專利名稱：基于應(yīng)用集成的電力和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺及方法
基于應(yīng)用集成的電力和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)仿真分析研究技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于應(yīng)用集成的電力和通 信系統(tǒng)耦合仿真平臺及方法。
背景技術(shù)：
目前，各國都在大力的研究和發(fā)展智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是自動的和廣泛分布的能 量交換網(wǎng)絡(luò)，它具有電力和信息雙向流動的特點，同時它將分布式計算和提供實時信息的 通信的優(yōu)越性用于電網(wǎng)，并使之能夠維持設(shè)備層面上即時的供需平衡。由此可見，智能電網(wǎng) 的數(shù)據(jù)獲取、保護和自動控制都需要通信系統(tǒng)的有力支持，只有建立了高速、雙向、集成、實 時的通信系統(tǒng)，智能電網(wǎng)的特征才能夠?qū)崿F(xiàn)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及智能電網(wǎng)技術(shù)的不 斷深入研究，現(xiàn)代電力系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展為由電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)相互耦合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 通信系統(tǒng)的丟包、延時增加或者故障等不確定性都會對電力系統(tǒng)造成重大影響，甚至導(dǎo)致 大規(guī)模停電事故的發(fā)生。
為了能夠評估通信系統(tǒng)對電力系統(tǒng)所造成的影響，仿真是解決問題的關(guān)鍵。目前， 在通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)兩個領(lǐng)域的仿真已經(jīng)取得了很大的成果，但是這些仿真都是獨立 的，無法同時對通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)進行仿真。如果重新開發(fā)一種能夠適合通信和電力系 統(tǒng)同時仿真的軟件，即耗費時間又花費巨大，所以開始有人提出了通信和電力系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。
已有學(xué)者研究的各種聯(lián)合仿真方法重點基本在聯(lián)合仿真平臺的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交換、 時間同步等關(guān)鍵技術(shù)，有些對其具體的使用方法和最終的結(jié)果分析進行了介紹。但是它們 都沒有考慮通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的隨機性，對其結(jié)果分析中也缺乏隨機性的討論。發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于應(yīng)用集成的電力 和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺及方法，針對上述存在問題進行了修正，并對仿真結(jié)果進行了概 率性的統(tǒng)計分析。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
基于應(yīng)用集成的電力和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺，包括電力系統(tǒng)仿真器和通信系統(tǒng) 仿真器，通過一個聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將電力系統(tǒng)仿真器和通信系統(tǒng)仿真器整合在一起，實現(xiàn) 對兩者的控制、數(shù)據(jù)交換以及時間同步，
其中，
時間同步是指聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器控制電力系統(tǒng)仿真器運行，如果在時刻[tj處聯(lián) 合仿真協(xié)調(diào)器檢測到電力系統(tǒng)的潮流或者頻率發(fā)生了變化，則驅(qū)動通信系統(tǒng)仿真器進行仿 真，此時電力系統(tǒng)仿真器暫停運行，等待通信系統(tǒng)仿真器反饋的數(shù)據(jù)，當(dāng)通信系統(tǒng)仿真結(jié)束 以后，暫停運行，并通過聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將通信控制向量數(shù)據(jù)[T]反饋到電力系統(tǒng)仿真器 中，電力系統(tǒng)仿真器接收到控制向量數(shù)據(jù)[τ]，開始運行仿真至?xí)r刻[tjKtj+m，此后電力系統(tǒng)繼續(xù)運行仿真，在[t2]處又檢測到電力系統(tǒng)的變化，重復(fù)上述過程，其中[A]這種形式表示向量。
