CN108873734A - 一种配电网信息物理联合仿真平台及方法 - Google Patents

一种配电网信息物理联合仿真平台及方法 Download PDF

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陈彬
范元亮
朱淑娟
黄建业
张功林
吴涵
张明龙
郑凌娟
王健
汤奕
王�琦
韩啸
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Abstract

本发明提供一种配电网信息物理联合仿真平台及方法,其包括数字测试验证部分和动模测试验证部分;所述数字测试验证部分包括配电网动模平台、通信实体网络及主站物理设备;动模测试验证部分包括RT‑Lab、OPNET及主站数字平台;配电网动模平台和配电网络数字平台组成电力层;通信实体网络和通信数字平台组成通信层;主站物理设备和主站数字平台组成主站层。能够快速精确地模拟系统动态交互行为。将数字仿真与动模仿真联合统一,优势互补。数字仿真用于快速建模和参数调整,动模仿真用于对无法精确数学建模的元件进行模拟,以高效的时间同步方法兼容连续系统仿真和离散事件仿真,有效验证CPS环境下的配电网中通信系统对电力系统的影响。

Description

一种配电网信息物理联合仿真平台及方法
技术领域
本发明属于配电网仿真分析领域,具体来涉及一种配电网信息物理联合仿真平台。
背景技术
现代配电网包含了大量物理网络、信息设备和计算单元,逐渐发展为大规模信息物理系统(cyber-physical system, CPS),并且呈现出连续系统与离散系统并存、运行方式多样化、网络安全问题突出等特点。为解决这些问题,需要增加大量通信设施,以实现分布式电源的优化控制及其与大电网间的协同控制,达到一次设备、控制终端和多级控制器互通。上述因素导致配电网的网络拓扑结构愈加复杂,给配电网的规划和运行带来较大不确定性。因此迫切需要发展配电网信息物理系统相关理论和方法,通过数据信息自动闭环流动实现配电网的状态感知、实时分析、科学决策和精准执行。
在信息物理系统中,仿真测试验证平台是前瞻性开发研究中的重要手段,可以用来分析配电网技术的可靠性、开放性与互通性,辨识和评估实际工程实施和运行的风险,从而针对配电网CPS运行特点,提出高效适配、安全稳定的系统解决方案。对复杂异构的大规模配电网CPS,其测试验证要体现其可观、开放、融合、安全、自治的特征,这就要求测试验证平台组成灵活、控制多样、信息多源、建模协调。在组成框架上,采用模块化设计,体现系统的整体性与层次性;在控制方式上,以功能为出发点,因地制宜地采用集中式、分布式和混合式控制手段;在信息采集上,需兼容各设备元件通讯方式的复杂性,实现对多源信息的融合应用;从建模角度来看,既要对物理实体进行精细化建模,体现设备自身特性,又要能反映不同时空尺度的实体之间的交互影响,从而真实地反映系统的运行规律。
发明内容
为了提高配电网信息物理融合系统仿真效率和仿真精度,本发明设计了一种信息物理联合仿真平台。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种配电网信息物理联合仿真平台,其包括数字测试验证部分和动模测试验证部分;所述数字测试验证部分包括配电网动模平台、通信实体网络及主站物理设备;所述动模测试验证部分包括RT-Lab、OPNET及主站数字平台;其中所述配电网动模平台和配电网络数字平台组成电力层;通信实体网络和通信数字平台组成通信层;主站物理设备和主站数字平台组成主站层。
在本发明一实施例中,在电力层中,配电网动模平台与RT-Lab通过四象限功率放大器进行连接;通信实体网络与OPNET通过交换机进行连接;主站物理设备与主站数字平台通过交换机进行连接。
在本发明一实施例中,电力层、通信层和主站层之间通过以太网进行连接。
在本发明一实施例中,所述数字测试验证部分和动模测试验证部分通过触发信号进行同步。
