CN112153165B - 一种电力业务仿真环境构建方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力业务仿真环境构建方法、系统、设备及存储介质，基于软件定义电网框架的针对电力设备与电力系统紧密耦合的特性，通过软件定义的方式，将整个面向电力业务的仿真框架分解为应用定义层、运行控制层和电力底层设备层三个层次，实现电力底层设备层设备的自动化发现以及电力业务场景的自动化配置。可解决电力网络安全仿真过程中人工操作专业度高、自动配置难、操作效率低等相关问题，通过仿真环境快速构建方法，实现各类电力业务环境的软硬件资源灵活配置和管控，能够支撑网络安全防护体系的验证工作，支撑网络安全供方技术人员的培训工作，并对外开展网络安全防护方案的测评工作。

Description

一种电力业务仿真环境构建方法、系统、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及电力仿真环境构建领域，具体为一种电力业务仿真环境构建方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

如今电网的自动化程度已经有了很大的提高，随着可再生能源的大规模发展，整个电力系统也在向着自动化智能化的方向发展。同时电网的规模不断增大，电压等级逐渐提高，电力系统功能愈发复杂多样，智能电子设备种类与功能也在不断地增多，若在实际电网中进行相应的实验分析，会对电网的安全性、可靠性、稳定性造成一定的影响，因此仿真分析已成为目前现代电网研究的主要手段。

然而在传统的电力系统仿真中，由于需要对每一个仿真设备进行单独的配置与控制，使得传统的建模过程复杂性高。同时电网的智能化依赖于智能电子设备的智能化，而这些设备不仅种类多、功能复杂，而且接入方式和控制形式也越来越多样化，这使得智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）的配置、接入方面的工作难度增大。因此在传统的电网中引入软件定义的相关技术，在此基础之上进行相应的改进实现仿真设备的集中控制。

虽然目前有将软件定义技术应用于传统电网当中的研究，但是传统的软件定义技术仍存在一定的局限性。例如传统的北向接口中含有大量的解释字段会降低传输效率，其难以对电力系统设备资产层资源提供有效的高级封装。因此导致了人工操作专业度高，自动配置难，操作效率低等相关问题。并且现有技术中，主要面向电力系统仿真，对于信息通信和电力工控系统的仿真不足，无法完整准确反映电力网络仿真验证全环境的运行过程。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种电力业务仿真环境构建方法、系统、设备及存储介质，设计合理，操作效率高，实际电力设备组件、通信设备组件能够灵活调用、拼接和自动配置，不同电力业务场景仿真环境构建灵活。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种电力业务仿真环境构建方法，包括：

根据电力业务仿真环境的需求，从图像模型库中调用相应的图像模型建立电力业务的仿真图像模型实例；

根据图像模型和语言模型的映射关系，对应仿真图像模型实例中的图像模型，调用语言模型库中对应的语言模型生成仿真语言模型实例；

将仿真语言模型实例中的语言模型通过语义转换，转换为系统配置文件；根据系统配置文件，在约束条件下生成抽象组件模型；通过功能分析得到抽象组件模型对应的电力底层设备的软硬件；

根据电力业务仿真环境需求，对相应电力底层设备的软硬件进行配置，构建电力业务仿真环境。

优选的，所述的语言模型库由如下步骤得到，

对电力底层设备进行发现，并按照通信设备及电力设备进行分类；

根据分类分别建立通信能力模型库及电力设备模型库，将通信能力模型库及电力设备模型库合并为语言模型库。

进一步，所述的语言模型库为由建模语言表示的通信能力模型及电力设备模型的集合。

进一步，根据系统配置文件，在约束条件下生成抽象组件模型，具体步骤如下，

根据发现设备的设备信息和预定义的约束条件，对系统配置文件进行解析，生成抽象组件模型。

优选的，所述的图像模型库由如下步骤得到，

基于模型驱动，建立语言模型与预定义的电力底层设备图像模型之间的映射关系，形成对应的图像模型库。

一种电力业务仿真环境构建系统，包括：

应用定义层，用于根据电力业务仿真环境的需求，从图像模型库中调用相应的图像模型建立电力业务的仿真图像模型实例；

北向接口，用于根据图像模型和语言模型的映射关系，对应仿真图像模型实例中的图像模型，调用语言模型库中对应的语言模型生成仿真语言模型实例；

运行控制层，用于将仿真语言模型实例中的语言模型通过语义转换，转换为系统配置文件；根据系统配置文件，在约束条件下生成抽象组件模型；通过功能分析得到抽象组件模型对应的电力底层设备的软硬件；