所述電力系統(tǒng)仿真器基于OpenDSS,所述通信系統(tǒng)仿真器基于0ΡΝΕΤ。
所述數(shù)據(jù)交換包括
(a)聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器與OpenDSS通過COM接口的數(shù)據(jù)交換；
(b)聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器與OPNET通過外部系統(tǒng)域的數(shù)據(jù)交換。
本發(fā)明同時提供了一種基于應(yīng)用集成的電力和通信系統(tǒng)耦合仿真方法，主要包括如下步驟
步驟(I):聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器控制電力系統(tǒng)仿真器運行，對初始電力系統(tǒng)狀態(tài)[Xtl]進行仿真，產(chǎn)生出用于控制和通信的狀態(tài)數(shù)據(jù)，仿真結(jié)束后的時間記為[tj ；
步驟(2):通信系 統(tǒng)仿真器進行仿真，確定出所有可能的通信事件，并獲得控制動作時間[T]；
步驟(3):聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將通信仿真得到的控制動作時間[T]反饋到電力系統(tǒng)仿真器，使電力系統(tǒng)開始運行至[tJKtJ + D]，此時得出電力系統(tǒng)的新的狀態(tài)[X1],對其進行分析；
步驟(4):電力系統(tǒng)仿真器再繼續(xù)仿真，到下一個量測時間點t2獲得電力系統(tǒng)的狀態(tài)判斷t2是否穩(wěn)定運行，如果不是則返回步驟(2)，從[X1]開始仿真；
上述各個步驟中，以[A]這種形式表示向量，仿真結(jié)果的分析采用概率統(tǒng)計方法。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在聯(lián)合仿真的過程中，考慮了通信過程中的各種隨機性情況，并且本發(fā)明具有實用性和可推廣性。


圖1是本發(fā)明聯(lián)合仿真流程圖。
圖2是本發(fā)明聯(lián)合仿真平臺框架。
圖3是本發(fā)明OpenDSS的結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是本發(fā)明聯(lián)合仿真的時間同步方法。
圖5是本發(fā)明OPNET聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)交換示意圖。
圖6是本發(fā)明IEEE13節(jié)點統(tǒng)示意圖。
圖7是本發(fā)明通信系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖。
圖8是本發(fā)明聯(lián)合仿真的分析結(jié)果。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細說明。
為便于理解，本發(fā)明以[A]這種形式表示向量。
如圖1所示，本發(fā)明的聯(lián)合仿真方法流程包括如下主要步驟
步驟(I):聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器控制電力系統(tǒng)仿真器運行，對初始電力系統(tǒng)狀態(tài)[xQ]進行仿真，產(chǎn)生出用于控制和通信的狀態(tài)數(shù)據(jù)，仿真結(jié)束后的時間記為[tj ；
步驟(2):通信系統(tǒng)仿真器進行仿真，確定出所有可能的通信事件，并獲得控制動作時間[T]；
步驟(3):聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將通信仿真得到的控制動作時間[T]反饋到電力系統(tǒng) 仿真器，使電力系統(tǒng)開始運行至[tJKtJ + D]，此時得出電力系統(tǒng)的新的狀態(tài)[X1],對其進 行分析；
步驟(4):電力系統(tǒng)仿真器再繼續(xù)仿真，到下一個量測時間點t2獲得電力系統(tǒng)的狀 態(tài)判斷t2是否穩(wěn)定運行，如果不是則返回步驟(2)，從[X1]開始仿真。
