CN112737832B - 端到端模型映射的电力通信混合仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种端到端模型映射的电力通信混合仿真方法，属于电力通信技术领域。本发明的目的是在OPNET仿真平台中，从电力通信混合仿真的整体研究场景和研究对象出发，根据调度中心与厂站端通信网络中实际的要求，对智能电网情况下调度中心与厂站端的通信网络系统和保护控制信息流数据进行了建模仿真，选择合适的模块和参数统计量并进行通信模型搭建和仿真的端到端模型映射的电力通信混合仿真方法。本发明步骤是：搭建通信模型、参数的提取与恢复、端到端通信模型的映射。本发明保持了两个系统的动态特性且成本较低，因此具有更为广泛的应用前景，实现通信仿真无偏差的嵌入电力仿真，有效解决两个仿真平台的时间同步问题。

Description

端到端模型映射的电力通信混合仿真方法

技术领域

本发明属于电力通信技术领域。

背景技术

随着智能电网和能源互联网建设的发展，电力系统对高速、可靠信息通信的依赖以及电力和信息之间的融合发展趋势，使电力通信混合仿真成为相关领域的研究热点。电力系统和通信系统在数学模型上存在本质区别，目前尚缺乏高效、可靠的统一仿真工具，现有仿真方法主要包括联立仿真、非实时仿真和实时混合仿真3种方法。

联立仿真方案的主要思想是在单一仿真工具中建立复杂的电力和信息通信复合系统模型。该方法在电力(或通信)系统仿真工具中搭建通信(或电力)系统模型，优点为不需要额外的时间同步工作，但以牺牲电力或通信系统动态性能为代价，只适用于稳态性能分析。

非实时混合仿真仍采用电力和信息通信系统各自的专业仿真软件，通过数据交互和管理模块保持时间同步。可采用PowerWorld Server作为电力系统建模仿真平台以产生静态数据，实时网络安全模拟环境RINSE分析网络传输和受到攻击的响应行为。该方案的提出重点是评估网络攻击下电力通信设施脆弱度，因此没有时间同步相关问题。也可采用adevs仿真工具将电力系统动态过程转换成离散事件，解决电力通信的时间同步问题，时间同步性和仿真效率较好。但用户需要根据离散事件系统规则对电力系统动态响应过程进行单独编程，从而限制了电力系统模型的可靠性和混合仿真平台的扩展性。

实时混合仿真中，电力和信息通信系统均采用能够实时运行的仿真软件，因此形成在物理时间域上的天然同步，避免了非实时仿真方案的时间同步问题。可基于OPAL-RT和OPNET建立电力信息物理系统实时仿真平台，并建立链接电力和通信网络的节点映射模型，使用统一交互接口协调控制多节点电力信息物理系统(Cyber-Physical Systems，CPS)网络的信息交互动态过程。

综上所述，联立仿真通常需要对某个系统进行较大程度的简化建模，牺牲了系统部分动态特性。实时混合仿真由于平台的建设复杂程度、投入成本等原因，全球仅IowaState University、Ohio State University、Virginia Tech、KTH Royal Institute ofTechnology 和东南大学等高校提出了各自的实时混合仿真平台方案，且难以实现规模化电力系统的信息交互场景。

发明内容

本发明的目的是在OPNET仿真平台中，从电力通信混合仿真的整体研究场景和研究对象出发，根据调度中心与厂站端通信网络中实际的要求，对智能电网情况下调度中心与厂站端的通信网络系统和保护控制信息流数据进行了建模仿真，选择合适的模块和参数统计量并进行通信模型搭建和仿真的端到端模型映射的电力通信混合仿真方法。

本发明步骤是：

S1、搭建通信模型

在OPNET通信仿真软件中搭建电力通信网模型，该模型主要由调度中心主站系统模型、变电站端子站系统模型以及由路由器组成的调度数据网网络模型构成；调度中心仿真模型主要包括EMS主站、WAMS主站、继电保护信息系统主站以及在线监测系统主站、交换机和路由器；变电站端仿真模型中包括远动装置、PMU、保信子站、在线监测子站、交换机和路由器，这些设备装置模型构成变电站端子站系统以太网局域网络；

S2、参数的提取与恢复

要在OPNET仿真平台中将已经搭建好的系统模型中将时延参数和误码率参数提取出来，提取方法为右键选择Choose Individual DES Statistics，通过勾选方式实现统计量类型选取，选取时延参数和误码率参数，点击Collection mode中Modefy…按钮，对统计量收集模式进行配置；采用全部值模式，收集所有统计量，将收集的统计量以含时间序列的矢量形式导出并保存；将导出的时延参数和误码率参数恢复，首先要将参数导入到MATLAB的工作空间中，使用From Workspace从计算机中的文件读取参数，该模块从目标计算机硬盘上的文件读取参数，并使用S-function通过编写程序输出参数；

