CN112580173A - 一种配电网系统的信息处理系统及方法 - Google Patents

一种配电网系统的信息处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种配电网系统的信息处理系统及方法，所述方法包括：通过配电网系统的网络传输层从以太网络获取信息指令；配电网系统的仿真层通过第一接口和/或第二接口建立与所述以太网络之间的连接并进行信息交互；所述仿真层包括物理层、信息层和应用层；其中，第一接口为配电网系统的物理层与信息层之间信息交互的接口，第二接口是配电网系统的信息层和应用层之间信息交互的接口。本发明的技术方案确保实时性的同时提高了仿真系统的效率，为配电网CPS的运行分析，故障处理提供可靠的仿真平台。

Description

一种配电网系统的信息处理系统及方法
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，尤其涉及一种配电网系统的信息处理系统及方法。
背景技术
传统电网仿真是单一的对电网物理系统仿真，仿真其电压，电流，幅值，相位等电气参数的变化，均忽略通信系统、电网控制系统对电网物理系统运行的影响。随着智能电网的建设，配电网具备信息物理系统的典型特征，逐步发展成为电气系统与通信系统紧密耦合的配电网CPS(配电网信息物理系统(cyber physical system,CPS))。
若要完整模拟配电网CPS的运行流程，传统的仿真方法已不再适用，需要建立配电网信息物理仿真系统。配电网信息物理仿真的三层架构，基本表述为物理层、信息层与应用层。三层架构分别属于三个不同的仿真系统，不同的仿真系统单独仿真完全可行。
但是，三个系统的信息如何交互，三个系统如何协同运行保障仿真结果的可靠性是目前最大的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种配电网系统的信息处理系统及方法，用于确保实时性的同时提高了仿真系统的效率，为配电网CPS的运行分析，故障处理提供可靠的仿真平台。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供如下技术方案：
一种配电网系统的信息处理方法，包括：
接收以太网络传递的信息指令；
通过第一接口和/或第二接口建立配电网系统的仿真层与所述以太网络之间的连接并进行信息交互；所述仿真层包括物理层、信息层和应用层；
其中，第一接口为配电网系统的物理层与信息层之间信息交互的接口，第二接口是配电网系统的信息层和应用层之间信息交互的接口。
可选的，所述第一接口为物理信息接口，所述物理信息接口用于物理层、以太网络和信息层进行信息传输。
可选的，所述物理信息接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述物理层和所述信息层之间的连接；
生成通讯报文并发送：或
接收并解析通讯报文；
关闭连接。
可选的，所述物理信息接口通过时间同步机制进行信息交互。
可选的，所述时间同步机制包括：
编码物理层传至信息层的上传报文或解码信息层传至物理层的下发报文，并通过所述物理信息接口判断交互信息的类型；
不同类型的交互信息根据预先设置的时间间隔分别进入对应的所述物理信息接口的通道并使用以太网络进行信息交互。
可选的，所述第二接口为信息应用接口，所述信息应用接口用于信息层、以太网络和应用层进行信息交互。
可选的，所述信息应用接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述信息层和所述应用层之间的连接；
接收信息层发送的数据包并解析；或
按照控制策略和报文协议生成控制数据包并发送数据包至所述信息层。
可选的，所述信息应用接口通过事件触发机制进行信息交互。
可选的，所述事件触发机制包括：
在交互条件未发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站分别独立运行，不进行信息交互；
在交互条件发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站通过所述信息应用接口使用以太网络进行信息交互。
本发明的实施例还提供一种配电网系统的信息处理系统，包括：
指令接收模块，用于接收以太网络传递的信息指令；
接口层模块，用于通过第一接口和/或第二接口建立配电网系统的仿真层与所述以太网络之间的连接并进行信息交互；所述仿真层包括物理层、信息层和应用层；
