CN104570768A - 基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统。包括配电自动化和能量管理系统、区域集中控制器、远程数据终端、底层DSP控制器以及内部构建有虚拟一次设备的Rt-Lab仿真机，Rt-Lab仿真机中的每个虚拟一次设备均对应连接有一个远程数据终端或一个底层DSP控制器，区域集中控制器与各个远程数据终端和底层DSP控制器连接，配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器连接。本发明具有较高的灵活性、可靠性和综合性，可以对包含新能源发电、网络物理故障、网络信息故障、配网自动化等一系列复杂模型的电力系统实现有效的仿真模拟与验证扩展，具有广阔的应用前景。

Description

基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及一种工业仿真系统，尤其是涉及电力信息物理系统（cyber physical system，CPS）架构的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统。

背景技术

随着电网规模的不断扩大，电网运行状态日益复杂、运行难度逐渐变大、对电网可靠性要求越来越高。为了保证电力系统可靠、安全、经济地运行，在规划、分析和研究电力系统时必须完整地考察实际电力系统的静态特性和动态特性。传统的分析方法很难准确描述这些特性，并预测可能发生的事故。同时，电力系统本身的特殊性又决定了难以采用试验的方法来实现系统的分析，必须借助于仿真手段。这就需要一个强有力的仿真工具来分析实际电力系统的运行情况。因此，仿真技术研究成为电力系统分析中一种新的潮流。

Rt-Lab是一种分布式实时仿真系统。它能在较短的时间内，以较低的成本将Simulink或SystemBuild动态模型移植到硬件实时在线仿真系统中，从而简化了仿真设计的过程。无论是用来实现硬件在环仿真，还是用来实现快速动态原型，它的灵活性都足以运用到最复杂的仿真和控制问题中。

OPNET是一种网络仿真技术软件包。运用OPNET可以方便地对网络拓扑结构和通信协议进行配置，并可以对网络中的设备进行设计和选择，这大大增加了网络通信的灵活性与自主性。

Rt-Lab与OPNET分别在电力系统仿真与通信网络仿真方面有着广泛的应用。及时、高效、灵活的数据分析显示是后续分析和处理工作的基础。因此，目前缺少一个融合一次设备、各层次控制装置、通信设备、配电自动化和EMS设备的半实物仿真系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，对包含一次设备、通信设备、各层次控制控制装置、配电自动化和EMS的复杂电力系统进行实时模拟仿真测试，可以为配电网设计和改进提供大量的技术参考数据。本发明基于电网模块化设计和数学建模，结合实际的物理系统，具有广泛适用性，以便为现有的电力系统设计提供技术支持，有助于电力系统的分析与调试、通信网络的设计以及软件测试等。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案。

本发明包括配电自动化和能量管理系统、区域集中控制器、远程数据终端、底层DSP控制器以及内部构建有虚拟一次设备的Rt-Lab仿真机，Rt-Lab仿真机中的每个虚拟一次设备均对应连接有一个远程数据终端或一个底层DSP控制器，区域集中控制器与各个远程数据终端和底层DSP控制器连接，配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器连接；

远程数据终端，监测虚拟一次电网的运行状态数据，并向虚拟一次电网发送电网控制信号；

底层DSP控制器，监测虚拟一次设备的运行状态数据，并向虚拟一次设备发送一次控制信号；

区域集中控制器，接收配电自动化和能量管理系统的调度信号并处理为二次控制信号，接收并处理来自远程数据终端和底层DSP控制器的监测数据，向底层DSP控制器发送二次控制信号，向远程数据终端发送电网控制信号；

配电自动化和能量管理系统，向区域集中控制器发送调度信号，同时接收并处理来自区域集中控制器的运行状态数据。

所述的配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器之间、区域集中控制器与各个远程数据终端之间或者区域集中控制器与各个底层DSP控制器之间通过以太网或者包含有OPNET模块的计算机或者由以太网与包含有OPNET模块的计算机构成的并行方式连接。

所述的计算机的OPNET模块分别与配电自动化和能量管理系统、区域集中控制器以及各个远程数据终端和各个底层DSP控制器连接。

所述的底层DSP控制器连接有用于作为智能监控设备的显示屏和用于输入、调试和各个底层DSP控制器之间数据交换的无线通信接口，各个底层DSP控制器之间通过无线通信进行运行数据交换，以实现各个底层DSP控制器之间的协同工作。