电力底层设备层，用于根据电力业务仿真环境需求，对相应电力底层设备的软硬件进行配置，构建电力业务仿真环境。

优选的，应用定义层，还用于基于模型驱动，建立语言模型与预定义的电力底层设备图像模型之间的映射关系，形成对应的图像模型库。

优选的，北向接口，还用于根据分类分别建立通信能力模型库及电力设备模型库，将通信能力模型库及电力设备模型库合并为语言模型库。

优选的，运行控制层，还用于对电力底层设备进行发现，并按照通信设备及电力设备进行分类；还用于根据发现设备的设备信息和预定义的约束条件，对系统配置文件进行解析，生成抽象组件模型。

优选的，电力底层设备层，用于通过通信协议插件，对通信设备及电力设备进行自动化发现，将设备的描述文件上传到运行控制层。

一种电力业务仿真环境构建设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述电力业务仿真环境构建方法的步骤。

一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述电力业务仿真环境构建方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明针对电力底层设备与电力系统紧密耦合的特性，在终端和协议仿真的基础上，结合软件定义的思想将系统中网络设备的控制平面和数据平面分离，通过逻辑上的集中控制构建开放的、可编程的网络体系结构，达到电力网络仿真环境的快速构建的目的。

进一步的，为了解决传统建模方式中建模过程复杂，业务模型的设计和部署时间长等问题，本发明在运行控制层，通过自动组网编排系统以及仿真控制器，实现实际电力设备组件、通信设备组件灵活调用、拼接和自动配置，进而实现电力物理、虚拟仿真设备的灵活调配以及对电力通信网络的柔性搭建。

进一步的，针对智能电子设备种类多，功能复杂，配置繁琐的问题，本发明通过自发现自配置技术来发现底层设备，生成相应的设备模型；根据用户定义的电力业务图像模型生成对应的电力业务语言模型，将电力业务语言模型模型发送给仿真控制器，仿真控制器再根据模型对底层设备进行自动化配置，完成设备的配置过程。

进一步的，针对北向接口传输效率较低的特点，本发明设计了基于模型驱动的北向接口，通过北向接口图像模型与语言模型的映射功能，提高了应用定义层与运行控制层的交互效率，同时也提高了建模的可拓展性。

附图说明

图1为本发明实例中所述基于软件定义的电网仿真框架图；

图2为本发明实例中所述自动组网编排系统的结构原理框图；

图3为本发明实例中所述仿真控制器的结构原理框图；

图4为本发明实例中所述自发现自配置的流程框图；

图5为本发明实例中所述自动建模过程的结构原理框图；

图6为本发明实例中所述基于模型驱动的北向接口与应用层交互的结构原理框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明通过基于软件定义电网框架的电力业务仿真环境构建方法，针对电力设备与电力系统紧密耦合的特性，通过软件定义的方式，将整个面向电力业务的仿真框架分解为应用定义层、运行控制层和电力底层设备层三个层次，实现电力底层设备层设备的自动化发现以及电力业务场景的自动化配置。可解决电力网络安全仿真过程中人工操作专业度高、自动配置难、操作效率低等相关问题，通过仿真环境快速构建方法，实现各类电力业务环境的软硬件资源灵活配置和管控，能够支撑网络安全防护体系的验证工作，支撑网络安全供方技术人员的培训工作，并对外开展网络安全防护方案的测评工作。

具体的，本发明提供了一种电力仿真环境快速构建的方法，该方法包括了基于软件定义的电网仿真框架以及在该框架下的实际建模过程，本发明提出的基于软件定义的电网仿真框架，将软件定义的思想应用于电力业务的仿真环境的快速构建之中，达到电力业务场景的仿真环境快速构建的目的。如图1所示，具体仿真框架结构以及建模步骤如下。