S3、端到端通信模型的映射

将电力通信网的数据传输等效成端到端通信传输的条件为

其中，L为数据包在电力通信网中经过的路径个数，T为端到端通信模型的时延，Ti是电力通信网中数据包经过的第i个路径的时延，E为端到端通信模型的误码率，Ei是电力通信网中数据包经过的第i个路径的误码率；

将映射后得到的多组端到端通信模型的通信参数以含时间序列的矢量形式存储到文件中，作为通信仿真嵌入电力仿真的数据接口，然后在电力仿真中为需要通信的每个站点增加简单的端到端通信模型，以联立的方式实现混合仿真。

本发明保持了两个系统的动态特性且成本较低，因此具有更为广泛的应用前景，实现通信仿真无偏差的嵌入电力仿真，有效解决两个仿真平台的时间同步问题。

附图说明

图1是电力通信混合仿真原理图；

图2是电力通信仿真模型图；

图3是通信系统时延图；

图4是通信系统误码率图；

图5是通信参数导入模型图；

图6是恢复后的通信系统时延图；

图7是恢复后的通信系统误码率图；

图8是端到端通信模型的映射图；

图9是电力仿真模型图；

图10是受固定时延影响的输入图；

图11是受实际时延影响的输入图。

具体实施方式

研究分析了保护控制信息流传输的含有时间序列的关键通信指标，并将其映射转化为多组端到端通信参数，在MATLAB/Simulink仿真平台中将OPNET中得到的通信参数导入，使用From Workspace从计算机中的文件读取数据的模块，该模块从目标计算机硬盘上的文件读取数据，并使用S-function通过编程输出通信参数。从而将OPNET中搭建的电力通信网络等效映射为多个简单的端到端的通信信道，最后在MATLAB中将多个简单的端到端的通信信道无偏差的嵌入电力仿真。

通信的目的是实现信息的传递，不管是复杂的通信网络，还是简单的端到端通信，都是将数据从发送端传递到接收端的过程。因此对于通信终端用户来说，数据的传输过程是透明的。当只关注通信的结果时可以忽略通信的部分细节，将复杂的通信网络中的信息传递过程等效成简单的端到端通信是可行的。

本发明是基于通信参数等效的方法，并不是通信结果等效。与单纯联立方式实现的电力通信混合仿真方法不同，本发明实现的电力通信混合仿真保留了OPNET专业通信仿真软件中通信细节对通信结果的影响。混合仿真中通信系统每次运行的结果仍然是随机的，但通信参数是确定的。当电力通信网的性能、参数发生变化时，只需要重新执行映射过程，就可以满足不同通信场景下电力通信混合仿真的需求。

以MATLAB电力仿真为基础，在仿真系统中为每个通信站点增加通信收发模块，其功能是以端到端的形式等效模拟电力通信网的通信传输。在电力仿真运行且触发通信传输时，按仿真时间读取保存的OPNET通信仿真端到端通信参数，利用在MATLAB中搭建的通信收发模块按照对应关系将通信仿真按照相同的仿真时间导入到电力仿真中，实现通信仿真无偏差的嵌入电力仿真，有效解决两个仿真平台的时间同步问题。

本发明的目的是设计一种基于端到端模型映射的电力通信混合仿真方法，电力通信混合仿真原理图如图1所示，其特点是保持了两个系统的动态特性且成本较低，具有更为广泛的应用前景。

