CN105787161B - 一种电力仿真系统的层次化建模方法 - Google Patents
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Abstract
一种电力仿真系统的层次化建模方法，采用自底向上的思路，自底层向顶层依次设计为交互层、控制层、设备层、系统层。在此层次的基础上，将水电站所有设备进行分类，将具有类似功能的设备抽象成元件类，通过配置不同的属性来区分设备实例，考虑到电气拓扑分析与辅机管网拓扑分析的需求，元件对象采用基于元件端口数的分类方法，把电站设备分为：一端口元件、二端口元件、三端口元件、连接元件，依据元件端口数和元件的功能进一步往下细分，统一建立通用模型模板，并用事件触发机制描述了模型的构建与交互过程。本发明不但能反映设备的连续动态过程，还能凸现离散化的控制过程，以及模型之间的交互和触发过程。
Description
技术领域
本发明一种电力仿真系统的层次化建模方法，涉及水电站仿真领域。
背景技术
随着水电事业的大力开展，必然需要大量的熟悉水电生产业务的水电工程技术人员；由于电力系统的特点，电力安全工作规程有明确的规定，电厂中的设备是不允许随意操作的。因此为了使水电站运行、维护人员快速熟悉水电站的一整套业务，开发水电站的仿真系统非常有意义。而随着自动化程度越来越高，运行维护人员在实际设备上进行训练的机会越来越少，有时甚至不可能。对于新员工的培训往往通过查阅图纸和熟悉运行规程以及传统的“师傅带徒弟”的培训方法，这些方法培训周期长，且新员工的操作机会少，培训效果不好。所以需要开发一套水电站仿真培训系统，该系统面向水电站运行、检修、维护人员，培训周期短，可让学员亲自去操作，操作得当，设备正常工作，操作不当，引发相应的现象与实际现场保持一致，使得学员在系统里能得到真实的锻炼。而且仿真培训系统可以模拟各种事故故障，产生的现象与现场是一致的，这些事故是不可能在实际机组中进行操作或者演示的，运行人员通过处理这些虚拟的故障，使运行人员处理突发事件能力得到提高，也使运行人员的专业技能得到提升。
目前仿真系统的作用越来越明显，而对仿真系统的要求也越来越高。水电站仿真培训系统中建模方法主要有模块化建模，将水电站分成保护模块，励磁系统模块，调速系统模块，并网模块，自动装置模块，控制模块(包括辅机系统，励磁系统，调速系统，水轮机组)，信号模块，量测模块，温度计算模块等，然后分别对这些模块进行建模。而在模块化建模中，大多主要停留在对这些模块的功能进行建模，即主要表现物理系统的连续动态过程为主，而对离散的控制过程，元件级的触发过程和系统级的交互过程未做详细的建模。模型之间的交互和执行过程也未进行详细的描述，因此很难满足“全站，全范围，全过程”的仿真需求，尤其对于全动态的仿真或不同状态之间的演化仿真很难表现。
发明内容
本发明提供一种电力仿真系统的层次化建模方法，该方法可以对水电站进行全站、全范围、全过程的数字化仿真。该方法在模块化建模的基础上，将模型划分为不同的层次，将这些层次按照一定的规则整合成一个有机体系。水电站的数学模型包含了能够反映正常运行过程，事故和故障运行过程的模型。不但能反映设备的连续动态过程，还能凸现离散化的控制过程，以及模型之间的交互和触发过程。
本发明所采用的技术方案是：
一种电力仿真系统模型，自底向上依次为：交互层、控制层、设备层、系统层；
交互层用于实现操作、故障设置、信号显示的功能，并将操作内容传递至控制层；
控制层用于反映设备的控制过程，接收来自交互层的操作、以及由设设备层、系统层启动的自动化操作，实施控制设备的工作状态的改变；
设备层用于实现水电站主要设备的连续动态过程；
系统层用于实现系统的功能。
所述交互层产生操作行为以及响应人机交互功能，将操作信息传递给控制层，并接受来自其他环节的监视信息。
所述控制层接收来自交互层的操作信息，同时接收来自设备层和系统层的信息，来产生相应、具体的动作行为。
所述设备层将具有相同动态特性和性能指标的设备抽象为基本元件。