基于上述方法流程，本發(fā)明的聯(lián)合仿真平臺框架如圖2所示，通過一個中間協(xié)調(diào) 器(Coordinator)將通信系統(tǒng)仿真器和電力系統(tǒng)仿真器整合在一起，實現(xiàn)對兩者的控制、數(shù) 據(jù)交換傳輸以及時間同步。本發(fā)明中采用的電力系統(tǒng)仿真器是OpenDSS，而通信系統(tǒng)仿真器 是 OPNET。
本發(fā)明聯(lián)合仿真平臺的關(guān)鍵組件主要包括OpenDSS和OPNET。
(I)OpenDSS (The Open Distribution System Simulator)是針對配電系統(tǒng)的綜 合電力系統(tǒng)仿真工具。OpenDSS可以應(yīng)用在配電網(wǎng)設(shè)計和分析、一般多相交流電路分析、分 布式發(fā)電互聯(lián)的分析、諧波與間諧波分析、光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真等領(lǐng)域，而且還有如蒙特卡羅 法等多種潮流解決模式。OpenDSS既可以作為一個獨立的仿真引擎進行仿真，也可以通過進 程內(nèi)的COM接口由多種現(xiàn)存的軟件平臺進行驅(qū)動。OpenDSS的結(jié)構(gòu)如圖3所示，對其進行簡 單描述。
(2)0PNET是目前最先進的通信網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)的平臺之一。它采用網(wǎng)絡(luò)域、節(jié)點域 和進程域三層建模機制，不僅支持面向?qū)ο蟮慕７绞剑€提供圖形化的操作界面。OPNET 本身充分考慮了通信系統(tǒng)的隨機性問題，隨機到達的業(yè)務(wù)、經(jīng)過信道傳輸后包含隨機誤碼 的信號、數(shù)據(jù)包等這些都可以看做是仿真系統(tǒng)的驅(qū)動力，從而使得OPNET可以很容易的對 通信系統(tǒng)的無線信道噪聲、設(shè)備故障等多種隨機情況進行模擬。
本發(fā)明聯(lián)合仿真平臺的關(guān)鍵技術(shù)包括兩方面時間同步以及數(shù)據(jù)交換。
(I)聯(lián)合仿真的時間同步
聯(lián)合仿真的時間同步方法如圖4所示。具體的方法是首先由聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器控 制電力系統(tǒng)仿真器運行，在時刻[tj處聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器檢測到電力系統(tǒng)的潮流或者頻率等 發(fā)生了變化，就會驅(qū)動通信系統(tǒng)仿真器進行仿真。這時，電力系統(tǒng)仿真器暫停運行，等待通 信系統(tǒng)仿真器反饋的數(shù)據(jù)。當(dāng)通信系統(tǒng)仿真結(jié)束以后，暫停運行，并通過聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將 通信控制向量數(shù)據(jù)[T]反饋到電力系統(tǒng)仿真器中。電力系統(tǒng)仿真器接收到控制向量數(shù)據(jù) [τ]，開始運行仿真至?xí)r刻[tJKtJ + LT]。此后電力系統(tǒng)繼續(xù)運行仿真，在[t2]處又檢測到 電力系統(tǒng)的變化，于是重復(fù)上述過程。
(2)聯(lián)合仿真的數(shù)據(jù)交換
數(shù)據(jù)交換在聯(lián)合仿真平臺的運行中非常重要，本發(fā)明采用的方法是通過中間協(xié)調(diào) 器，對兩者的輸出數(shù)據(jù)進行讀取使得數(shù)據(jù)在兩個仿真器之間交換。具體的如下
(a)與OpenDSS的數(shù)據(jù)交換
OpenDSS可以通過COM接口由許多種外部程序驅(qū)動，這不僅提供了強有力的額外 的分析能力，也提供了顯示結(jié)果的完美圖表。OpenDSS的許多結(jié)果可以通過COM接口以及各 種輸出文件重新取回。它輸出的文件是CSV格式寫入的，這有利于導(dǎo)入其他工具來進行后 續(xù)處理。從而，聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器和OpenDSS的數(shù)據(jù)交換是通過COM接口來進行的。
(b)與OPNET的數(shù)據(jù)交換
OPNET為其與外部程序交換通信數(shù)據(jù)提供了高層體系結(jié)構(gòu)HLA (HighLevel Architecture)和外部系統(tǒng)域(External System Domain)2種方法，比較簡單和實用的是后 者。外部系統(tǒng)不僅具有發(fā)送和處理數(shù)據(jù)包的功能，還可以與額外的程序代碼進行交互。于 是通過外部系統(tǒng)接口，就可以實現(xiàn)OPNET和聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器之間的雙向的數(shù)據(jù)交換。圖5 表示的是OPNET的聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)圖以及數(shù)據(jù)交換示意圖。