其中，第一接口为配电网系统的物理层与信息层之间信息交互的接口，第二接口是配电网系统的信息层和应用层之间信息交互的接口。
本发明的实施例，具有如下技术效果：
本发明的上述技术方案，基于配电网CPS仿真架构，构建了配电网CPS仿真架构之间交互接口；根据分类交互的信息，基于时间同步机制和事件触发交互机制实现信息的同步交互，确保实时性的同时提高仿真系统的效率，为配电网CPS的运行分析，故障处理提供了可靠的仿真平台。
附图说明
图1为本发明实施例提供的配电网系统的信息处理系统的架构的示意图；
图2为本发明实施例提供的物理信息接口的运行流程；
图3为本发明实施例提供的时间同步机制的运行原理示意图；
图4为本发明实施例提供的事件触发机制的运行原理示意图；
图5为本发明实施例提供的信息应用接口的运行流程；
图6为本发明实施例提供的配电网系统的信息处理统仿真流程示意图；
图7为本发明实施例提供的物理信息接口模型示意图；
图8为本发明实施例提供的配电网系统的信息处理系统的架构及仿真流程的一种实施例；
图9为本发明实施例提供的配电网62节点拓扑示意图。
图10A至图10C为本发明实施例提供的配电网节点有功功率监测值的示意图；
图11A至图11C为本发明实施例提供的配电网节点无功功率监测值的示意图；
图12A至图12B为本发明实施例提供的配电网节点电压电流有效值监测值的示意图；
图13A至图13C为本发明实施例提供的配电网节点断路器状态监测值的示意图；
图14为本发明实施例提供的事件触发信号与断路器动作信号监测值的示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明提供一种配电网系统的信息处理系统，包括：
指令接收模块，用于接收以太网络传递的信息指令；
接口层模块，用于通过第一接口和/或第二接口建立配电网系统的仿真层与所述以太网络之间的连接并进行信息交互；所述仿真层包括物理层、信息层和应用层；
其中，第一接口为配电网系统的物理层与信息层之间信息交互的接口，第二接口是配电网系统的信息层和应用层之间信息交互的接口。
物理层仿真实现模拟配电网，配电网终端等设备运行情况；
信息层仿真实现模拟通信信息在通信网路中的上传下发及路由等功能；
应用层仿真实现模拟配电主站功能。
本发明的该实施例基于配电网CPS(配电网信息物理系统(cyber physicalsystem,CPS))仿真架构，构建了配电网CPS仿真架构之间交互接口；根据分类交互的信息，基于时间同步机制和事件触发交互机制实现信息的同步交互，确保实时性的同时提高仿真系统的效率，为配电网CPS的运行分析，故障处理提供了可靠的仿真平台。
本发明一可选的实施例，所述第一接口为物理信息接口，所述物理信息接口用于物理层、以太网络和信息层进行信息传输。
具体的，如图1所示，网络传输层为以太网络，通过以太网络，建立物理信息接口将物理层和信息层连接，通过以太网络，建立信息应用接口将信息层和应用层连接；其中，物理信息接口和信息应用接口为物理层、信息层、应用层与以太网络的通路，进而实现了物理层、信息层和应用层之间的同步信息交互，使得配电网的信息可以在三层之间交互传输。
本发明一可选的实施例，所述物理信息接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述物理层和所述信息层之间的连接；
生成通讯报文并发送：或
接收并解析通讯报文；
关闭连接。
具体的，如图2所示，建立网络中物理层模块地址与信息层模块地址连接；图2中客户端服务器端是物理信息端口的组成部分，分别表示端口中物理层和信息层与以太网连接的端口。
物理层模块建模采用微分代数方程来描述电气系统的连续时间响应模型，采用不同的数值积分算法对该模型进行求解，采用并行仿真实现物理层模块实时仿真，一般物理系统仿真步长为50μs；
所述物理信息接口，根据配电网实际运行场景，交互的信息具备多时间尺度特性，包含毫秒级，秒级，分钟级；例如遥测、遥信、遥控时间尺度均不同，信息交互接口仿真步长分别设置为1毫秒，1秒，1分钟。
本发明的该实施例，为了保障通信的可靠性，网络传输层协议采用TCP协议，使用三次握手协议尝试建立连接。
本发明一可选的实施例，所述物理信息接口通过时间同步机制进行信息交互。
本发明一可选的实施例，如图3所示，所述时间同步机制包括：
编码上传报文或解码下发报文并通过所述物理信息接口判断交互信息的类型；不同类型的信息分别进入对应的所述物理信息接口进行传输。