一种电力仿真系统的层次化建模方法，采用自底向上的思路，自底层向顶层依次设计为交互层、控制层、设备层、系统层。在此层次的基础上，将水电站所有设备进行分类，将具有类似功能的设备抽象成元件类，通过配置不同的属性来区分设备实例，考虑到电气拓扑分析与辅机管网拓扑分析的需求，元件对象采用基于元件端口数的分类方法，把电站设备分为：一端口元件、二端口元件、三端口元件、连接元件，依据元件端口数和元件的功能进一步往下细分，统一建立通用模型模板，并用事件触发机制描述了模型的构建与交互过程。
一种电力仿真系统的层次化建模方法，将电站设备和基本部件按照层次关系建立元件类，归纳各个层次元件的功能设计通用模型，模型基本框架由输入部分、模型算法和输出部分三个部分构成。
所述输入部分：事件作为通用模型的输入部分，事件包括操作信息和交互信息，这些信息都是以变量的形式存在于仿真系统，称做操作变量和交互变量。
所述操作变量：即模型用来接收来自外部的操作指令，模型接收到操作变量后启动算法；操作变量包括以下内容：①、来自监控画面的操作指令，即由监控画面上可以进行操作的部件来触发，直接以变量的形式发送至共享内存；②、故障设置指令，同样也是以变量的形式发送至共享内存；③、来自其他模型的操作指令或者其他相关模型的输出。
所述交互变量：作为模型的执行条件，通常由其它模型生成的，也可以是该模型本身生成，影响本模型计算的结果的变量。
所述模型算法包括一级处理部分和二级处理部分：
一级处理部分主要是辨析事件的性质，是触发事件还是保持事件或者执行条件，
1)触发事件：其指令以脉冲的形式存在，具有间歇性和不可保持性的特点，指令周期通常只有一个步长间隔，产生这种事件的典型元件有复位按钮；
2)保持事件：可以自保持的事件，产生这种事件的元件有压板、开关、状态按钮等；
3)执行条件：通常是来自于其他模型的交互信息，影响本模型的执行结果和一些设备的自动启停；
二级处理部分主要是选择不同状态下的算法对事件进行响应处理，主要包括四块：工作状态、算法、设备状态、标志位；
1)工作状态：包含正常、异常和故障等三种工作状态；
2)算法：对应不同状态下的算法；
3)设备状态：包括设备的静态参数和动态参数，不同的实例具有各自不同的静态参数，不同状态下也有一些的典型静态参数，而动态参数主要是反应设备在不同状态下经算法算出来的一些典型的状态变量；
4)标志位：对于区分触发时间和保持事件产生的标志位，一次不能执行完毕的应予以保持，执行完毕后应清除相位的标志位。
所述输出部分：新事件作为通用模型的输出部分，同样也包括操作信息和交互信息；由本模型执行后造成的状态变化量，包括模拟变化量和数字变化量，作为交互信息输出；数字量指该模型的执行状态，如流程执行情况、该设备的当前状态，模拟量包括电压、电流、压力、流量等，或者作为操作信息影响其他的模型。
本发明一种电力仿真系统的层次化建模方法，技术效果如下：
1)、利用电站仿真系统的层次化建模方法可以较方便对复杂大系统进行分层模块化建模。
2)、全数字仿真建模，成本低。
3)、所有模型具有统一的基于事件事件触发机制的模型模板，方便维护和移植到其他的电站。
4)、通用模型模板的二级处理过程包含了设备正常、异常、故障下的算法，使得仿真能表现出全动态仿真和状态演化仿真。
5)、该建模方法对水电生成过程中的离散化控制过程和系统之间的耦合关系通过模型的交互和事件触发进行了详细的描述。
附图说明
图1为本发明模型体系结构示意图；
图2为本发明模型基本框架示意图；
图3为本发明事件处理流程图。
具体实施方式
一种电力仿真系统的层次化建模方法，该方法将水电站的模型体系划分成四个层次进行描述。如图1所示。采用自底向上的思路，自底层向顶层依次设计为交互层，控制层，设备层和系统层。在此层次的基础上，将水电站所有设备进行分类，将具有类似功能的设备抽象成元件类，通过配置不同的属性来区分设备实例。元件对象属性的设计严格按照IEC61970系列标准中的CIM模型来构建，考虑到电气拓扑分析与辅机管网拓扑分析的需求，元件对象采用基于元件端口数的分类方法。把电站设备分为：一端口元件、二端口元件、三端口元件、连接元件，依据元件端口数和元件的功能进一步往下细分。统一建立通用模型模板，并用事件触发机制描述了模型的构建与交互过程。
1：构建层次化建模方法的四层模型体系：
