CN107169168A - 用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统仿真领域，尤其涉及一种用于电力信息物理系统仿真中前置机仿真模型及实现方法。所述仿真模型包括：前置数据处理仿真模块、前置机通信仿真模块、命令队列和数据队列。所述前置机通信仿真模块基于信息通信仿真器的逻辑节点来实现，并与信息通信仿真器中的智能终端仿真模型进行通信；所述前置数据处理仿真模块作为独立模块，负责与SCADA系统通信的同时，通过所述数据队列和所述命令队列与所述前置机通信仿真模块进行通信。本发明通过设计前置机仿真模型，解决了将实物SCADA系统作为仿真环节的信息物理联合仿真方案中信息通信仿真器与SCADA系统进行时间同步与数据交互问题。

Description

用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型及实现方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真领域，尤其涉及一种用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型及实现方法。

背景技术

随着智能电网的快速发展，先进的信息通信技术在电力系统中得到广泛应用，信息通信系统和物理电力系统相互耦合，形成了电力信息物理耦合系统(CPS)。电网数据采集与监视控制系统(SCADA)是电力信息物理耦合系统中重要的信息系统，是电网控制中心——能量管理系统(EMS)最重要的子系统，担负着电气设备远程监视和控制的重任，其承载业务的可靠性是调度中心对厂站端进行远程控制的关键。SCADA系统业务信息通过电力调度数据网传输，通信网络作为SCADA信息传输的载体，其性能的优劣直接影响系统调度控制功能的实时可靠实施。

目前，对电力信息物理耦合系统进行分析，联合仿真方法已成为最有效的手段之一。通常将电力连续系统和信息离散事件系统的动态仿真结合起来，即将电力系统仿真器和信息通信系统仿真器协同运作，以实现连续和离散事件动态过程独立仿真和信息交互的功能。作为电力信息物理耦合系统控制中心的SCADA系统，以往的方案是在信息信仿真器中对其进行抽象和功能简化建模。由于SCADA系统是一个功能较为复杂的平台软件，信息通信仿真器中简化抽象的SCADA模型，在仿真过程中无法全面、真实刻画其功能和性能，也无法准确全面反映其对电网的交互作用，同时也给基于SCADA的高级应用软件的功能模拟带来难度。

对现有电力信息物理系统联合仿真方案分析如下：

(1)现有方案是在信息通信仿真器中对SCADA系统进行抽象和功能简化建模。由于SCADA系统是一个功能较为复杂的平台软件，信息通信仿真器中简化抽象的SCADA模型，在仿真过程中无法全面、真实刻画其功能和性能；

(2)能量管理系统(EMS)的多种高级应用软件，如故障研判与故障隔离、负荷转供、无功/电压控制等基于SCADA软件平台实现，抽象和简化的SCADA仿真模型无法全面支撑这些高级应用软件的仿真(或在抽象和简化的SCADA仿真模型上实现这些高级应用软件的仿真模型较为复杂和困难)，因此无法准确全面模拟电网控制中心对电网控制的交互过程。

本申请中，将真实的SCADA系统放置到电力信息物理仿真环节中，即实物SCADA系统、信息通信仿真器、电力仿真器三者联合仿真。前置机是SCADA系统中与通信系统进行数据交互的接口，通过前置机仿真模型解决信息通信仿真器与SCADA进行时间同步与数据交换的问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于：

(1)本发明通过设计前置机仿真模型，来解决信息通信仿真器与实物SCADA系统进行联合仿真时所面临的时间同步与数据交换问题。

(2)本发明在可提高联合仿真效率的同时，能保证信息通信仿真器与实物SCADA系统进行联合仿真的精确度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型，所述模型包括：前置数据处理仿真模块、前置机通信仿真模块、命令队列和数据队列，其特征在于：

所述前置机通信仿真模块运行在信息通信仿真器的进程空间，与智能终端仿真模型进行通信仿真；

所述前置数据处理仿真模块通过所述命令队列向所述前置机通信仿真模块传送SCADA服务器下发的控制指令；

所述前置机通信仿真模块通过所述数据队列向所述前置数据处理仿真模块发送所述智能终端仿真模型发来的仿真数据；

所述前置数据处理仿真模块将仿真数据转换成真实SCADA系统所要求的格式后，通过SCADA系统专用访问接口将仿真数据传至所述SCADA服务器的实时库中；同时，所述前置数据处理仿真模块通过专用访问接口接收SCADA系统下发的控制指令，并将控制指令存入所述命令队列；