所述的Rt-Lab仿真机经功率放大器连接有实际的一次设备。

所述系统包含有多个Rt-Lab仿真机，各个Rt-Lab仿真机之间相互连接。

所述系统包含有多个区域集中控制器，多个区域集中控制器均连接到配电自动化和能量管理系统，各个区域集中控制器与各自相对应的远程数据终端或者底层DSP控制器连接。

所述的区域集中控制器采用DSP或者工控机。

所述的远程数据终端采用电力系统监测终端。

本发明具有的有益的效果是：

本发明可对包含电力系统一次设备、底层DSP控制器、远程数据终端（Remote Terminal Unit，RTU)、区域集中控制器、通信设备、配电自动化设备以及能量管理系统（Energy Management System，EMS）的大型综合复杂系统进行模拟与仿真。

本发明具有较高的灵活性、可靠性和综合性，可以对包含新能源发电、网络物理故障、网络信息故障、配网自动化等一系列大规模复杂模型的电力系统实现有效的仿真模拟与验证试验，加速电力系统配电网领域的科研和产品研发，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种实施方式结构示意图。

图2是本发明的一种实施方式结构示意图。

图3是本发明的一种实施方式结构示意图。

图4是OPNET模块的功能示意图。

图5是RTU、底层DSP控制器与Rt-Lab的连接示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

如图1～图3所示，本发明包括配电自动化和能量管理系统（EMS）、区域集中控制器、远程数据终端（RTU）、底层DSP控制器以及内部构建有虚拟一次设备的Rt-Lab仿真机，相互之间可通过包含有OPNET模块的计算机进行通信控制，Rt-Lab仿真机中的每个虚拟一次设备均对应连接有一个远程数据终端或一个底层DSP控制器，区域集中控制器与各个远程数据终端和底层DSP控制器连接，配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器连接。

远程数据终端，监测虚拟一次电网的运行状态数据，并向虚拟一次电网发送电网控制信号；底层DSP控制器，监测虚拟一次设备运行状态数据，并向虚拟一次设备发送一次控制信号；区域集中控制器实现本区域内的底层DSP控制器和RTU的集中控制，接收配电自动化和能量管理系统的调度信号并处理为二次控制信号，接收并处理来自远程数据终端和底层DSP控制器的监测数据，向底层DSP控制器发送二次控制信号，向远程数据终端发送电网控制信号，配电自动化和能量管理系统，向区域集中控制器发送调度信号，同时接收并处理来自区域集中控制器的运行状态数据；配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器之间、区域集中控制器与各个远程数据终端之间或者区域集中控制器与各个底层DSP控制器之间通过以太网或者包含有OPNET模块的计算机或者以太网与包含有OPNET模块的计算机并行方式连接。

如图1所示，本发明的通信系统可采用以太网通信或者采用包含OPNET模块的计算机模拟通信，以太网通信与包含OPNET模块的计算机模拟通信可以并行运行，即部分采用以太网通信，部分采用包含有OPNET模块的计算机模拟通信，以太网和包含OPNET模块的计算机可以通过计算机上的相应接口相连，实现两者相互通信。

如图1所示，当所述的配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器之间、区域集中控制器与各个远程数据终端之间或者区域集中控制器与各个底层DSP控制器之间通过包含有OPNET模块的计算机连接时，所述的包含有OPNET模块的计算机分别与配电自动化和能量管理系统、区域集中控制器以及各个远程数据终端和各个底层DSP控制器连接。

底层DSP控制器连接有用于作为智能监控设备的显示屏和用于输入、调试和各底层DSP控制器之间数据交换的无线通信接口，各个底层DSP控制器之间通过无线通信进行运行数据交换，用于实现各个底层DSP控制器之间的协同工作。

如图1所示，Rt-Lab仿真机经功率放大器连接有实际的一次设备。

如图1所示，系统包含有多个Rt-Lab仿真机，各个Rt-Lab仿真机之间相互连接。

系统包含有多个区域集中控制器，多个区域集中控制器均连接到配电自动化和能量管理系统，各个区域集中控制器与各自相对应的远程数据终端或者底层DSP控制器连接。

区域集中控制器采用DSP或者工控机。

远程数据终端采用电力系统监测终端机。

如图1所示，本发明的Rt-Lab仿真机、包含有OPNET模块的计算机均可设有多个扩展接口，通过预留的扩展接口，增加相应的区域集中控制器、底层DSP控制器和RTU、以及配电自动化和EMS设备，进行扩展，以便实现对更大系统的仿真模拟。

