动获得订购的类句柄和对象实例句柄。对象类、交互类及对象实例都由仿真运行管理服务器管理，仿真运行管理服务器实行回调机制，能够自动把增加或删除的对象类、交互类、对象实例发送给仿真应用。

仿真应用通过统一的接口函数发送仿真对象状态和交互操作事件，仿真运行管理服务器根据公布/订购关系进行数据分发，通过回调函数将仿真对象状态和交互操作事件通知订购者。数据分发具有基于类和/或基于值的数据过滤能力，例如基于值的数据过滤以“厂站名称”为过滤条件对数据进行分发。数据分发通过仿真运行管理服务器实现，在数据分发过程中采用了回调机制。仿真运行管理服务器自动匹配发送者和接收者，将变化数据发送给适当的接收者。

仿真应用根据所获取的仿真对象状态和交互操作事件调整自身的工作状态和行为，推进电网仿真系统的运行。仿真应用根据所获取的仿真对象状态和交互操作事件调整自身的工作状态和行为，进一步包括：向电网仿真系统发送状态变化事件或行为事件，触发电网仿真系统进一步运行，达到仿真应用的即插即用。

仿真应用退出时，通过统一的接口函数删除创建的对象类、交互类和对象实例，仿真运行管理服务器将删除消息发送到各个相关仿真应用。仿真应用删除对象类和交互类时，只有当电网仿真系统中没有仿真应用公布该对象类和交互类时才从仿真运行管理服务器管理的类列表中删除类句柄。

上面对本发明所提供的仿真运行管理服务器及其仿真对象发现方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种仿真运行管理服务器，其特征在于：

所述仿真运行管理服务器包括仿真应用管理模块、声明管理模块、对象管理模块、所有权管理模块、数据分发管理模块以及时间管理模块；其中，

所述仿真应用管理模块为仿真应用提供加入、退出的功能接口；

所述声明管理模块用于提供仿真对象类的公布和订购管理；

所述对象管理模块接收、管理全部进程创建的仿真对象，并根据仿真进程的订购信息将仿真对象的创建、删除事件通知订购进程；

所述所有权管理模块用于实现对象实例属性的所有权在仿真程序之间转移，使得一个对象实例的多个属性分由多个仿真程序进行管理；

所述数据分发管理模块用于实现数据订购者和接收者的自动匹配和传输；

所述时间管理模块用于保证在电网仿真系统中事件发生的时间序列和真实电网系统中事件发生的时间序列相一致。

2.如权利要求1所述的仿真运行管理服务器，其特征在于：

所述仿真运行管理服务器的内部组件包括本地组件和核心组件；

所述本地组件以链接库的形式嵌入到仿真应用中，所述仿真应用通过所述本地组件的接口申请功能服务；

所述本地组件将该申请提交给所述核心组件，在接收到所述核心组件发来的信息后，以回调的形式通知所述仿真应用。

3.如权利要求1或2所述的仿真运行管理服务器，其特征在于：

所述仿真应用中具有本地组件，所述仿真运行管理服务器具有核心组件，各所述本地组件与所述核心组件之间使用交互接口，通过网络进行交互。

4.如权利要求1所述的仿真运行管理服务器，其特征在于：

所述数据分发管理模块采用基于类和/或基于值的数据过滤手段提高数据传输效率。

5.一种仿真对象发现方法，基于权利要求1所述的仿真运行管理服务器实现，其特征在于包括如下步骤：

（1）提供统一的接口函数按照面向对象的方法封装仿真应用，构成应用级的电力仿真对象；

（2）根据所述仿真应用包含的仿真对象和交互事件定义对象类和交互类，建立仿真对象模型库；

（3）所述仿真应用加入电网仿真系统时，通过所述接口函数向仿真运行管理服务器公布/订购对象类和交互类，所述仿真运行管理服务器管理对象类、交互类及对象实例，根据公布/订购关系进行生产者和消费者的匹配，并将匹配结果通知订购者，订购者通过回调函数获得订购的类句柄和对象实例句柄；

（4）所述仿真应用通过所述接口函数发送仿真对象状态和交互操作事件，根据所获取的仿真对象状态和交互操作事件调整自身的工作状态和行为，推进电网仿真系统的运行。

6.如权利要求5所述的仿真对象发现方法，其特征在于：

所述仿真应用的交互接口符合HLA接口规范、交互内容符合HLA对象模型的模板要求、交互方式符合HLA规则。

7.如权利要求5所述的仿真对象发现方法，其特征在于：

所述仿真运行管理服务器提供统一的通信接口、数据描述格式和交互方式，实现仿真应用之间的数据交换和管理。

8.如权利要求5所述的仿真对象发现方法，其特征在于：

所述仿真运行管理服务器根据公布/订购关系进行数据分发，通过回调函数将仿真对象状态和交互操作事件通知订购者。

9.如权利要求5所述的仿真对象发现方法，其特征在于：

所述仿真应用退出时，通过所述接口函数删除创建的对象类、交互类和对象实例，所述仿真运行管理服务器将删除消息发送到各个相关仿真应用。

10.如权利要求5所述的仿真对象发现方法，其特征在于：

所述电力仿真对象封装所述仿真应用运行所需的数据、交互操作事件接口和模拟计算功能。

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