具体的，多时间尺度信息交互接口按照采样频率运行。
本发明一可选的实施例，所述时间同步机制包括：
编码物理层传至信息层的上传报文或解码信息层传至物理层的下发报文，并通过所述物理信息接口判断交互信息的类型；
不同类型的交互信息根据预先设置的时间间隔分别进入对应的所述物理信息接口的通道并使用以太网络进行信息交互。
本发明的该实施例，采用时间同步机制实现信息实时交互，降低了仿真系统负担的同时，提高了系统运行效率。
本发明一可选的实施例，所述第二接口为信息应用接口，所述信息应用接口用于信息层、以太网络和应用层进行信息交互。
本发明一可选的实施例，如图5所示，所述信息应用接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述信息层和所述应用层之间的连接；
接收信息层发送的数据包并解析；或
按照控制策略和报文协议生成控制数据包并发送数据包至所述信息层。
具体的，信息层模块主要仿真通信信息的上传下发及在通信线路中的路由功能，以体现通信信息的误码，延迟，丢包等通信特征，采用实时仿真方法(绝大多数信息层仿真均为实时仿真)，保证二者与物理客观时间一致，进而保证物理层和信息层同步。
本发明一可选的实施例，所述信息应用接口通过事件触发机制进行信息交互。
本发明一可选的实施例，所述事件触发机制包括：
在交互条件未发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站分别独立运行，不进行信息交互；
在交互条件发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站通过所述信息应用接口使用以太网络进行信息交互。
具体的，如图4所示，信息层中仿真工具和应用层中的模拟配电主站的仿真工具在同一时刻运行，信息应用接口是应用层和信息层信息交互的通道，在无事件(即无采集的状态数据包、控制数据包发送时)信息系统和应用系统分别独立运行，两者之间无数据的交互。当事件发生时，信息层和应用层的模拟配电主站系统通过信息应用接口使用以太网络进行数据交互，由于以太网固有的传输延时，两者的数据交互存在一时间差Δt。信息传输后，接口仍然连接，下一次事件出现，再次进行数据传输。
其中，交互条件是事件是否发生，事件发生时，进行信息的交互，否则，信息不进行交互，因为没有事件发生，也没有相应的信息需要交互。
其中，事件指的是信息系统向配电主站上传的信息，以及配电主站向信息系统下发的命令。
如图6所示，本发明的实施例通过以下过程实现：
信息也就是交互的数据，以电力系统数据采集与监控(SCADA)系统信息为例，交互的数据包括遥测、遥信、遥控和遥调，四遥信息用于对电力系统进行监测和控制，遥测、遥信信息是配电网监测设备采集，经信息系统上传至配电主站SCADA系统的信息，实现电力系统的监测功能；遥控和遥调是配电主站SCADA系统经信息系统下传至配电网各配电网终端的信息，以控制配电网运行，实现电力系统的控制功能。
具体的，物理层仿真中产生遥测，遥信信息，当这些信息上传时，首先进入物理信息接口，不同类型信息需要按照毫秒级，秒级，分钟级的时间间隔进行交互，接口根据信息类型，判断遥测，遥信信息的时间属性，使其按照相应时间间隔经过物理信息接口通道，实现物理层和信息层的信息交互；当遥测，遥信信息按照各自周期进入信息层后，信息层模拟仿真这些信息传输的特性，包括信息的延迟，堵塞，误码，丢包等特性；遥测，遥信信息经过信息层具备相应特性后，进入信息应用接口，此时信息应用接口判断产生了上传事件，开始应用事件触发机制，建立信息层与应用层连接，将遥测，遥信信息传送至应用层(配电主站SCADA仿真系统)，实现了电力系统监测功能。
应用层(配电主站SCADA仿真系统)仿真产生遥控、遥调信息，进入信息应用接口，此时信息应用接口判断产生了下发事件，开始应用事件触发机制，建立信息层仿真软件与应用层仿真软件连接，将遥控、遥调信息发送至信息层统，信息层模拟仿真这些下发信息传输的特性，包括信息的延迟，堵塞，误码，丢包等特性，再经过物理信息接口，下发信息具有随机性，可经过时间同步机制中的毫秒周期，间隔1毫秒将下发命令传递至物理层，控制物理层中的电气系统的运行，进而实现了电力系统的控制功能。
本发明的上述技术方案还可以通过如下实现方式实现：
如图7所示，物理信息接口模型通过C语言编程。