本发明采用RT-LAB仿真机实时模拟电力系统一次设备的运行情况，并通过底层DSP控制器和RTU对实时运行的电力系统一次设备进行控制与监测；为每个RTU和底层DSP控制器配置智能监控设备，实现系统内设备运行状态的智能监控。通过区域集中控制器对底层DSP控制器和RTU进行控制和监测，通过配电自动化和EMS对区域集中控制器进行控制和监测。具体包括：

1）采用Rt-Lab仿真机实时模拟电力系统一次设备的运行状态。一次设备包括新能源（风电、光伏等）、传统同步电源、储能、变压器、输电线路以及负荷等。

2）Rt-Lab可通过功率放大器与实际物理的一次设备相连接，可利用现有的实际一次设备进行仿真分析，提高仿真的真实性与可靠性。

3）Rt-Lab的输入输出接口与RTU和底层DSP控制器的相应I/O口相连接，也可以通过Rt-Lab上自带的以太网接口直接与RTU的以太网接口相连。底层DSP控制器接收一次设备的仿真信号并发送一次控制信号，RTU接收一次电网的运行状态数据，并发送相应电网控制信号。

4）部分底层DSP控制器和RTU通过以太网通信接口和交换机与区域集中控制器进行数据交换，区域集中控制器通过以太网通信接口与配电自动化和EMS系统进行数据交换。

5）其余底层DSP控制器和RTU通过包含OPNET包的计算机模拟通信与区域集中控制器进行数据交换，区域集中控制器通过包含OPNET包的计算机模拟通信与相应的配电自动化和EMS系统进行数据交换。

6）每个底层DSP控制器模块均设有无线通信接口，可以通过无线通信方式实现输入、调试和各底层DSP控制器之间的数据交换。

7）各区域控制器之间、各配电自动化和EMS之间通过以太网进行数据交换，也可以通过包含OPNET包的计算机模拟通信进行数据交换。

本发明通过OPNET可以方便地对网络拓扑结构、协议进行设计和设置以及对网络中设备进行设计和选择，另外，还可通过OPNET模拟各种信息事故，提高了网络通信模拟的全面性。

如附图4，该图中的全部设备（包括交换机、路由器、转换开关、信息事故故障、以太网、无线通信、通信协议等）由包含有OPNET包的计算机中通过编程模拟实现，而非实际设备，包含有OPNET模块的计算机只提供相应的外部接口。利用OPNET对网络拓扑结构、协议进行设计和设置，并对网络中的设备进行设计和选择。另外，还可通过设置信息故障模块，在需要模拟信息事故时连通与主路由器的转换开关，从而模拟实际信息系统中可能出现的各种信息事故。

RTU模块以及底层DSP控制器与Rt-Lab连接如附图5，RTU可以从Rt-Lab自带的以太网通信接口直接获取一次电网运行状态数据并传输，也可以通过自带的I/O端口与Rt-Lab的I/O端口相连实现相关功能。底层DSP控制器通过自带的I/O端口、A/D转换技术从Rt-Lab获取相关一次设备运行数据，并向Rt-Lab发送相关的一次控制信号，实现对电力系统一次设备的一次控制。每个底层DSP控制器均可含有无线通信模块，既可以实现各DSP之间的数据交换从而实现各DSP协调工作，也给现场调试与外部数据输入提供了方便。

此外，每个RTU与底层DSP控制器均连接有智能监控设备的显示屏，以便实时监测各站设备的运行状况，及时发现故障并排除。

本实施例通过模块化、分层化的方法实现，具体实施工作过程及实施例如下：

建立如附图2的仿真系统，包括配电自动化和能量管理系统、区域集中控制器、底层DSP控制器、RTU、Rt-Lab仿真机。

Rt-Lab模拟整个电力系统一次网络的运行状态，电网中各电力设备动态模型和电网参数通过MATLAB或SystemBuild构建并导入到Rt-Lab仿真机中，从而模拟实现电力系统中各一次设备及整个电力网络的动态过程，多台Rt-Lab自带接口可以实现互连。除了模拟功能外，Rt-Lab仿真机还提供连接实际一次设备的接口，从而实现通过功率放大器与实际的一次设备连接。

底层DSP控制器可采用目前广泛应用的TMS320系列DSP与其外部设备组成，并通过DSP芯片与外设中的I/O口与A/D转换模块实现其数据采集与控制信号输出的功能，底层DSP控制器作为一个通用模块，通过改变内部程序来实现对不同的一次设备的控制，从而简化设计。RTU可采用北京四方继保自动化或南瑞继保电气等公司生产的电力系统监测终端实现，其本身具备读取一次电网运行数据与发送控制信号的能力。