在本发明一实施例中,电力层、通信层和主站层之间通过对时报文进行同步。
在本发明一实施例中,所述主站物理设备包括电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块及环网柜模块;所述电源模块与主变模块输出连接;所述环网柜模块与电源模块输出通过母线连接;所述馈线单元模块通过缆线投切模块与配电网动模平台输出连接。进一步的,将电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块及环网柜模块所包含的器件组装在一屏柜内。
本发明还提供一种配电网信息物理联合仿真方法,其包括以下步骤:步骤一:仿真开始后,数字测试验证部分和动模测试验证部分进行同步;步骤二:通过RT-Lab和配电网络动模平台对电力系统模型进行实时仿真,得到系统的当前状态,同时根据预先设定的通信协议向OPNET和通信实体网络上传带时标的状态信息;步骤三:OPNET和实体通信网络对通信系统进行仿真,确定电力系统状态信息数据传输路径、拓扑结构及数据安全等级,并将仿真后的数据包发送给主站物理设备和主站数字平台;步骤四:主站物理设备和主站数字平台接收到状态信息数据后,根据预设控制策略生成控制指令,并发送给OPNET和实体通信网络;步骤五:OPNET和实体通信网络接收到包含控制指令的命令数据包后进行仿真计算,并将仿真后的数据包发送给RT-Lab和配电网络动模平台;步骤六:RT-Lab和配电网络动模平台接收到命令数据包后,更新电力系统模型,返回步骤二,直到满足仿真结束条件。
在本发明一实施例中,步骤四中动模测试部分与数字验证部分通过触发信号进行同步。
在本发明一实施例中,步骤四中电力层、通信层和主站层之间通过对时报文进行同步。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1. 本发明提出一种面向配电网的信息物理联合仿真平台实现方案,采用了配电网动模平台和RT-Lab作为电力系统仿真工具、通信实体网络和OPNET作为通信系统仿真工具、主站物理设备和主站数字平台作为主站业务仿真工具,在电力层、通信层和主站层中分别设计动模部分和数字部分的交互接口,并且设计了三层之间的数据交互接口,能够快速精确地模拟系统动态交互行为。
2. 本发明将数字仿真与动模仿真联合统一,优势互补。数字仿真用于快速建模和参数调整,动模仿真用于对无法精确数学建模的元件进行模拟,以高效的时间同步方法兼容连续系统仿真和离散事件仿真,有效验证CPS环境下的配电网中通信系统对电力系统的影响。
附图说明
图1为本发明提出的面向配电网的信息物理联合仿真平台架构图;
图2为配电网动模平台结构图;
图3为本发明实施例分布式光伏无功优化场景图;
图4为本发明实施例仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。
本发明能够针对不同的电力网络特征和信息网络特征,按照不同的配电网控制业务,设定对应的模型和接口,观察验证通信网络对电力系统的影响以及在系统失稳情况下保护措施的作用,具有重要的实际意义和巨大的经济效益。
一种配电网信息物理联合仿真平台,其包括数字测试验证部分和动模测试验证部分;所述数字测试验证部分包括配电网动模平台、通信实体网络及主站物理设备;所述动模测试验证部分包括RT-Lab、OPNET及主站数字平台;其中所述配电网动模平台和配电网络数字平台组成电力层;通信实体网络和通信数字平台组成通信层;主站物理设备和主站数字平台组成主站层。
在本发明一实施例中,在电力层中,配电网动模平台与RT-Lab通过四象限功率放大器进行连接;通信实体网络与OPNET通过交换机进行连接;主站物理设备与主站数字平台通过交换机进行连接。
在本发明一实施例中,电力层、通信层和主站层之间通过以太网进行连接。
在本发明一实施例中,所述数字测试验证部分和动模测试验证部分通过触发信号进行同步。
在本发明一实施例中,电力层、通信层和主站层之间通过对时报文进行同步。