所述前置机通信仿真模块通过所述命令队列接收所述SCADA系统下发的控制指令，转换成信息通信仿真器所要求的消息格式后发送给所述智能终端仿真模型。

进一步地，所述命令队列和数据队列是所述前置数据处理仿真模块和前置机通信仿真模块通信的共享队列。

进一步地，所述前置机通信仿真模块基于信息通信仿真器中的逻辑节点来实现；

所述前置机通信仿真模块作为信息通信仿真器的逻辑节点运行在信息通信仿真器的进程空间。

一种用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型的实现方法：

当前置机仿真模型发现信息通信仿真器传来的逻辑时间慢于当前的物理时间时，执行如下步骤：

(1)前置机仿真模型依据信息通信仿真器当前的逻辑时间来动态刷新SCADA实时库中的“当前逻辑时间”数据域，并发送消息通知SCADA系统将所述“当前逻辑时间”作为SCADA系统的当前时间；

(2)前置机模型依照数据采集周期T的设置，将周期T时间段内采集的仿真数据暂存，在周期结束将实时数据以“批次”的方式上传至SCADA实时数据库；

(3)对于SCADA系统下发的调控指令，其下发时间需要携带实时库中的“当前逻辑时间”，前置服务器仿真模型考虑指令在SCADA系统内的传输时延，最终确定该下发指令进入信息通信仿真器的逻辑时间点；

当前置机仿真模型发现信息通信仿真器传来仿真数据的逻辑时间快于当前的物理时间时，执行如下步骤：

(1‵)当前置机仿真模型向主站SCADA系统上传仿真数据时，由前置机仿真模型根据收到仿真数据的当前物理时间和信息通信仿真器的当前逻辑时间，计算出两者的时间差T，并通过前置机仿真模型的“前置机通信仿真模块”将信息通信仿真器进程挂起等待物理时间T后再执行，仿真数据的时间戳依然是信息通信仿真器的逻辑时间；

(2‵)前置机仿真模型向SCADA系统上传数据的同时，接收SCADA系统下发的控制指令，前置机仿真模型将当前的物理时间加上指令在SCADA系统内的处理延迟时间作为下发指令的逻辑时间，即以此为时间点将该指令的发送事件插入到信息通信仿真器的离散事件队列中，事件触发便将指令发送到通信网络中。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)本发明技术方案将实物SCADA系统引入到电力信息物理系统仿真环节中，可全面模拟SCADA系统在电力信息物理耦合系统中的作用。

(2)本发明技术方案时间同步效率高、同步精度满足需求，可保证联合仿真结果的精确度。

(3)本发明技术方案利用现有SCADA系统的基础，与信息通过性仿真器高效结合，整个方案简单高效易于实现。

附图说明

图1为SCADA与信息通信仿真器间的时间同步与数据交互原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施方式仅供叙述而并非用来限定本发明的范围或实施原则，本发明的保护范围仍以权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。

前置机在整个配电调控主站系统中的角色是“桥梁”，其基本任务是负责SCADA系统与所辖电网各站点之间的实时通信任务。因此，实现前置机与信息通信仿真器间的数据互通与时间同步，便可实现真实SCADA系统的接入与后续的联合仿真功能。

前置机仿真模型整体方案：

要实现SCADA系统与信息通信仿真器的数据互通与时间同步，需要将信息通信仿真器中的智能终端仿真模型采集的遥信、遥测、报警等数据经信息通信仿真器模拟的通信网络传输到实物SCADA系统的主服务器—SCADA服务器，同时能将SCADA系统的控制指令下发至信息通信仿真器中的智能终端仿真模型，进而对电力系统仿真器产生交互影响。

由于信息通信仿真器是单线程的离散事件仿真软件，并且为其内的每个智能终端仿真模型提供的是虚拟IP地址，信息通信仿真器无法直接与SCADA系统的前置机进行直接通信。因此，本方案构建了前置机仿真模型，以实现两个系统的数据交互与时间同步，方案原理如图1所示。

前置机仿真模型包括：前置数据处理仿真模块、前置机通信仿真模块、命令队列和数据队列，其中前置机通信仿真模块基于信息通信仿真器中的逻辑节点来实现，它作为信息通信仿真器的逻辑单元运行在信息通信仿真器的进程空间，与同样运行在信息通信仿真器进程空间的智能终端仿真模型进行通信仿真。

