CN106202722A - 大型电网信息物理实时仿真平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力系统仿真技术领域，公开了一种大型电网信息物理实时仿真平台。本发明中，大型电网信息物理实时仿真平台包括：大型电网物理系统安全实时仿真系统、大型电网信息系统安全实时仿真系统、工控机安全检测系统与电力中心控制仿真系统；大型电网物理系统安全实时仿真系统与大型电网信息系统安全实时仿真系统通过高速接口相连，工控机安全检测系统通过高速接口与大型电网物理系统安全实时仿真系统相连，电力中心控制仿真系统通过高速接口分别与大型电网物理系统安全实时仿真系统、大型电网信息系统安全实时仿真系统相连。这样，可以对未来电网的信息物理混合系统和电网安全状态进行仿真和预测，降低应用计算分析的难度。

Description

大型电网信息物理实时仿真平台
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，特别涉及一种大型电网信息物理实时仿真平台。
背景技术
能源互联网被称为第三次工业革命的核心技术，信息物理系统(cyber physicalsystem，简称CPS)是依据世界科技不断向信息化发展这一现实情况而提出的新理念。借助信息互联网技术充分、广泛且有效地利用分布式能源、满足能源消费者多样化需求，并可与之互动的一种新型能源体系结构，其核心技术是信息系统与物理系统的紧密融合，被认为是电力系统的未来发展方向。
大型电网信息物理系统(Grid cyber physical system，简称GCPS)依托电力系统丰富的传感监测设备，以及完善可靠的通信网络，实现物理过程与其所涉及的内部数据、外部数据等信息量的融合与应用，更好反映现实对象，并对物理过程进行更加精确有效的控制，是集成了计算、通信、控制技术以实现稳定、可靠、高效的电力系统运行。
现有的电力系统仿真平台难以满足上述要求，原因如下：
(1)传统电力系统仿真平台的信息系统是被动地匹配物理系统，不能形成两者间的相互良性影响，不方便扩展至由多个具有关联关系的专业系统组成的互联系统。
(2)传统的电力系统仿真平台难以满足实时仿真大型电网信息物理安全问题。
(3)在GCPS系统中，离散的计算过程与连续的物理信息过程并存在系统之中，物理信息混合仿真过程往往由许多并行/并发的物理活动或信息事件组成，计算过程与信息物理过程的融合使得系统行为与状态具有更鲜明的时空性和动态非确定性，而现有的电力系统仿真平台难以刻画二者的融合特征。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种大型电网信息物理实时仿真平台，融合了信息物理的特征，可以仿真分析电网信息物理安全性问题，有利于对现有安全问题进行诊断，还可以对未来电网的信息物理混合系统和电网安全状态进行仿真和预测，降低应用计算分析的难度。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种大型电网信息物理实时仿真平台，包括：大型电网物理系统安全实时仿真系统、大型电网信息系统安全实时仿真系统、工控机安全检测系统与电力中心控制仿真系统；所述大型电网物理系统安全实时仿真系统与所述大型电网信息系统安全实时仿真系统通过高速接口相连，所述工控机安全检测系统通过高速接口与所述大型电网物理系统安全实时仿真系统相连，所述电力中心控制仿真系统通过高速接口分别与所述大型电网物理系统安全实时仿真系统、所述大型电网信息系统安全实时仿真系统相连。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过大型电网物理系统安全实时仿真系统和大型电网信息系统安全实时仿真系统的结合，可以对电网信息物理安全混合系统进行实时仿真，模拟电网信息物理实时状态，有利于对现有安全问题进行诊断，还可以对未来电网的信息物理混合系统和电网安全状态进行仿真和预测，降低应用计算分析的难度。另外，通过融合信息物理的特征，可以仿真分析电网信息物理安全性问题，并且可以检测工控机是否安全，具有高实时性、灵活性、可靠性和综合性，还可以对网络物理故障和安全、网络信息安全、电网工控机安全等一系列大规模复杂模型的电力系统安全问题实现有效的仿真模拟与验证试验，加速电力系统信息物理安全领域的科研和产品研发，具有广阔的应用前景。