在本发明一实施例中,所述主站物理设备包括电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块及环网柜模块;所述电源模块与主变模块输出连接;所述环网柜模块与电源模块输出通过母线连接;所述馈线单元模块通过缆线投切模块与配电网动模平台输出连接。进一步的,将电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块及环网柜模块所包含的器件组装在一屏柜内。
本发明还提供一种配电网信息物理联合仿真方法,其包括以下步骤:
步骤一:仿真开始后,数字测试验证部分和动模测试验证部分进行同步;
步骤二:通过RT-Lab和配电网络动模平台对电力系统模型进行实时仿真,得到系统的当前状态,同时根据预先设定的通信协议向OPNET和通信实体网络上传带时标的状态信息;
步骤三:OPNET和实体通信网络对通信系统进行仿真,确定电力系统状态信息数据传输路径、拓扑结构及数据安全等级,并将仿真后的数据包发送给主站物理设备和主站数字平台;
步骤四:主站物理设备和主站数字平台接收到状态信息数据后,根据预设控制策略生成控制指令,并发送给OPNET和实体通信网络;
步骤五:OPNET和实体通信网络接收到包含控制指令的命令数据包后进行仿真计算,并将仿真后的数据包发送给RT-Lab和配电网络动模平台;
步骤六:RT-Lab和配电网络动模平台接收到命令数据包后,更新电力系统模型,返回步骤二,直到满足仿真结束条件。
在本发明一实施例中,步骤一中动模测试部分与数字验证部分通过触发信号进行同步。
在本发明一实施例中,步骤一中电力层、通信层和主站层之间通过对时报文进行同步。
图1为本发明提出的一种面向配电网的信息物理联合仿真平台,包括电力物理系统仿真设备、信息系统仿真器以及主站设备;所述联合平台的连接方式为:在通信层中,数字测试验证部分与动模测试验证部分通过四象限功率放大器进行连接,在通信层和主站层中,数字测试验证部分与动模测试验证部分通过交换机进行连接,各层之间通过以太网进行连接。
图2为本发明一具体实施例的配电网动模平台结构图,包括3座110 kV变电站、8条馈线、3类CPS终端、负载和变压器,可弥补数字模拟偏理论化和理想化的缺点。动模测试验证部分采用模块化设计,将种类繁多的器件按照功能分为不同模块:电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块、环网柜模块。将模块所包含的器件组装成屏柜,方便设计与安装,有利于后期更改线路拓扑和系统拓展。
图3为本发明一实施例中分布式光伏无功优化场景图,搭建了分布式光伏电站的无功优化控制场景。在该多分布式电源区域中,关键线路发生故障,从而导致电压跌落。基于光伏逆变器自身的无功调压能力,在故障时增发逆变器的无功输出,为电网提供电压支撑。CPS终端采集分布式发电信息以及系统电压信息,将多源信息采集上传至控制主站,制定无功控制策略,并由主站下发光伏无功出力调整指令,以实现区域内节点通过邻域交互就地协商分布式电源出力分配,从而提升系统的故障自治能力。
仿真前用户分别在RT-Lab和OPNET中搭建电力系统和通信系统模型,并配置相应的主站业务;配置动模仿真与数字仿真的接口,讲数字模型与物理模型相对应;配置通信协议,将电力模型、通信模型和主站业务相对应;
在该联合仿真平台下仿真步骤如下:
步骤一:各个模块首先进行同步;
步骤二:通过RT-Lab和配电网络动模平台对电力系统模型进行实时仿真,得到系统的当前状态,同时根据用户预先设定的通信协议向OPNET和通信实体网络上传带时标的状态信息,如节点电压信息、线路功率信息等;
步骤三:OPNET和实体通信网络对通信系统进行仿真,确定电力系统状态信息数据传输路径、拓扑结构、数据安全等级等信息,并将仿真后的数据包发送给主站物理设备和主站数字平台;
步骤四:主站物理设备和主站数字平台接收到状态信息数据后,根据预设控制策略生成控制指令,并发送给OPNET和实体通信网络;