前置数据处理仿真模块作为一个独立的进程，通过命令队列向信息通信仿真器进程中的所述前置机通信仿真模块传送SCADA服务器下发的控制指令。

前置机通信仿真模块通过所述数据队列向前置数据处理仿真模块发送智能终端仿真模型发来的仿真数据；

前置数据处理仿真模块将仿真数据转换成真实SCADA系统所要求的格式后，通过SCADA系统专用访问接口将仿真数据传至所述SCADA服务器的实时库中；同时，前置数据处理仿真模块通过此专用访问接口接收SCADA系统下发的控制指令，并将控制指令存入所述命令队列；

前置机通信仿真模块通过所述命令队列接收所述SCADA系统下发的控制指令，转换成信息通信仿真器所要求的消息格式后发送给所述智能终端仿真模型。

前置数据处理仿真模块和前置机通信仿真模块分属于不同的软件进程，命令队列和数据队列是所述前置数据处理仿真模块和前置机通信仿真模块通信的共享队列。

SCADA系统的前置机有两个基本功能模块，一是通过通信规约与智能终端进行通信的模块；二是数据处理模块，即对智能终端发来的各种采集数据进行处理，使“生数据”变成“熟数据”，并通过专用访问接口上传到SCADA服务器的实时库中，同时接收下发的控制指令转发给通信模块。

本申请的前置机仿真模型由两部分构成来分别模拟以上两个功能，其中前置机通信仿真模块用信息通信仿真器中的逻辑节点来模拟，基于IEC104规约仿真模型实现与信息通信仿真器中智能终端仿真模型的双向通信；第二部分是前置数据处理仿真模块，由一个单独的进程来实现，负责模拟前置机的数据处理与后台访问功能，如数据格式转换，访问SCADA实时数据库、接收遥控指令等功能，前置数据处理仿真模块通过消息队列或共享内存机制与信息通信仿真器进行进程间的通信，接收仿真数据和转发SCADA系统的控制指令。

SCADA服务器与信息通信仿真器的时间同步方案：

SCADA系统是使用物理时钟的实时系统，而信息通信仿真器是单线程的离散事件仿真器，仿真使用的时间是离散的逻辑时钟，两者时间不一致。SCADA系统与信息通信仿真器只有在两者时间同步的情况下，才能实现两个系统的联合仿真。

SCADA系统和信息通信仿真器之间时间不同步情况有两种。一种是信息通信仿真的逻辑时间慢于物理时间，如：信息通信仿真器模拟历时逻辑时间2秒的网络通信过程用去了10秒的物理时间，此种情况下信息通信仿真器的逻辑时间才过去2秒，而物理时间已过去10秒；第二种情况是信息通信仿真器的逻辑时间快于物理时间，如：信息通信仿真器完成历时逻辑时间10秒的网络通信过程，只用了2秒的物理时间。

当仿真的通信网络规模较大时，出现上面所述第一种情况的可能性较大。此种情况下SCADA系统的时间要以信息通信仿真器的逻辑时间为依据，这样才能保证仿真结果的准确性，具体方法是由前置机仿真模型对两个系统的时间进行协调，前置机仿真模型如果发现信息通信仿真器传来的数据逻辑时间慢于当前的物理时间执行如下步骤措施：

(1)前置机仿真模型依据信息通信仿真器当前的逻辑时间来动态刷新SCADA实时库中“当前逻辑时间”数据域，并发送消息通知SCADA系统将“当前逻辑时间”作为SCADA系统的当前时间，从而实现SCADA系统与信息通信仿真器逻辑时间的同步。

(2)前置机模型依照数据采集周期T的设置，将周期T时间段内数据采集装置仿真模型采集的数据暂存，在周期结束将实时数据以“批次”的方式上传至SCADA实时数据库，以模拟数据采集周期内批量到达的场景。

(3)对于主站系统下发的调控指令，其下发时间需要参看实时库中的“当前逻辑时间”，前置服务器仿真模型评估指令在SCADA系统内的平均传输时延，最终确定该下发指令进入信息通信仿真器的逻辑时间点，以此完成物理时间到信息通信仿真器逻辑时间的转换。