区域集中控制器采用DSP或工控机实现，通过向DSP或工控机内部编程，即可实现接收与发送信号的功能。由于区域集中控制器要同时控制多个RTU和底层DSP控制器工作，所以其要求的处理数据的能力要高于底层DSP控制器。

配电自动化和能量管理系统为成套的设备（可采用北京四方继保自动化股份有限公司的配电自动化），为整个仿真平台的搭建节省的时间与精力。

上述各模块搭建完成后，通过预留的通信接口进行连接，即可获得图2所示的仿真系统。

建立如图3的仿真系统，与图2所示系统的差别在于，图3系统不再采用实际的以太网通信，而是采用包含有OPNET模块的计算机来模拟实际的通信过程；包含有OPNET模块的计算机可以通过普通的计算机增加一些外部接口实现，然后通过计算机内的OPNET方便地对网络拓扑结构和通信协议进行配置，并对网络中的设备进行设计和选择实现。

图2、图3两部分系统分别建立之后并测试无误之后，再将两部分系统通过对应的接口相连接。

此外，包含有OPNET模块的计算机与Rt-Lab仿真机，留有扩展接口，若要模拟更大的系统时，只需可再增加Rt-Lab仿真机的台数，增加的Rt-Lab可通过原Rt-Lab的扩展接口相连，并相应增加RTU、底层控制DSP、区域集中控制器、配电自动化和EMS数量，增加的RTU、底层控制DSP、区域集中控制器、配电自动化和EMS可通过包含有OPNET模块的计算机预留的扩展接口实现通信。

通过上述方法，先分别建立系统中各个模块，再将各模块连接成几个子仿真系统，然后将建立的子仿真系统相连成整个仿真平台，并在相应的模块预留扩展接口的方法，简单有效地得到如图1所示的完整而多元化的本发明仿真系统。

Claims (9)

1. 一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：包括配电自动化和能量管理系统、区域集中控制器、远程数据终端、底层DSP控制器以及内部构建有虚拟一次设备的Rt-Lab仿真机，Rt-Lab仿真机中的每个虚拟一次设备均对应连接有一个远程数据终端或一个底层DSP控制器，区域集中控制器与各个远程数据终端和底层DSP控制器连接，配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器连接；

远程数据终端，监测虚拟一次电网的运行状态数据，并向虚拟一次电网发送电网控制信号；

底层DSP控制器，监测虚拟一次设备的运行状态数据，并向虚拟一次设备发送一次控制信号；

区域集中控制器，接收配电自动化和能量管理系统的调度信号并处理为二次控制信号，接收并处理来自远程数据终端和底层DSP控制器的监测数据，向底层DSP控制器发送二次控制信号，向远程数据终端发送电网控制信号；

配电自动化和能量管理系统，向区域集中控制器发送调度信号，同时接收并处理来自区域集中控制器的运行状态数据。

2. 根据权利要求1所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述的配电自动化和能量管理系统与区域集中控制器之间、区域集中控制器与各个远程数据终端之间或者区域集中控制器与各个底层DSP控制器之间通过以太网或者包含有OPNET模块的计算机或者由以太网与包含有OPNET模块的计算机构成的并行方式连接。

3. 根据权利要求2所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述的计算机的OPNET模块分别与配电自动化和能量管理系统、区域集中控制器以及各个远程数据终端和各个底层DSP控制器连接。

4. 根据权利要求1所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述的底层DSP控制器连接有用于作为智能监控设备的显示屏和用于输入、调试和各个底层DSP控制器之间数据交换的无线通信接口，各个底层DSP控制器之间通过无线通信进行运行数据交换，以实现各个底层DSP控制器之间的协同工作。

5. 根据权利要求1～4任一所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述的Rt-Lab仿真机经功率放大器连接有实际的一次设备。

6. 根据权利要求1～4任一所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述系统包含有多个Rt-Lab仿真机，各个Rt-Lab仿真机之间相互连接。

7. 根据权利要求1～4任一所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述系统包含有多个区域集中控制器，多个区域集中控制器均连接到配电自动化和能量管理系统，各个区域集中控制器与各自相对应的远程数据终端或者底层DSP控制器连接。

8. 根据权利要求1~7任一所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述的区域集中控制器采用DSP或者工控机。

9. 根据权利要求1~7任一所述的一种基于Rt-Lab和OPNET的信息物理半实物仿真系统，其特征在于：所述的远程数据终端采用电力系统监测终端。