另外，所述大型电网物理系统安全实时仿真系统还包括：上位机、现场可编程门阵列FPGA与多核仿真机；所述上位机通过所述FPGA连接至所述多核仿真机；所述上位机，用于建立大型电网物理系统仿真模型、编译所述大型电网物理系统仿真模型、并将编译后的大型电网物理系统仿真模型下载到所述FPGA；所述FPGA，用于将编译后的大型电网物理系统仿真模型的代码分配给所述多核仿真机进行并行计算。由于多核仿真机每个核之间都是完全独立的，抗压能力强，即使在高负载状况下，也可以保证每个核的性能不受太大的影响，因此，通过将编译后的仿真模型的代码分配给多核仿真机进行并行计算，可以实时运行大型电网物理系统安全实时仿真模型，提高计算的效率。
另外，所述FPGA还用于对所述多核仿真机未接收到的数据进行标记；所述多核仿真机根据所述标记获取所述未接收到的数据，并根据已接收数据与获取的未接收到的数据进行优化计算。这样，多核仿真机可以对用电设备工作时的全部数据进行计算，避免遗漏数据，提高数据处理的准确性。
另外，所述大型电网物理系统安全实时仿真系统还包括：上位机、数字信号处理器DSP与多核仿真机；所述上位机通过所述DSP连接至所述多核仿真机；所述上位机，用于建立大型电网物理系统仿真模型、编译所述大型电网物理系统仿真模型、并将编译后的大型电网物理系统仿真模型下载到所述DSP；所述DSP，用于将编译后的大型电网物理系统仿真模型的代码分配给所述多核仿真机进行并行计算。通过将编译后的大型电网物理系统仿真模型的代码分配给多核仿真机进行并行计算，可以实时运行大型电网物理系统安全实时仿真模型，提高计算的效率，同时提供了另外一种连接方式将上位机与多核仿真机连接在一起，使得本发明的实施方式更加灵活多变。
另外，所述大型电网信息系统安全实时仿真系统具体包括：多个多核CPU服务器组、第二模拟I/O接口、工控设备接入接口与第一外扩板卡；所述多个多核CPU服务器组相互连接；待测工控设备通过所述第二模拟I/O接口、所述工控设备接入接口、所述第一外扩板卡中的至少一个与所述多核CPU服务器组通信连接；所述多核CPU服务器组，用于对所述待测工控设备进行信息安全仿真测试。可仿真多种网络技术及协议，可以实现多网络融合，可连接工控设备的实物设备及物理网络环境，可植入客户现有或特定数据，可连接其他第三方应用软件。
另外，所述电力中心控制仿真系统具体包括：高速并行计算服务器组、应用服务器组与数据储存服务器组；所述高速并行计算服务器组分别与所述应用服务器组、所述数据储存服务器组连接；其中，所述高速并行计算服务器组上安装有并行计算的应用软件。通过并行计算的应用软件，可以仿真一体化平台、调度自动化、能量管理、电力市场交易、设备管理、配电管理、区域控制等，并具有智能监控、数据交换、下达控制指令等功能，对整个仿真电网进行统一调配和管理。
另外，所述工控机安全检测系统具体包括：多核CPU计算服务器、第四模拟I/O接口、协议转换接口与第三外扩板卡；待测工控设备通过所述第四模拟I/O接口、协议转换接口、第三外扩板卡中的至少一个与所述多核CPU计算服务器连接；所述多核CPU计算服务器，用于对所述待测工控设备的网络协议数据进行分析计算测试。可仿真多种网络技术及协议，可以实现多种工控网络协议数据的检查、过滤、报警、阻断功能，基于工业漏洞库的黑名单入侵防御功能、基于机器智能学习引擎的白名单主动防御功能、可实现大规模分布式实时网络部署。
附图说明
图1是根据根据本发明第一实施方式的大型电网信息物理实时仿真平台结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式中的大型电网物理系统安全实时仿真系统结构示意图；
图3是根据本发明第一实施方式中的大型电网信息系统安全实时仿真系统结构示意图；
图4是根据本发明第一实施方式中的电力中心控制仿真系统结构示意图；
图5是根据本发明第一实施方式中的工控机安全检测系统结构示意图；
图6是根据本发明第二实施方式中的大型电网物理系统安全实时仿真系统结构示意图；
图7是根据本发明第三实施方式中的电力中心控制仿真系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种大型电网信息物理实时仿真平台。如图1所示，包括：大型电网物理系统安全实时仿真系统、大型电网信息系统安全实时仿真系统、工控机安全检测系统、电力中心控制仿真系统与功率放大器，其中，大型电网物理系统安全实时仿真系统中包括第一模拟I/O接口。