具体的，物理信息接口模型，DataEncode模块为编码模块，需设置输入变量的数据类型和通讯编码方式，即可对输入数据进行编码并转发至服务台TcpClient模块。
DataDecode模块为解码模块，需设置输出变量的数据类型和通讯编码方式，即可将TcpClient传送的数据进行解读，转化为物理模型所识别的数据。
TcpClient模块需设置本地IP和远程IP及端口号，建立IP地址间连接，通过上述Tcp协议，实现DataEncode模块数据发送至远端IP和将远端IP的数据接收至DataDecode模块。
图7中的RxTxControl为信号模块；RxTxBlock为内容模块；TcpClientMininet为客户端模块；CommState为状态模块。
如图8所示，提供一种配电网62节点拓扑，仿真三相短路故障及相应处理过程对本方法的可行性和有效性进行验证；
具体的，ADN-SIM中建立某地区62节点配电网算例，如图9，Mininet建立配电网对应的通信网络模型，Labview建立模拟主站模型并编写了一种集中式保护控制算法。
图7至图8的仿真流程包括：
1)仿真开始，ADN-SIM，Mininet，Labview分别实时模拟配电网，通信网，配电主站运行。
2)参照DL/T 5002-2005和DL/T 5003-2005标准，远方保护命令系统的传输时延为毫秒级，用电信息采集(电能采集、电能质量管理)和配电信息采集(设备状态监控、分布式电源监控)业务时延标准为秒级，经济功率分配计算业务时延标准为分钟级，不同业务采用时间同步机制在配电网，通信网和配电主站中传输。
3)60秒时，配电网11节点与12节点间发生三相短路故障，故障后断路器重合闸失败，产生过流信息上传主站，此时采用事件触发机制将遥测，遥信信息传输至通信网和主站；经过主站集中式保护控制算法得到的遥控量采用时间触发机制下传至配电网相应终端，完成故障监控和处理。
4)仿真结束。
仿真开始后，线路有功，无功功率，电流，电压，断路器分、合闸状态经时间同步机制交互同步，配电主站对配电网运行参数实时监控。
其中，如图10A至图10C所示，配电网节点的有功功率，如图11A至11C所示，无功功率监测值以1秒的时间尺度与主站进行信息交互，监测数据为离散数据。
如图12A至图12B所示，11节点的相电压，相电流以1毫秒的时间尺度与主站进行信息交互，可看做连续数据。
如图13A至图13C所示，11节点、12节点、13-3节点断路器状态量以1毫秒的时间尺度与主站进行信息交互。
如图14所示，为事件触发信号，没有故障事件发生时，信号值为0，62.65秒，事件触发机制被激活，信号值为1，将事件信息上传至主站，实现了物理信息与主站的信息交互。
综上，仿真至60s时，配电网11、12节点间发生三相短路故障，首先11，12节点断路器跳闸；之后，11节点断路器重合闸，重合闸失败后，短路故障事件触发机制被激活，过流故障信息上发，主站集中式保护，下发控制断路器分合命令，实现故障隔离和负荷转供。如图11A至图11C所示，故障处理后，切除11，12节点，其功率均为0；13节点实现负荷转供，正常运行。在事件触发机制下，故障事件信息传输时延大约为300ms。
在该实现方式中，电压电流功率等遥测量，断路器状态等遥信量通过时间同步机制，实现了信息物理交互；突发事件信息，控制动作等遥调量通过事件触发机制，实现了信息物理交互。
本发明的上述技术方案，通过时间同步机制和事件触发机制，可实现配电网仿真中各类信息的信息物理同步交互。
本发明实施例还提供一种配电网系统的信息处理方法，其特征在于，包括：
接收以太网络传递的信息指令；
通过第一接口和/或第二接口建立配电网系统的仿真层与所述以太网络之间的连接并进行信息交互；所述仿真层包括物理层、信息层和应用层；
其中，第一接口为配电网系统的物理层与信息层之间信息交互的接口，第二接口是配电网系统的信息层和应用层之间信息交互的接口。
可选的，所述第一接口为物理信息接口，所述物理信息接口用于物理层、以太网络和信息层进行信息传输。
可选的，所述物理信息接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述物理层和所述信息层之间的连接；
生成通讯报文并发送：或
接收并解析通讯报文；
关闭连接。
可选的，所述物理信息接口通过时间同步机制进行信息交互。
可选的，所述时间同步机制包括：
解码上传报文或下发报文并通过所述物理信息接口判断交互信息的类型；
不同类型的信息分别进入对应的所述物理信息接口进行传输。