1、搭建通信模型

首先，在OPNET通信仿真软件中搭建电力通信网模型，该模型主要由调度中心主站系统模型、变电站端子站系统模型以及由路由器组成的调度数据网网络模型构成。调度中心仿真模型主要包括EMS主站、WAMS主站、继电保护信息系统主站以及在线监测系统主站、交换机和路由器，上述这些设备装置模型构成调度中心主站系统以太网局域网络。按照各业务系统的安全分区原则，将EMS主站和WAMS主站通过100Mbps的以太网链路连接到一个交换机上，继电保护信息系统主站和在线监测系统主站则连接到另外一个交换机上，实现安全一区和安全二区的系统业务数据在物理设备上的隔离，再将两台交换机分别通过路由器连接到电力调度数据网，该路由器为电力调度数据网的用户边缘路由器CE2。变电站端仿真模型中包括远动装置、 PMU、保信子站、在线监测子站、交换机和路由器等，上述这些设备装置模型构成变电站端子站系统以太网局域网络。按照各业务系统的安全分区原则，将远动装置和PMU通过100Mbps 的以太网链路连接到一个交换机上，保信子站和在线监测子站则连接到另外一个交换机上，实现安全一区和安全二区的系统业务数据在物理设备上的隔离，再将两台交换机分别通过路由器连接到电力调度数据网，该路由器为电力调度数据网的用户边缘路由器CE1，核心层网络中的路由器是调度数据网的核心，其负责各业务系统信息的路由转发传输，在设计电力调度数据网通信系统时会设计各路由器之间的距离与实际情况在同一数量级，从而提高网络仿真的真实性。该模型的建模应该与电力数字仿真中的电力系统仿真建模同时进行，存在对应关系。模型的复杂程度应该满足混合仿真的精度要求。需要说明的是，为了将通信仿真嵌入到电力仿真中，电力仿真和通信仿真必须采用相同的仿真时长，通信仿真的步长需要满足混合仿真的精度要求。因此，需要对混合仿真的时长和步长进行统一设置。电力通信仿真模型图如图2所示。

2、参数的提取与恢复

基于端到端模型映射，其中一个重要的环节就是要将OPNET仿真平台中仿真后的通信参数提取，提取的通信参数为自定义的仿真时间内的时延和误码率，时延参数如图3所示，误码率参数如图4所示。

首先我们要在OPNET仿真平台中将已经搭建好的系统模型中将时延参数和误码率参数提取出来，提取方法为右键选择“Choose Individual DES Statistics”，通过勾选方式实现统计量类型选取，本文选取时延参数和误码率参数，点击“Collection mode”中“Modefy…”按钮，对统计量收集模式进行配置。OPNET提供了三种统计量收集模式：全部值模式(all values)、样本值模式(sample)、桶模式(bucket)。本文采用全部值模式，收集所有统计量。将收集的统计量以含时间序列的矢量形式导出并保存。

要将导出的时延参数和误码率参数恢复，首先要将参数导入到MATLAB的工作空间中，使用From Workspace从计算机中的文件读取参数，该模块从目标计算机硬盘上的文件读取参数，并使用S-function通过编写程序输出参数。如图5所示，待仿真结束，恢复后的通信系统时延如图6所示，恢复后的通信系统误码率如图7所示，与OPNET导出的原始通信参数完全一致。

3、端到端通信模型的映射

假设一个数据包从电力通信网中的A站点传输到B站点，其在通信网中传输所经过的路由有5种可能，即星型、总线型、环型、树型、分布式，本文采用环型，如图8所示，但是对于参与通信的A、B站点来说，具体的通信过程是透明的，所以可以按图8中所示的情况进行等效，即等效为数据包是通过一个端到端的简单通信模型从A站点直接传输到B站点，该简单的通信模型即为发送端通过信道连接到接收端。

将电力通信网的数据传输等效成端到端通信传输的条件为：

其中，L为数据包在电力通信网中经过的路径个数，T为端到端通信模型的时延，Ti是电力通信网中数据包经过的第i个路径的时延，E为端到端通信模型的误码率，Ei是电力通信网中数据包经过的第i个路径的误码率。只要上述通信系统的性能指标一致，就可以确保等效是合理的。

再次，将映射后得到的多组端到端通信模型的通信参数以含时间序列的矢量形式存储到文件中，作为通信仿真嵌入电力仿真的数据接口。然后在电力仿真中为需要通信的每个站点增加简单的端到端通信模型，以联立的方式实现混合仿真。

需要说明的是，本发明采用的方法是基于通信参数等效的方法，并不是通信结果等效。与单纯联立方式实现的电力通信混合仿真方法不同，本发明方法实现的电力通信混合仿真保留了OPNET专业通信仿真软件中通信细节对通信结果的影响。混合仿真中通信系统每次运行的结果仍然是随机的，但通信参数是确定的。当电力通信网的性能、参数发生变化时，只需要重新执行本项目的映射过程，就可以满足不同通信场景下电力通信混合仿真的需求