所述基于软件定义电网仿真框架包括：

1.应用定义层包括了各种由用户定制和构建的电网功能和业务服务的应用模型，包括用于提供电力业务图像模型实例的电力业务仿真模型和用于提供图像模型库的图像仿真模型库。

2.运行控制层主体由组网编排系统构成，组网编排系统是整个软件定义电网的核心和中枢，汇集电网中的设备状态数据，同时分解上层定制的应用，分发控制指令给物理设备层的设备。其中组网编排系统包括了抽象组件模型与仿真控制器两部分。

2.1抽象组件模型是仿真控制器可以理解的模型，其通过组网编排系统进行转换。北向接口提取电力业务图像模型中的网络功能组件、电力设备组件以及组件连接模型（用来表示设备组件之间的连接关系），通过调用图像模型库与语言模型库之间的映射关系，生成电力业务语言模型（电力业务图像模型通过编程语言构建的模型）。运行控制层根据电力业务语言模型生成相应的系统配置文件（电力业务语言模型在运行控制层的表达）。在组网编排系统中，根据预定义的约束条件对系统配置文件进行解析，同时调用设备自发现技术生成的设备信息，生成仿真控制器可以理解的抽象组件模型。

2.2仿真控制器负责与电力设备的交互，完成电网一次设备、电网二次设备的自动发现、自动配置、动作控制、安全控制等功能，同时实现通信设备的配置以及通信网络的优化。如图3所示，仿真控制器是逻辑上的电能和信息传输、处理的集中路由器。仿真控制器采用多种控制器集成的方式实现对仿真模型中的不同对象进行精确控制；在接口呈实现组件的分解与映射，在控制层通过控制器进行各种功能的集成，其在控制层的服务子层包括了软件定义网络SDN（Software Defined Network）控制器等实现服务控制，在内核子层实现设备发现和资源控制等等内核操作；通过驱动层对系统进行支持。

3.电力底层设备层也是系统中的电力虚拟/实际设备层，包括电力设备和通信设备。电力设备包括电网中具备智能能力的电力一次设备、电力二次设备(如保护设备、自动化设备)，通信设备包括网络交换机等。这两类设备都是软件定义电网的核心设备。

4.连接应用定义层与运行控制层的北向接口，用于应用定义层获取电网状态数据以及运行控制层分解上层定制应用；其中，北向接口由应用程序接口实现。

本发明提出的基于模型驱动的北向接口技术，用于实现电力应用层的图像模型与北向接口中的语言模型之间的快速映射。

5.如图4所示，连接运行控制层与电力底层设备层的南向接口，用于运行控制层获取底层设备的信息，同时对底层设备进行配置。南向接口主要用于实现电力设备与通信设备的自动发现与自动配置，南向接口由通用协议插件实现，本优选实例中采用由运行控制层到电力底层设备层的UPnP协议插件，以及由电力底层设备层到运行控制层的Open low协议插件。

在所述的电网仿真框架之下，如图5所示，可对相关的电力业务进行快速的仿真建模。电力业务的实际建模过程描述如下：

S1.通过相关通信协议插件，对电力底层设备层的通信设备及电力设备进行自动化发现，将设备的描述文件上传到运行控制层的仿真控制器当中。

S2.仿真控制器将发现的设备按照通信设备及电力设备进行分类，将分类后的设备上传到北向接口当中。在北向接口中，根据仿真控制器完成的通信设备及电力设备分类，建立通信能力模型库及电力设备模型库，将两个模型库合并为语言模型库(由建模语言表示的各类设备模型的集合)。

S3.在应用定义层，预定义相关设备的图像模型，在北向接口建立语言模型库之后，如图6所示，基于模型驱动的思想建立图像模型与语言模型之间的映射关系，生成对应的图像模型库。

S4.在完成图像模型库的构建之后，用户根据相应的电力业务从图像模型库中调用相应的图像模型来建立电力业务的仿真图像模型实例。

S5.如图6所示，在北向接口中解析电力业务的仿真图像模型，根据先前建立的图像模型与语言模型之间的映射关系，对语言模型库中的语言模型进行调用，在图像模型实例中的连接关系的基础之上生成语言模型实例。