大型电网物理系统安全实时仿真系统与大型电网信息系统安全实时仿真系统通过高速接口相连，工控机安全检测系统通过高速接口与大型电网物理系统安全实时仿真系统相连，电力中心控制仿真系统通过高速接口分别与大型电网物理系统安全实时仿真系统、大型电网信息系统安全实时仿真系统相连。
在实际应用中，大型电网物理系统安全实时仿真系统可以通过功率放大器与用电设备进行电连接，并通过功率放大器为用电设备供电。用电设备可以通过第一模拟I/O接口与大型电网物理系统安全实时仿真系统通信连接；并通过第一模拟I/O接口将工作时的数据输出至大型电网物理系统安全实时仿真系统，以进行硬件在环仿真测试(HIL)和快速控制原型(RCP)测试。
需要说明的是，本实施方式中的用电设备可以为多个，第一模拟I/O接口也可以为多个，不同的用电设备可以通过不同的第一模拟I/O接口接入大型电网物理系统安全实时仿真系统，也可以通过外扩板卡接入大型电网物理系统安全实时仿真系统，进行硬件在环仿真测试(HIL)和快速控制原型(RCP)测试。
本实施方式中的大型电网物理系统安全实时仿真系统还可以包括：上位机、现场可编程门阵列(FPGA)与多核仿真机，如图2所示。上位机可以通过FPGA连接至多核仿真机，上位机用于建立大型电网物理系统仿真模型、编译大型电网物理系统仿真模型、并将编译后的大型电网物理系统仿真模型下载到FPGA，具体的，上位机可以通过TCP/IP协议或者其他协议将编译后的仿真模型下载到FPGA，然后FPGA将编译后的大型电网物理系统仿真模型的代码分配给多核仿真机进行并行计算，可实时运行大型的物理系统安全仿真模型。
在实际应用中，FPGA还可以对多核仿真机未接收到的数据进行标记，多核仿真机根据标记获取未接收到的数据，并根据已接收数据与获取的未接收到的数据进行优化计算。这样，多核仿真机可以对用电设备工作时的全部数据进行计算，避免遗漏数据，提高数据处理的准确性。
本实施方式中的大型电网信息系统安全实时仿真系统具体包括：多核CPU服务器组、第二模拟I/O接口、工控设备接入接口与第一外扩板卡。其中多核CPU服务器组可以包含多个多核CPU服务器，且多个多核CPU服务器相互连接，并预留其他设备接入接口。待测工控设备可以通过第二模拟I/O接口与多核CPU服务器组通信连接，如图3中所示。在实际应用中，待测工控设备也可以通过工控设备接入接口、第一外扩板卡等与多核CPU服务器组连接，以方便多核CPU服务器组对待测工控设备进行信息安全仿真测试。
在实际应用中，对待测工控设备进行电网信息系统安全实时仿真时，可以使用QualNet、NS3等高速通信仿真软件，基于高速并行处理算法，灵活开放的C/C++代码结构，具有高精度、高鲁棒性，多种软硬件实时接口，可实时仿真模拟通信数据截获与防御、电网大用户数据隐私截获与防御、通信协议入侵与防御、弱账号密码入侵与防御、通信网络病毒感染与防御、嗅探器扫描入侵与防御、IP欺骗入侵与防御、数据库注入入侵与防御、设备仪器设置参数入侵与防御、无线传感器入侵与防御、电力监控系统入侵与防御、无线信号干扰入侵与防御、网络路由器入侵与防御、节点破坏入侵与防御等安全特征。下面以通信数据截获与防御为例进行说明。在仿真模拟通信数据截获与防御时，大型电网物理系统安全实时仿真系统产生节点A的电流电压等数据，通过大型电网信息系统安全实时仿真系统的数据通路进行数据传输，目的是将数据传输到电力中心控制仿真系统中的节点B，在数据传输过程中的某一个通讯节点上入侵，把入侵的节点B1伪装成B，这时候A就把数据直接传给了这个伪装节点B1，就截获了数据，然后再通过B1把数据发给B，从A、B的角度看，不会发现数据已经被截获了。
本实施方式中的电力中心控制仿真系统具体包括：高速并行计算服务器组、应用服务器组与数据储存服务器组，如图4所示。高速并行计算服务器组分别与应用服务器组、数据储存服务器组连接；其中，高速并行计算服务器组上安装有并行计算的应用软件。具体的说，通过并行计算的应用软件，可以仿真一体化平台、调度自动化、能量管理、电力市场交易、设备管理、配电管理、区域控制等，并具有智能监控、数据交换、下达控制指令等功能，对整个仿真电网进行统一调配和管理。比如说，在仿真设备管理时，通过系统仿真和外接设备及其他设备参数的采集，统一进行设备管理，以达到效率最优。