当信息通信仿真网络规模较小时，信息通信仿真器的仿真速度很快，就会出现上面所述的第二种情况，即信息通信仿真器的当前逻辑时间早于当前的物理时间。此种情况下，信息通信仿真器需要等待SCADA系统来实现时间同步，具体方法是：

(1‵)当前置机仿真模型向SCADA系统上传数据时，由前置机仿真模型根据收到数据的当前物理时间和信息通信仿真器的当前逻辑时间，计算出两者的时间差t，并通过前置仿真模型的前置机通信仿真模块将信息通信仿真器进程挂起等待物理时间t后再执行，数据的时间戳依然保存的是信息通信仿真器的逻辑时间。

(2‵)当置机仿真模型向SCADA系统上传数据的同时，接收SCADA系统下发的控制指令，前置机仿真模型将当前的物理时间加上指令在SCADA系统内的平均传输延迟作为下发指令的逻辑时间，即以此为时间点将该指令的发送事件插入到信息通信仿真器的离散事件队列中，事件触发便将指令发送到仿真通信网络中。

Claims (4)

1.用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型，所述模型包括：前置数据处理仿真模块、前置机通信仿真模块、命令队列和数据队列，其特征在于：

所述前置机通信仿真模块运行在信息通信仿真器的进程空间，与智能终端仿真模型进行通信仿真；

所述前置数据处理仿真模块通过所述命令队列向所述前置机通信仿真模块传送SCADA服务器下发的控制指令；

所述前置机通信仿真模块通过所述数据队列向所述前置数据处理仿真模块发送所述智能终端仿真模型发来的仿真数据；

所述前置数据处理仿真模块将仿真数据转换成真实SCADA系统所要求的格式后，通过SCADA系统专用访问接口将仿真数据传至所述SCADA服务器的实时库中；同时，所述前置数据处理仿真模块通过专用访问接口接收SCADA系统下发的控制指令，并将控制指令存入所述命令队列；

所述前置机通信仿真模块通过所述命令队列接收所述SCADA系统下发的控制指令，转换成信息通信仿真器所要求的消息格式后发送给所述智能终端仿真模型。

2.根据权利要求1所述的用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型，其特征在于：

所述命令队列和数据队列是所述前置数据处理仿真模块和前置机通信仿真模块通信的共享队列。

3.根据权利要求1所述的用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型，其特征在于：

所述前置机通信仿真模块基于信息通信仿真器中的逻辑节点来实现；

所述前置机通信仿真模块作为信息通信仿真器的逻辑节点运行在信息通信仿真器的进程空间。

4.根据权利要求1所述的一种用于电力信息物理系统仿真的前置机仿真模型的实现方法，其特征在于：

当前置机仿真模型发现信息通信仿真器传来的逻辑时间慢于当前的物理时间时，执行如下步骤：

(1)前置机仿真模型依据信息通信仿真器当前的逻辑时间来动态刷新SCADA实时库中的“当前逻辑时间”数据域，并发送消息通知SCADA系统将所述“当前逻辑时间”作为SCADA系统的当前时间；

(2)前置机模型依照数据采集周期T的设置，将周期T时间段内采集的仿真数据暂存，在周期结束将实时数据以“批次”的方式上传至SCADA实时数据库；

(3)对于SCADA系统下发的调控指令，其下发时间需要携带实时库中的“当前逻辑时间”，前置服务器仿真模型考虑指令在SCADA系统内的传输时延，最终确定该下发指令进入信息通信仿真器的逻辑时间点；

当前置机仿真模型发现信息通信仿真器传来仿真数据的逻辑时间快于当前的物理时间时，执行如下步骤：

(1‵)当前置机仿真模型向主站SCADA系统上传仿真数据时，由前置机仿真模型根据收到仿真数据的当前物理时间和信息通信仿真器的当前逻辑时间，计算出两者的时间差t，并通过前置机仿真模型的“前置机通信仿真模块”将信息通信仿真器进程挂起等待物理时间t后再执行，仿真数据的时间戳依然是信息通信仿真器的逻辑时间；

(2‵)前置机仿真模型向SCADA系统上传数据的同时，接收SCADA系统下发的控制指令，前置机仿真模型将当前的物理时间加上指令在SCADA系统内的处理延迟时间作为下发指令的逻辑时间，即以此为时间点将该指令的发送事件插入到信息通信仿真器的离散事件队列中，事件触发便将指令发送到通信网络中。