S6.在运行控制层，对语言模型实例进行语义转换，将语言模型转换成为系统配置文件，组网编排系统根据系统配置文件生成抽象组件模型。仿真控制器统一接收所有的组件模型，调用不同的子控制器对相应的组件模型进行功能性分析，确定不同的模型所对应的电力底层设备层的软硬件设备，随后根据需求对电力底层设备层的相应设备进行自动化配置，实现对应用定义层定义的电力业务模型的实物化建模。

本发明提出的仿真环境快速构建流程，在对底层设备进行自动化发现和自动化配置的基础之上，实现基于应用定义层构建的图像仿真模型的电力业务仿真环境快速构建。

运行控制层总体由组网编排系统构成，组网编排系统是整个软件定义电网的核心和中枢，汇集电网状态数据，同时分解上层定制的应用，分发控制指令给物理设备层的设备。其中组网编排系统包括了抽象组件模型与仿真控制器两部分。本发明提出的自动组网编排系统以及其包含的仿真控制器，在该软件定义电网仿真框架中处于核心地位。一方面，利用仿真控制器对底层设备进行设备发现、提取设备描述文件的操作；另一方面，应用定义层所构建仿真模型的图像模型实例，通过北向接口映射生成对应的语言模型实例；仿真控制器解析生成的语言模型实例，获取应用定义层的需求并根据需求生成相关设备的实例配置文件，对相应设备进行配置。

1.1、抽象组件模型是仿真控制器可以理解的模型，其通过组网编排系统进行转换。北向接口提取电力业务图像模型中的网络功能组件、电力设备组件以及组件连接模型（用来表示设备组件之间的连接关系），通过调用图像模型库与语言模型库之间的映射关系，生成电力业务语言模型（电力业务图像模型通过编程语言构建的模型）。运行控制层根据电力业务语言模型生成相应的系统配置文件（电力业务语言模型在运行控制层的表达）。如图2所示，在组网编排系统中，根据预定义的约束条件对系统配置文件进行解析，同时调用设备自发现技术生成的设备信息，生成仿真控制器可以理解的抽象组件模型。

1.2、仿真控制器负责与电力设备的交互，完成电网一次设备、电网二次设备的自动发现、自动配置、动作控制、安全控制等功能，同时实现通信设备的配置以及通信网络的优化。仿真控制器是逻辑上的电能和信息传输、处理的集中路由器。仿真控制器采用多种控制器集成的方式实现对仿真模型中的不同对象进行精确控制。

在以上框架基础之上，进行具体执行时，包括如下步骤，

步骤S1，通过相关通信协议插件，对电力底层设备层的通信设备及电力设备进行自动化发现，将设备的描述文件上传到运行控制层的仿真控制器当中。

步骤S2，仿真控制器将发现的设备按照通信设备及电力设备进行分类，将分类后的设备上传到北向接口当中。在北向接口中，根据仿真控制器完成的通信设备及电力设备分类，建立通信能力模型库及电力设备模型库，将两个模型库合并为语言模型库(由建模语言表示的各类设备模型的集合)。

步骤S3，在应用定义层，预定义相关设备的图像模型，在北向接口建立语言模型库之后，基于模型驱动的思想建立图像模型与语言模型之间的映射关系，生成对应的图像模型库。

步骤S4，在完成图像模型库的构建之后，用户根据相应的电力业务从图像模型库中调用相应的图像模型来建立电力业务的仿真图像模型实例。

步骤S5，在北向接口中解析电力业务的仿真图像模型，根据先前建立的图像模型与语言模型之间的映射关系，对语言模型库中的语言模型进行调用，在图像模型实例中的连接关系的基础之上生成语言模型实例。

步骤S6，在运行控制层，对语言模型实例进行语义转换，将语言模型转换成为系统配置文件，组网编排系统根据系统配置文件生成抽象组件模型。仿真控制器统一接收所有的组件模型，调用不同的子控制器对相应的组件模型进行功能性分析，确定不同的模型所对应的电力底层设备层的软硬件设备，随后根据需求对电力底层设备层的相应设备进行自动化配置，实现对应用定义层定义的电力业务模型的实物化建模。