可选的，所述第二接口为信息应用接口，所述信息应用接口用于信息层、以太网络和应用层进行信息交互。
可选的，所述信息应用接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述信息层和所述应用层之间的连接；
接收信息层发送的数据包并解析；或
按照控制策略和报文协议生成控制数据包并发送数据包至所述信息层。
可选的，所述信息应用接口通过事件触发机制进行信息交互。
可选的，所述事件触发机制包括：
在交互条件未发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站分别独立运行，不进行信息交互；
在交互条件发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站通过所述信息应用接口使用以太网络进行信息交互。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种配电网系统的信息处理方法，其特征在于，包括：
接收以太网络传递的信息指令；
通过第一接口和/或第二接口建立配电网系统的仿真层与所述以太网络之间的连接并进行信息交互；所述仿真层包括物理层、信息层和应用层；
其中，第一接口为配电网系统的物理层与信息层之间信息交互的接口，第二接口是配电网系统的信息层和应用层之间信息交互的接口。
2.根据权利要求1所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述第一接口为物理信息接口，所述物理信息接口用于物理层、以太网络和信息层进行信息交互。
3.根据权利要求2所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述物理信息接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述物理层和所述信息层之间的连接；
生成通讯报文并发送：或
接收并解析通讯报文；
关闭连接。
4.根据权利要求3所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述物理信息接口通过时间同步机制进行信息交互。
5.根据权利要求4所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述时间同步机制包括：
编码物理层传至信息层的上传报文或解码信息层传至物理层的下发报文，并通过所述物理信息接口判断交互信息的类型；
不同类型的交互信息根据预先设置的时间间隔分别进入对应的所述物理信息接口的通道并使用以太网络进行信息交互。
6.根据权利要求1所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述第二接口为信息应用接口，所述信息应用接口用于信息层、以太网络和应用层进行信息交互。
7.根据权利要求6所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述信息应用接口通过以下过程进行信息交互：
建立所述信息层和所述应用层之间的连接；
接收信息层发送的数据包并解析；或
按照控制策略和报文协议生成控制数据包并发送数据包至所述信息层。
8.根据权利要求7所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述信息应用接口通过事件触发机制进行信息交互。
9.根据权利要求8所述的配电网系统的信息处理方法，其特征在于，
所述事件触发机制包括：
在交互条件未发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站分别独立运行，不进行信息交互；
在交互条件发生时，控制所述信息层和所述应用层的模拟配电主站通过所述信息应用接口并使用以太网络进行信息交互。
10.一种配电网系统的信息处理系统，其特征在于，包括：
指令接收模块，用于接收以太网络传递的信息指令；
接口层模块，用于通过第一接口和/或第二接口建立配电网系统的仿真层与所述以太网络之间的连接并进行信息交互；所述仿真层包括物理层、信息层和应用层；
其中，第一接口为配电网系统的物理层与信息层之间信息交互的接口，第二接口是配电网系统的信息层和应用层之间信息交互的接口。
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