四层模型体系自底向上依次为：交互层，控制层，设备层和系统层。
交互层实现操作、故障设置和信号显示的功能；并将操作内容传递至控制层。
控制层反映设备的控制过程；接收来自交互层的操作以及由设备层、系统层启动的自动化操作，实施对泵、空压机、阀门、滤过器等控制设备的工作状态的改变。
设备层或称为物理层，实现水电站主要设备的连续动态过程。
系统层实现系统的功能。如在本环节中控制设备的状态变化导致了水电站辅机管网的结构发生变化，从而改变辅机系统提供的压力、流量、液位等状态量；或电气设备的开关状态的变化导致整个电气网络潮流的变化等。
根据每个层次的功能和任务，对每个层次的设备类型进行定义和归类。
交互层产生操作行为以及响应人机交互功能，将操作信息传递给控制层，并接受来自其他环节的监视信息。设备应为触发对应事件的部件，包括：操控类元件、监视元件、故障设置部分。
交互层处于系统的最底层，基本元件包括操作类元件：①按钮，如盘柜按钮，监控按钮以及压板，反应设备投退功能的软件；②开关、保险，只有合与断两种状态的元件，可以由外界操作触发，也可以由内部保护逻辑自动触发；③把手，具有多种状态的元件，用来选择设备的操作方式或者设置设备的多种状态等功能；④定值、参数输入类元件，如一些液晶屏输入部分。监视类元件有：①信号灯，反映测点状态的；②表计，如模拟表计、数字表计，反映测点模拟量数值和数字量；③简报，反映测点状态变化、模拟量变化等信息。自动化类元件包括能自动产生操作行为的自动装置，PLC装置以及自动流程。设置类元件主要是指能对系统进行工况设置，故障设置功能的元件。
控制层接收来自交互层的操作信息，同时接收来自设备层和系统层的信息。来产生相应、具体的动作行为，控制层的基本元件是按照相应的控制回路抽象而成的。包括：盘柜电源系统、流程部分、控制逻辑、保护类。元件类包括：①反映控制、保护、信号、动力电源、直流电源回路工作状态的电源类；②实现监控操作流程、开停机自动化流程、备自投流程和主备用设备自动切换的流程类。③实现盘柜控制功能的逻辑类，实施油位、油压、水位、水压、气压、温度过程控制原理的控制类；④实现保护动作逻辑的保护类；
设备层是将具有相同动态特性和性能指标的设备抽象为基本元件。包括：阀门、电动机、滤水器、空压机、发电机、变压器、断路器，隔离开关等主要设备。设备层接收来自控制层的动作指令来改变主要设备的工作状态。
系统层反映系统层面的物理现象，包括两个层面：各子系统的连接关系分析及基于连接关系的动态分析。包括：主系统的计算、厂用电计算、辅机各子系统的计算。系统层是模型的最顶层，对系统的压力、流量、液位、潮流进行计算，按照计算方法可分为：①反映辅机管道拓扑结构关系的空气管道、供排水管道、循环油管道结构关系的辅机拓扑结构类元件；②反映高压、中压、低压空气系统和水、油等不可压缩流体系统介质动态过程的辅机系统类元件；③反映电气设备拓扑结构关系的发电机、断路器、隔离开关设备的电气拓扑结构类元件；④反映电气主系统的潮流分布、厂用电关系的电气系统类元件。
各层设备与元件类的对应关系如表1所示。
表1设备和元件的对应关系
2：建立基于事件触发机制的通用模型
将电站设备和基本部件按照表1的层次关系建立元件类。归纳各个层次元件的功能设计一种通用模型模板，如图2所示。模型基本框架由输入部分、模型算法和输出部分三个部分构成。
(1)、模型输入部分：
事件作为通用模型的输入部分，而事件包括操作信息和交互信息，这些信息都是以变量的形式存在于仿真系统，因此也被称做操作变量和交互变量。
1)、操作变量。即模型用来接收来自外部的操作指令，模型接收到操作变量后启动算法。操作变量包括以下内容：①来自监控画面的操作指令。即由监控画面上可以进行操作的部件来触发，直接以变量的形式发送至共享内存；②故障设置指令。同样也是以变量的形式发送至共享内存；③来自其他模型的操作指令或者其他相关模型的输出。
2)、交互变量。作为模型的执行条件。通常由其它模型生成的，也可以是该模型本身生成，影响本模型计算的结果的变量。
(2)、模型算法：
模型算法包括一级处理部分和二级处理部分。
一级处理部分主要是辨析事件的性质，是触发事件还是保持事件或者执行条件。