本发明为解决网络安全仿真验证环境的快速构建难题，提出一种电力业务仿真环境构建方法，基于软件定义将面向电力业务的整体仿真框架进行分层设计，通过电力底层设备层设备的自动化发现以及电力业务场景的自动化配置，实现实际电力设备组件、通信设备组件灵活调用、拼接和自动配置，达到不同电力业务场景仿真环境灵活构建的目的。本发明提升了网络安全技术和工具的试验验证能力，相比现有技术，在交互性和便利性等方面较为先进；依托本发明可高效搭建电力网络安全仿真验证全景环境，具备良好的成果转化应用前景。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电力业务仿真环境构建方法，其特征在于，包括：

根据电力业务仿真环境的需求，从图像模型库中调用相应的图像模型建立电力业务的仿真图像模型实例；

根据图像模型和语言模型的映射关系，对应仿真图像模型实例中的图像模型，调用语言模型库中对应的语言模型生成仿真语言模型实例；

将仿真语言模型实例中的语言模型通过语义转换，转换为系统配置文件；根据系统配置文件，在约束条件下生成抽象组件模型；通过功能分析得到抽象组件模型对应的电力底层设备的软硬件；

根据电力业务仿真环境需求，对相应电力底层设备的软硬件进行配置，构建电力业务仿真环境；

所述的语言模型库由如下步骤得到，

对电力底层设备进行发现，并按照通信设备及电力设备进行分类；

根据分类分别建立通信能力模型库及电力设备模型库，将通信能力模型库及电力设备模型库合并为语言模型库；

根据系统配置文件，在约束条件下生成抽象组件模型，具体步骤如下，

根据发现设备的设备信息和预定义的约束条件，对系统配置文件进行解析，生成抽象组件模型。

2.根据权利要求1所述的一种电力业务仿真环境构建方法，其特征在于，所述的语言模型库为由建模语言表示的通信能力模型及电力设备模型的集合。

3.根据权利要求1所述的一种电力业务仿真环境构建方法，其特征在于，所述的图像模型库由如下步骤得到，

基于模型驱动，建立语言模型与预定义的电力底层设备图像模型之间的映射关系，形成对应的图像模型库。

4.一种电力业务仿真环境构建系统，其特征在于，包括：

应用定义层，用于根据电力业务仿真环境的需求，从图像模型库中调用相应的图像模型建立电力业务的仿真图像模型实例；

北向接口，用于根据图像模型和语言模型的映射关系，对应仿真图像模型实例中的图像模型，调用语言模型库中对应的语言模型生成仿真语言模型实例；

运行控制层，用于将仿真语言模型实例中的语言模型通过语义转换，转换为系统配置文件；根据系统配置文件，在约束条件下生成抽象组件模型；通过功能分析得到抽象组件模型对应的电力底层设备的软硬件；

电力底层设备层，用于根据电力业务仿真环境需求，对相应电力底层设备的软硬件进行配置，构建电力业务仿真环境；

北向接口，还用于根据分类分别建立通信能力模型库及电力设备模型库，将通信能力模型库及电力设备模型库合并为语言模型库；

运行控制层，还用于对电力底层设备进行发现，并按照通信设备及电力设备进行分类；还用于根据发现设备的设备信息和预定义的约束条件，对系统配置文件进行解析，生成抽象组件模型。

5.根据权利要求4所述的一种电力业务仿真环境构建系统，其特征在于，应用定义层，还用于基于模型驱动，建立语言模型与预定义的电力底层设备图像模型之间的映射关系，形成对应的图像模型库。

6.根据权利要求4所述的一种电力业务仿真环境构建系统，其特征在于，电力底层设备层，用于通过通信协议插件，对通信设备及电力设备进行自动化发现，将设备的描述文件上传到运行控制层。

7.一种电力业务仿真环境构建设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至3中任一项所述电力业务仿真环境构建方法的步骤。

8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3中任一项所述电力业务仿真环境构建方法的步骤。

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