下面以IEEE13節(jié)點為例說明專利說明書中敘述的仿真方法。如圖6所示，假設(shè) t=0. Ols在線路684671之間發(fā)生了 A、C兩相短路故障。本系統(tǒng)的繼電保護裝置采用的是 多代理遠程后備保護。在節(jié)點671處的繼電器代理可以正常的發(fā)現(xiàn)故障，但是在另一端節(jié) 點684處的繼電器代理由于故障或者錯誤的繼電器設(shè)置而沒有發(fā)現(xiàn)故障。在這種情況下， 節(jié)點611和652的繼電器代理就成為了后備保護，它們將向主代理(位于節(jié)點632處)發(fā)送 請求并等待主代理的決定。主代理從其他代理收集信息，經(jīng)過判斷以后作出決定，并把控制 信息發(fā)送給位于節(jié)點611和652的繼電器代理，使其動作從而切除故障?；诖朔N情況，具 體的實施步驟如下
步驟(I)構(gòu)建電力系統(tǒng)模型
根據(jù)IEEE13節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖以及上述假設(shè)的情況，在OpenDSS中構(gòu)建電力系統(tǒng)的模型。
步驟(2)構(gòu)建通信系統(tǒng)模型
根據(jù)上述假設(shè)中的電力系統(tǒng)的保護需要，搭建適合當(dāng)前電力系統(tǒng)保護的通信系統(tǒng) 模型。在OPNET中，根據(jù)通信系統(tǒng)的實際情況，選擇合適的模型元件，配置好各個元件的參 數(shù)。構(gòu)建的通信系統(tǒng)的模型拓撲如圖7所示。
步驟(3)聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器控制聯(lián)合仿真運行
構(gòu)建好電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的仿真模型以后，聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將控制聯(lián)合仿真運 7TT，并輸出結(jié)果。
步驟(4)結(jié)果分析
為了考慮通信系統(tǒng)的隨機性，需要對通信和電力系統(tǒng)的耦合網(wǎng)絡(luò)進行大量的仿 真，利用統(tǒng)計的方法對結(jié)果分析。由于繼電保護對時間的要求特別高，延時越短越好，所以 本發(fā)明假設(shè)后備保護延時的最長時間為O. Ols,于是最壞的情況是在t=0. 02s時將故障切 除。在聯(lián)合仿真的過程中，運行1000次，并取t=0. 021s時的電壓，對其進行分析。由于 OpenDSS是按照A、B、C三相輸出結(jié)果，為簡便起見，只討論C相的結(jié)果。影響通信系統(tǒng)延時 的參數(shù)有數(shù)據(jù)包的大小、鏈路背景利用率、高層協(xié)議等。本發(fā)明將只討論數(shù)據(jù)包的大小可能 會對電力系統(tǒng)造成的影響。將數(shù)據(jù)包的大小設(shè)定為500Bytes，仿真以后的結(jié)果如圖8 (a) 所示。
步驟(5)改變通信系統(tǒng)參數(shù)并進行仿真
前述步驟進行了聯(lián)合仿真的過程，為了研究通信系統(tǒng)可能對電力系統(tǒng)造成的影 響，需要改變通信系統(tǒng)的參數(shù)，進行再次仿真并統(tǒng)計改變后的參數(shù)對電力系統(tǒng)的影響。本 發(fā)明將通信的數(shù)據(jù)包的大小參數(shù)分別改為1000Bytes、1500Bytes，重復(fù)步驟(3)——步驟 (5)，得到仿真結(jié)果如圖8 (b)、(C)所示。由結(jié)果分析可知，在通信數(shù)據(jù)的傳輸過程中，數(shù)據(jù) 包的大小會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性，從而在設(shè)計通信系統(tǒng)時不能將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包設(shè) 置過大。
權(quán)利要求