1)、触发事件。其指令以脉冲的形式存在，具有间歇性和不可保持性的特点。指令周期通常只有一个步长间隔。产生这种事件的典型元件有复位按钮。
2)、保持事件。可以自保持的事件。产生这种事件的元件有压板、开关、状态按钮等。
3)、执行条件。通常是来自于其他模型的交互信息，影响本模型的执行结果和一些设备的自动启停。
二级处理部分主要是选择不同状态下的算法对事件进行响应处理。主要包括四块：工作状态、算法、设备状态、标志位。
1)、工作状态：包含正常、异常和故障等三种工作状态。
2)、算法：对应不同状态下的算法。
3)、设备状态：包括设备的静态参数和动态参数，不同的实例具有各自不同的静态参数。不同状态下也有一些的典型静态参数；而动态参数主要是反应设备在不同状态下经算法算出来的一些典型的状态变量。
4)标志位：对于区分触发时间和保持事件产生的标志位，一次不能执行完毕的应予以保持，执行完毕后应清除相位的标志位。
(3)模型输出部分：
新事件作为通用模型的输出部分，同样也包括操作信息和交互信息。如由本模型执行后造成的状态变化量，包括模拟变化量和数字变化量，作为交互信息输出。数字量指该模型的执行状态，如流程执行情况、该设备的当前状态，模拟量包括电压、电流、压力、流量等，或者作为操作信息影响其他的模型。主要罗列有四条：
1)、作为监控画面上的状态显示信号；
2)、作为触发相应的简报信息；
3)、作为新的交互变量影响其他模型的执行条件或本模型自身的执行的条件；
4)、作为其他模型的操作指令。
3：基于事件触发机制下的事件处理过程和模型的执行机制：
根据上述构建的通用模型模板，主要介绍模型的执行机制。
定义事件为集合E，输入事件和输出事件为集合E的子集Ein和Eout。
E＝{Ein,Eout}
对于某一元件，Ein代表启动元件的事件合集，包括触发事件子集PI，保持事件子集HI，交互信息子集CI；Eout代表元件执行任务时产生的新事件合集，同样包括新触发事件子集PO，新保持事件子集HO，新交互信息子集CO。
建立基于事件处理的元件执行机制。
S＝{ID,RI,Ein,IS,RPS,Eout,T}＝{ID,RI,{PI,HI,CI},{M0,Ip,Iv},RPS,{PO,HO,CO},T}
式中：ID是元件的标识，用来描述元件的功能，元件类型以及实例类型；RI是主动检测事件池中的事件处理模块；IS是元件的内部参数和状态变量合集，其中Ip是元件计算所需的参数合集，Iv是状态量合集，不同的实例具有不同的IS，可以通过参数设置模块设置不同的实例的初始IS；M0是模式合集，包含元件的正常、异常、故障等工作模式；RPS表示元件的执行规则；T是执行步长。
在一个计算步长t内，元件主动对仿真事件池进行检测并与Ein进行比对，当检测到仿真事件池中有双方约定的特定事件时，取出仿真事件池中的事件，并优先响应触发事件。执行时，将触发事件用内部保持事件保存下来执行，而保持事件则可以直接经过保持事件的处理机制，交互信息作为元件的执行条件处理，满足条件时，元件根据执行条件CI载入特定工作模式下M0和计算参数Ip和当前状态量Iv，启动执行规则RPS更新当前模式下元件的状态量；结果修正元件的状态量Iv并作为新事件Eout输出，用来触发和影响其它的元件的执行过程。每一个元件都有一个唯一的ID，可以通过外部的参数设定调整元件的内部参数实现对元件类的实例化。
Claims (1)
1.一种电力仿真系统，其特征在于：自底向上依次为：交互层、控制层、设备层、系
统层；
交互层用于实现操作、故障设置、信号显示的功能，并将操作内容传递至控制层；
控制层用于反映设备的控制过程，接收来自交互层的操作、以及由设备层、系统层启动的自动化操作，实施控制设备的工作状态的改变；
设备层用于实现水电站设备的连续动态过程；
系统层用于实现系统的功能；
所述设备层将具有相同动态特性和性能指标的设备抽象为基本元件，通过配置不同的属性来区分设备实例，考虑到电气拓扑分析与辅机管网拓扑分析的需求，元件对象采用基于元件端口数的分类方法，把电站设备分为：一端口元件、二端口元件、三端口元件、连接元件，依据元件端口数和元件的功能进一步细分，统一建立通用模型模板，并用事件触发机制描述模型的构建与交互过程；