4、搭建电力仿真模型

以MATLAB电力仿真为基础，如图9所示，在MATLAB中搭建柔性直流输电仿真系统、模拟风力发电仿真系统、太阳能光伏发电仿真系统、储能发电仿真系统等应用场景，柔性直流输电仿真系统包含两个MMC换流站，分别为电网侧换流站MMC1和风电场侧换流站MMC2。在正常运行情况下：MMC1采用直流母线电压和无功控制，负责控制直流母线电压稳定，同时能够向交流电网提供一定的无功功率；MMC2采用定有功功率和无功功率控制，风电场可提供稳定的交流电源。由于风电机组网侧变流器通过PQ解耦，因此风电机组与MMC-HVDC系统之间的交互影响基本可以忽略。风力发电仿真系统由永磁直驱风机构成，主要包括风力机、同步发电机、电力电子变换电路、控制系统等。其中电力电子变换电路主要包括发电机侧变流器(RSC) 和电网侧变流器(GSC)，机侧变流器采用转速外环、电流内环的双闭环控制方式，实现无静差控制，调节发电机的转速；而网侧变流器采用的是基于轴电网电压定向矢量控制技术，其保证直流母线电压的稳定，实现输出有功、无功的解耦控制，使分布式电源输出的有功功率平稳地传输到电网上。太阳能光伏发电仿真系统主要由光伏列阵、BOOST升压电路、检测电路以及控制电路等组成，为保证光伏发电的效率，采用MPPT控制策略。其主要原理是通过检测电路不断地检测系统输出的实时功率，并估算当前情况下系统的输出功率，然后调整BOOST 电路中功率开关管的占空比，使BOOST电路输入阻抗和光伏输出阻抗相匹配，从而在各种环境下智能化地输出最大功率。储能发电仿真系统主要由蓄电池和双向DC/DC电路构成。在微电网的协调控制中，对蓄电池采用恒压充(放)电控制策略，具体为电压电流双闭环控制，即外环控制直流侧电压，内环控制(充)放电电流。当分布式电源发出功率过大，系统内负荷无法消纳时，导致直流母线电压上升，此时采用储能系统存储剩余功率，恢复母线电压恒定；反之，当系统功率有缺额造成直流母线电压下降时，蓄电池通过恒压放电控制，来恢复母线电压的稳定，维持系统内功率的平衡。在仿真系统中为每个通信站点增加通信收发模块，其功能是以端到端的形式等效模拟电力通信网的通信传输。在电力仿真运行且触发通信传输时，按仿真时间读取保存的OPNET通信仿真端到端通信参数，利用在MATLAB中搭建的通信收发模块按照对应关系将通信仿真按照相同的仿真时间导入到电力仿真中，实现通信仿真无偏差的嵌入电力仿真，有效解决两个仿真平台的时间同步问题。在电力仿真中，截取转速差如图10所示，黑色实线表示原始输入，黑色虚线表示受固定时延影响的输入，加入端到端的通信模型后，截取转速差如图11所示，黑色实线表示原始输入，黑色虚线表示受实际时延影响的输入，可以观察到受实际时延影响的输入更接近原始输入，更具有代表性。

Claims (1)

1.一种端到端模型映射的电力通信混合仿真方法，其特征在于：其步骤是：

S1、搭建通信模型

在OPNET通信仿真软件中搭建电力通信网模型，该模型主要由调度中心主站系统模型、变电站端子站系统模型以及由路由器组成的调度数据网网络模型构成；调度中心仿真模型主要包括EMS主站、WAMS主站、继电保护信息系统主站以及在线监测系统主站、交换机和路由器；变电站端仿真模型中包括远动装置、PMU、保信子站、在线监测子站、交换机和路由器，这些设备装置模型构成变电站端子站系统以太网局域网络；

S2、参数的提取与恢复

要在OPNET仿真平台中将已经搭建好的系统模型中将时延参数和误码率参数提取出来，提取方法为右键选择Choose Individual DES Statistics，通过勾选方式实现统计量类型选取，选取时延参数和误码率参数，点击Collection mode中Modefy…按钮，对统计量收集模式进行配置；采用全部值模式，收集所有统计量，将收集的统计量以含时间序列的矢量形式导出并保存；将导出的时延参数和误码率参数恢复，首先要将参数导入到MATLAB的工作空间中，使用From Workspace从计算机中的文件读取参数，该模块从目标计算机硬盘上的文件读取参数，并使用S-function通过编写程序输出参数；

S3、端到端通信模型的映射

将电力通信网的数据传输等效成端到端通信传输的条件为

其中，L为数据包在电力通信网中经过的路径个数，T为端到端通信模型的时延，Ti是电力通信网中数据包经过的第i个路径的时延，E为端到端通信模型的误码率，Ei是电力通信网中数据包经过的第i个路径的误码率；

将映射后得到的多组端到端通信模型的通信参数以含时间序列的矢量形式存储到文件中，作为通信仿真嵌入电力仿真的数据接口，然后在电力仿真中为需要通信的每个站点增加简单的端到端通信模型，以联立的方式实现混合仿真。

Images