1.基于應(yīng)用集成的電力和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺，包括電力系統(tǒng)仿真器和通信系統(tǒng)仿真器，其特征在于，通過一個聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將電力系統(tǒng)仿真器和通信系統(tǒng)仿真器整合在一起，實現(xiàn)對兩者的控制、數(shù)據(jù)交換以及時間同步，其中，時間同步是指聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器控制電力系統(tǒng)仿真器運行，如果在時刻[tj處聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器檢測到電力系統(tǒng)的潮流或者頻率發(fā)生了變化，則驅(qū)動通信系統(tǒng)仿真器進行仿真， 此時電力系統(tǒng)仿真器暫停運行，等待通信系統(tǒng)仿真器反饋的數(shù)據(jù)，當(dāng)通信系統(tǒng)仿真結(jié)束以后，暫停運行，并通過聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將通信控制向量數(shù)據(jù)[T]反饋到電力系統(tǒng)仿真器中， 電力系統(tǒng)仿真器接收到控制向量數(shù)據(jù)[T]，開始運行仿真至?xí)r刻[tj = [tJ+[T]，此后電力系統(tǒng)繼續(xù)運行仿真，在[t2]處又檢測到電力系統(tǒng)的變化，重復(fù)上述過程，其中[A]這種形式表示向量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電力和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺，其特征在于，所述電力系統(tǒng)仿真器基于OpenDSS，所述通信系統(tǒng)仿真器基于0ΡΝΕΤ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述電力和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺，其特征在于，所述數(shù)據(jù)交換包括(a)聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器與OpenDSS通過COM接口的數(shù)據(jù)交換；(b)聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器與OPNET通過外部系統(tǒng)域的數(shù)據(jù)交換。
4.基于應(yīng)用集成的電力和通信系統(tǒng)耦合仿真方法，主要包括如下步驟步驟(I):聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器控制電力系統(tǒng)仿真器運行，對初始電力系統(tǒng)狀態(tài)[Xq]進行仿真，產(chǎn)生出用于控制和通信的狀態(tài)數(shù)據(jù)，仿真結(jié)束后的時間記為[tj ；步驟(2):通信系統(tǒng)仿真器進行仿真，確定出所有可能的通信事件，并獲得控制動作時間[T]；步驟(3):聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將通信仿真得到的控制動作時間[T]反饋到電力系統(tǒng)仿真器，使電力系統(tǒng)開始運行至[tj = [tJ + LT]，此時得出電力系統(tǒng)的新的狀態(tài)[X1]，對其進行分析；步驟(4):電力系統(tǒng)仿真器再繼續(xù)仿真，到下一個量測時間At2獲得電力系統(tǒng)的狀態(tài)判斷t2是否穩(wěn)定運行，如果不是則返回步驟(2)，從[X1]開始仿真；上述各個步驟中，以[A]這種形式表示向量，仿真結(jié)果的分析采用概率統(tǒng)計方法。
全文摘要
基于應(yīng)用集成的電力和通信系統(tǒng)耦合仿真平臺，通過一個聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)器將電力系統(tǒng)仿真器和通信系統(tǒng)仿真器整合在一起，實現(xiàn)對兩者的控制、數(shù)據(jù)交換以及時間同步，仿真方法主要包括如下步驟首先控制對初始電力系統(tǒng)狀態(tài)進行仿真，產(chǎn)生出用于控制和通信的狀態(tài)數(shù)據(jù)，記錄仿真結(jié)束后的時間；然后通信系統(tǒng)仿真器進行仿真，確定出所有可能的通信事件，獲得控制動作時間；該時間反饋到電力系統(tǒng)仿真器，使電力系統(tǒng)開始運行至新的時間，得出電力系統(tǒng)的新的狀態(tài)；電力系統(tǒng)仿真器再繼續(xù)仿真，到下一個量測時間點獲得電力系統(tǒng)的狀態(tài)判斷是否穩(wěn)定運行，如果不是則返回繼續(xù)仿真，本發(fā)明考慮了通信過程中的各種隨機性情況，具有實用性和推廣性。
文檔編號G06F17/50GK102999674SQ201210517578
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者劉家泰, 陳穎, 盛成玉, 孫振權(quán) 申請人:清華大學(xué)