电力仿真系统的层次化建模方法，包括：
将电站设备和基本部件按照层次关系建立元件类，归纳各个层次元件的功能设计通用模型，模型基本框架由输入部分、模型算法和输出部分三个部分构成；
所述输入部分：事件作为通用模型的输入部分，事件包括操作信息和交互信息，这些信息都是以变量的形式存在于仿真系统，称作操作变量和交互变量；
所述操作变量：即模型用来接收来自外部的操作指令，模型接收到操作变量后启动算法；操作变量包括以下内容：①、来自监控画面的操作指令，即由监控画面上可以进行操作的部件来触发，直接以变量的形式发送至共享内存；②、故障设置指令，同样也是以变量的形式发送至共享内存；③、来自其他模型的操作指令或者其他模型的输出；
所述交互变量：作为模型的执行条件，通常由其他模型生成的，或者是该模型本身生成，影响本模型计算的结果的变量；
所述模型算法，包括一级处理部分和二级处理部分：
一级处理部分用于辨析事件的性质，是触发事件还是保持事件或者执行条件，
1)触发事件：其指令以脉冲的形式存在，具有间歇性和不可保持性的特点，指令周期只有一个步长间隔，产生这种事件的典型元件有复位按钮；
2)保持事件：能够自保持的事件，产生这种事件的元件有压板、开关、状态按钮；
3)执行条件：是来自于其他模型的交互信息，影响本模型的执行结果和设备的自动启停；
二级处理部分用于选择不同状态下的算法对事件进行响应处理，包括四块：工作状态、算法、设备状态、标志位；
1)工作状态：包含正常、异常和故障三种工作状态；
2)算法：对应不同状态下的算法；
3)设备状态：包括设备的静态参数和动态参数，不同的实例具有各自不同的静态参数，不同状态下也有典型静态参数，动态参数是反应设备在不同状态下经算法算出来的典型状态变量；
4)标志位：对于区分触发时间和保持事件产生的标志位，一次不能执行完毕的应予以保持，执行完毕后应清除相位的标志位；
所述输出部分，包括：新事件作为通用模型的输出部分，同样也包括操作信息和交互信息；由本模型执行后造成的状态变化量，包括模拟变化量和数字变化量，作为交互信息输出；数字变化量指该模型的执行状态，包括流程执行情况、该设备的当前状态，模拟变化量包括电压、电流、压力、流量；
根据构建的通用模型模板，采用如下执行机制：
定义事件为集合E，输入事件和输出事件为集合E的子集Ein和Eout；
E＝{Ein,Eout}
对于某一元件，Ein代表启动元件的事件合集，包括触发事件子集PI，保持事件子集HI，交互信息子集CI；Eout代表元件执行任务时产生的新事件合集，同样包括新触发事件子集PO，新保持事件子集HO，新交互信息子集CO；
建立基于事件处理的元件执行机制；
S＝{ID,RI,Ein,IS,RPS,Eout,T}＝{ID,RI,{PI,HI,CI},{M0,Ip,Iv},RPS,{PO,HO,CO},T}
式中：ID是元件的标识，用来描述元件的功能，元件类型以及实例类型；RI是主动检测事件池中的事件处理模块；IS是元件的内部参数和状态变量合集，其中Ip是元件计算所需的参数合集，Iv是状态量合集，不同的实例具有不同的IS，能够通过参数设置模块设置不同的实例的初始IS；M0是模式合集，包含元件的正常、异常、故障工作模式；RPS表示元件的执行规则；T是执行步长；
在一个计算步长t0内，元件主动对仿真事件池进行检测并与Ein进行比对，当检测到仿真事件池中有双方约定的特定事件时，取出仿真事件池中的事件，并优先响应触发事件；执行时，将触发事件用内部保持事件保存下来执行，而保持事件则可以直接经过保持事件的处理机制，交互信息作为元件的执行条件处理，满足条件时，元件根据执行条件，载入工作模式合集M0、元件计算所需的参数合集Ip、状态量合集Iv，启动元件的执行规则RPS更新当前模式下元件的状态量；执行结果用来修正元件的状态量合集Iv并作为新事件合集Eout输出，用来触发和影响其它的元件的执行过程；每一个元件都有一个唯一的元件的标识ID，能够通过外部的参数设定调整元件的内部参数实现对元件类的实例化。
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