步骤五:OPNET和实体通信网络接收到命令数据包后进行仿真计算,并将仿真后的数据包发送给RT-Lab和配电网络动模平台;
步骤六:RT-Lab和配电网络动模平台接收到命令数据包后,更新电力系统模型,返回步骤二,直到满足仿真结束条件。
采用本发明仿真平台和方法对该例进行仿真,效果如图4。可以看到在故障阶段,由于通信环境2与1相比有30 ms的延时,因此主站不能及时获得电网故障状态信息,从而对光伏无功控制效果迟滞,整体故障电压比环境1下降了0.003 pu。在恢复阶段,同样由于通信的滞后性,控制中心误判,此时仍处于故障状态,未能及时削减无功,因此整体恢复电压比环境1高0.002 pu。基于CPS主站与监测终端之间的信息互动与协同控制,实现了故障快速自愈,同时也验证了信息流对电网运行的影响,体现了本发明的有效性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种配电网信息物理联合仿真平台,其特征在于:包括数字测试验证部分和动模测试验证部分;所述数字测试验证部分包括配电网动模平台、通信实体网络及主站物理设备;所述动模测试验证部分包括RT-Lab、OPNET及主站数字平台;其中所述配电网动模平台和配电网络数字平台组成电力层;通信实体网络和通信数字平台组成通信层;主站物理设备和主站数字平台组成主站层。
2.根据权利要求1所述的配电网信息物理联合仿真平台,其特征在于:在电力层中,配电网动模平台与RT-Lab通过四象限功率放大器进行连接;通信实体网络与OPNET通过交换机进行连接;主站物理设备与主站数字平台通过交换机进行连接。
3.根据权利要求1所述的配电网信息物理联合仿真平台,其特征在于:电力层、通信层和主站层之间通过以太网进行连接。
4.根据权利要求1所述的配电网信息物理联合仿真平台,其特征在于:所述动模测试验证部分与数字测试验证部分通过触发信号进行同步。
5.根据权利要求1所述的配电网信息物理联合仿真平台,其特征在于:电力层、通信层和主站层之间通过对时报文进行同步。
6.根据权利要求1所述的配电网信息物理联合仿真平台,其特征在于:所述主站物理设备包括电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块及环网柜模块;所述电源模块与主变模块输出连接;所述环网柜模块与电源模块输出通过母线连接;所述馈线单元模块通过缆线投切模块与配电网动模平台输出连接。
7.根据权利要求6所述的配电网信息物理联合仿真平台,其特征在于:将电源模块、馈线单元模块、缆线投切模块及环网柜模块所包含的器件组装在一屏柜内。
8.一种配电网信息物理联合仿真方法,其特征在于: 包括以下步骤:
步骤一:数字测试验证部分和动模测试验证部分进行同步;
步骤二:通过RT-Lab和配电网络动模平台对电力系统模型进行实时仿真,得到系统的当前状态,同时根据预先设定的通信协议向OPNET和通信实体网络上传带时标的状态信息;
步骤三:OPNET和实体通信网络对通信系统进行仿真,确定电力系统状态信息数据传输路径、拓扑结构及数据安全等级,并将仿真后的数据包发送给主站物理设备和主站数字平台;
步骤四:主站物理设备和主站数字平台接收到状态信息数据后,根据预设控制策略生成控制指令,并发送给OPNET和实体通信网络;
步骤五:OPNET和实体通信网络接收到包含控制指令的命令数据包后进行仿真计算,并将仿真后的数据包发送给RT-Lab和配电网络动模平台;
步骤六:RT-Lab和配电网络动模平台接收到命令数据包后,更新电力系统模型,返回步骤二,直到满足仿真结束条件。
9.根据权利要求8所述的配电网信息物理联合仿真方法:步骤一中动模测试部分与数字验证部分通过触发信号进行同步。
10.根据权利要求8所述的配电网信息物理联合仿真方法:步骤一中电力层、通信层和主站层之间通过对时报文进行同步。
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