本实施方式中的工控机安全检测系统具体包括：多核CPU计算服务器、第四模拟I/O接口、协议转换接口与第三外扩板卡，其中，待测工控设备可以通过第四模拟I/O接口与多核CPU计算服务器连接，如图5所示。在实际应用中，待测工控设备也可以通过协议转换接口、第三外扩板卡、高速的数字I/O接口等与多核CPU服务器组连接，以方便多核CPU计算服务器对待测工控设备进行的网络协议数据进行分析计算测试。具体的说，本实施方式中的工控机安全检测系统，可以支持多种工业网络协议，支持多种工控机安全扫描，可离线或在线升级，可扩展其他功能，具备多种工控网络协议数据的检查、过滤、报警、阻断功能，基于工业漏洞库的黑名单入侵防御功能、基于机器智能学习引擎的白名单主动防御功能、可实现大规模分布式实时网络部署。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过大型电网物理系统安全实时仿真系统和大型电网信息系统安全实时仿真系统的结合，可以对电网信息物理安全混合系统进行实时仿真，模拟电网信息物理实时状态，有利于对现有安全问题进行诊断，还可以对未来电网的信息物理混合系统和电网安全状态进行仿真和预测，降低应用计算分析的难度。另外，通过融合信息物理的特征，可以仿真分析电网信息物理安全性问题，并且可以检测工控机安全，具有高实时性、灵活性、可靠性和综合性，还可以对网络物理故障和安全、网络信息安全、电网工控机安全等一系列大规模复杂模型的电力系统安全问题实现有效的仿真模拟与验证试验，加速电力系统信息物理安全领域的科研和产品研发，具有广阔的应用前景。
本发明的第二实施方式涉及一种大型电网信息物理实时仿真平台。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，上位机可以通过现场可编程门阵列(FPGA)连接至多核仿真机。而在本发明第二实施方式中，上位机可以通过数字信号处理器(DSP)连接至多核仿真机。
具体的说，本实施方式中的大型电网物理系统安全实时仿真系统还可以包括：上位机、数字信号处理器(DSP)与多核仿真机，如图6所示。
上位机可以通过DSP连接至多核仿真机；上位机用于建立大型电网物理系统仿真模型、编译大型电网物理系统仿真模型、并将编译后的大型电网物理系统仿真模型下载到DSP，具体的，上位机可以通过TCP/IP协议或者其他协议将编译后的仿真模型下载到DSP，然后DSP将编译后的大型电网物理系统仿真模型的代码分配给多核仿真机进行并行计算。
本实施方式中上位机可以通过数字信号处理器(DSP)连接至多核仿真机，提供了另外一种连接方式，使得本发明的实施方式更加灵活多变。
本发明第三实施方式涉及一种大型电网信息物理实时仿真平台，第三实施方式在第一实施方式的基础上做了改进，改进之处在于：本实施方式中的电力中心控制仿真系统还可以包括：第三模拟I/O接口、监控设备接入接口与第二外扩板卡。
具体的说，本实施方式中用电设备的监控设备可以通过第三模拟I/O接口接入高速并行计算服务器组，如图7所示。在实际应用中，监控设备也可以通过接入接口、第二外扩板卡、高速的数字I/O接口等与高速并行计算服务器组进行连接，以便高速并行计算服务器组根据监控设备输入的对用电设备的监控数据进行计算，对仿真的大型电网进行统一调配和管理。
在本实施方式中，监控设备可以监控用电设备在工作时的工作数据，并将该数据发送至高速并行计算服务器组进行计算，然后将计算数据传输至大型电网物理系统安全实时仿真系统中进行仿真测试。
在本实施方式，可以将用电设备的监控设备接入高速并行计算服务器组，无需在大型电网物理系统安全实时仿真系统中接入待测工控设备，使得本发明实施方式更方便。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，包括：大型电网物理系统安全实时仿真系统、大型电网信息系统安全实时仿真系统、工控机安全检测系统与电力中心控制仿真系统；
所述大型电网物理系统安全实时仿真系统与所述大型电网信息系统安全实时仿真系统通过高速接口相连，所述工控机安全检测系统通过高速接口与所述大型电网物理系统安全实时仿真系统相连，所述电力中心控制仿真系统通过高速接口分别与所述大型电网物理系统安全实时仿真系统、所述大型电网信息系统安全实时仿真系统相连。
2.根据权利要求1所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，还包括功率放大器；所述大型电网物理系统安全实时仿真系统中具体包括：第一模拟I/O接口；
用电设备通过所述功率放大器与所述大型电网物理系统安全实时仿真系统电连接，所述用电设备通过所述第一模拟I/O接口与所述大型电网物理系统安全实时仿真系统通信连接；
所述大型电网物理系统安全实时仿真系统，用于通过所述功率放大器为所述用电设备供电；
所述用电设备，用于通过所述第一模拟I/O接口将工作时的数据输出至所述大型电网物理系统安全实时仿真系统，以进行硬件在环仿真测试HIL和快速控制原型RCP测试。
3.根据权利要求2所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，所述大型电网物理系统安全实时仿真系统还包括：上位机、现场可编程门阵列FPGA与多核仿真机；
所述上位机通过所述FPGA连接至所述多核仿真机；
所述上位机，用于建立大型电网物理系统仿真模型、编译所述大型电网物理系统仿真模型、并将编译后的大型电网物理系统仿真模型下载到所述FPGA；
所述FPGA，用于将编译后的大型电网物理系统仿真模型的代码分配给所述多核仿真机进行并行计算。
4.根据权利要求3所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，所述FPGA还用于对所述多核仿真机未接收到的数据进行标记；
所述多核仿真机根据所述标记获取所述未接收到的数据，并根据已接收数据与获取的未接收到的数据进行优化计算。
5.根据权利要求2所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，所述大型电网物理系统安全实时仿真系统还包括：上位机、数字信号处理器DSP与多核仿真机；
所述上位机通过所述DSP连接至所述多核仿真机；
所述上位机，用于建立大型电网物理系统仿真模型、编译所述大型电网物理系统仿真模型、并将编译后的大型电网物理系统仿真模型下载到所述DSP；
所述DSP，用于将编译后的大型电网物理系统仿真模型的代码分配给所述多核仿真机进行并行计算。
6.根据权利要求1所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，所述大型电网信息系统安全实时仿真系统具体包括：多核CPU服务器组、第二模拟I/O接口、工控设备接入接口与第一外扩板卡；
所述多核CPU服务器组相互连接；
待测工控设备通过所述第二模拟I/O接口、所述工控设备接入接口、所述第一外扩板卡中的至少一个与所述多核CPU服务器组通信连接；
所述多核CPU服务器组，用于对所述待测工控设备进行信息安全仿真测试。
7.根据权利要求1所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，所述电力中心控制仿真系统具体包括：高速并行计算服务器组、应用服务器组与数据储存服务器组；
所述高速并行计算服务器组分别与所述应用服务器组、所述数据储存服务器组连接；其中，所述高速并行计算服务器组上安装有并行计算的应用软件。
8.根据权利要求7所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，所述电力中心控制仿真系统还包括：第三模拟I/O接口、监控设备接入接口与第二外扩板卡；
用电设备的所述监控设备通过所述第三模拟I/O接口、所述监控设备接入接口、所述第二外扩板卡中的至少一个接入所述高速并行计算服务器组；
所述高速并行计算服务器组，用于根据所述监控设备输入的对所述用电设备的监控数据进行计算，对仿真的大型电网进行统一调配和管理。
9.根据权利要求1所述的大型电网信息物理实时仿真平台，其特征在于，所述工控机安全检测系统具体包括：多核CPU计算服务器、第四模拟I/O接口、协议转换接口与第三外扩板卡；
待测工控设备通过所述第四模拟I/O接口、协议转换接口、第三外扩板卡中的至少一个与所述多核CPU计算服务器连接；
所述多核CPU计算服务器，用于对所述待测工控设备的网络协议数据进行分析计算测试。
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