一种电力通信混合系统仿真平台及仿真方法

摘要

本发明公开了一种电力通信非实时混合仿真平台及仿真方法，以实现电力通信复合系统的混合仿真，考虑了复合系统混合仿真中的时间同步问题，采用计算机数据结构中缓存、回滚的思想，通过信息通信仿真系统对电力仿真系统的中断控制，来确保复合系统的运算精度和速度。与已有的复合系统仿真方法相比，新提出的方法仿真效率更高，精度更优，能较好地反应出电力系统与通信系统间的动态交互特性。研究基于状态缓存的电力与信息通信混合仿真平台时间同步方法既有助于研究电力系统与通信系统的交互影响特性，也有益于制定智能信息化电网中的安全稳定控制策略。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统仿真算法领域，尤其涉及一种电力通信混合系统仿真平 台及仿真方法。

背景技术

信息通信技术的发展，使电网的运行控制水平得到了大大的提高。高速、安 全和可靠的信息通信网络将为未来广域电力系统的可观性和可控性提供重要的 技术支撑，而传统电力系统研究与信息系统研究在理论和方法上基本是割裂的， 在现有理论方法框架下难以深入分析信息系统对电力系统运行与控制的影响。因 此需要建立一个能够深入分析复杂的电力通信系统的平台工具，为相关理论和应 用问题的深入研究提供仿真、测试和验证支撑。

在现有研究中将二者作为复合系统时，时间同步性、两个系统结构的异构性、 元件组成和动态响应的差异性使得研究人员不得不对其中某一部分进行简化考 虑，这也给仿真系统方法的准确性和实用性带来一定影响。近年来，电力和信息 通信系统混合仿真逐渐成为国际上电力行业的研究重点，已有多个研究机构提出 了各自的解决方案，如美国PSCAD/EMTDC&Java方案、PowerWorld Server&RINSE方案，瑞典Matlab/Simulink&OPNET方案，德国INSPIRE方案， 但这些方案多是设置两个数据存储区，一个给电力仿真工具，一个给通信仿真工 具，通过数据存储区交互，在仿真效率和计算精度方面仍有提高的空间，在而国 内该领域研究才刚起步，且鲜有高效的解决方案。

发明内容

发明目的：为了提高电力和通信混合系统仿真平台的仿真效率和精度，本发明提 供一种电力通信非实时混合仿真平台及仿真方法。

技术方案：为实现上述目的，将电力系统和通信系统考虑成耦合和相互依存的复 合系统进行仿真，本发明的一种电力通信非实时混合仿真平台具体包括电力系统 仿真模块、信息通信系统仿真模块及数据缓存模块；

所述电力系统仿真模块进行连续仿真，并采集每一步仿真的电力系统仿真数 据，通过数据传输将其采集的电力系统仿真数据发送到信息通信系统仿真模块； 同时将其所采集的电力系统仿真数据打上仿真系统时间标签存储到数据缓存模 块；

所述信息通信系统仿真模块接收所述电力系统仿真模块发送的电力系统仿 真数据，判断是否异常；若异常，则通过数据传输向所述电力系统仿真模块发送 用于消除电力系统故障以及控制电力系统仿真模块向数据存储模块调用数据的 控制信号；

所述数据缓存模块用于存储所述电力系统仿真模块发送的带有仿真系统时 间标签的电力系统仿真数据。

所述电力系统仿真模块采用具备数据输入输出接口的电力系统仿真模块进 行仿真；所述信息通信系统仿真模块采用具备数据输入输出接口的信息通信系统 仿真模块进行仿真；所述数据缓存模块采用具备快速输入输出功能的数据存储装 置。

考虑信息通信网络对广域电力系统的可观、可控性的影响，基于数据结构理 论的实用方法，从优化时间同步的角度，提出电力和信息通信系统混合仿真方法， 包括如下步骤：

(1)设置仿真系统的参数，电力系统仿真模块和信息通信系统仿真模块同 时开始；仿真系统的参数包括：电力系统仿真模块仿真步长、电力系统故障 时间、混合系统仿真时间、控制延时，信息通信系统仿真工具离散事件仿真 时间以及状态缓存区容量；

(2)电力系统仿真模块按照步骤(1)设置的仿真系统的参数进行连续仿真， 并采集每一步仿真结束后的电力系统仿真数据，其中电力系统仿真数据包括 量测数据和状态数据；将所采集的电力系统仿真数据传输至信息通信系统仿 真模块，同时将所采集的电力系统仿真数据打上仿真系统时间标签存储进数 据缓存模块；

(3)信息通信系统仿真模块接收步骤(2)采集的电力系统仿真数据并进行 离散事件仿真，判断电力系统仿真数据是否异常，若数据正常，则无需下发 控制信号，不向电力系统仿真模块传输数据，并重复本步骤；若数据异常， 则需要下发控制信号，进入步骤(4)；

(4)信息通信系统仿真模块向电力系统仿真模块发送用于消除故障的控制 信号以及向数据缓存模块中调取故障时刻相应的仿真系统时间标签的电力 系统仿真数据的控制信号；电力系统仿真模块根据控制信号消除故障，中断 当前进程，并调用数据缓存模块中在故障时刻存储的带有仿真系统时间标签 的电力系统仿真数据，返回到该带有仿真系统时间标签的电力系统仿真数据；

(5)判断是否达到设定的仿真时间，若是，则结束仿真，否则返回步骤(2) 进行新一轮仿真，重复步骤(2)至步骤(4)直至达到设置的仿真时间。

所述步骤(3)中的信息通信系统仿真模块的仿真为离散事件仿真，过程包 括：根据网络状态模拟传输延时、误码和中断情况，并根据接收信息输出控制信 号。

所述步骤(2)中所述数据缓存模块中所存储的电力系统仿真数据数量n， 由电力系统仿真模块计算步长h、信息通信系统仿真工具仿真计算延时Δt、传输 延时Δt_r和缓存区容量大小Mem共同决定，在保留裕度的基础上，利用下式确定 缓存区存储的状态数据数量：

m为电力系统仿真模块每个步长状态数据存储时所占的容量。

所述电力系统仿真模块根据控制信号动作的时刻T_n+m可通过通信网络状态 仿真延时Δt和控制策略计算延时Δt_con计算，其公式如下：

T_n+m＝T_n+Δt+Δt_con

其中T_n为电力系统仿真模块传输仿真数据时的仿真系统时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

基于现有的国内外电力和信息通信系统混合仿真方法进行改进，提出基于状 态缓存的电力与信息通信混合仿真平台及其仿真方法，本发明的仿真平台中电力 系统仿真模块与信息通信系统仿真模块直接进行数据传输，只有在需要下发控制 信号的时候，信息通信系统仿真模块才会向电力系统仿真模块发送数据，即将控 制信号发送给电力系统仿真模块；这样可以尽量减少信息通信系统仿真模块与电 力系统仿真模块交互的次数，大大提高复合系统的仿真效率。同时本发明的仿真 方法采用了按运行时间调用数据，中断返回的方法，可以减少存储空间的需要； 而采用数据缓存、回滚调用的方法，可以精确的调用故障发生时刻的电网数据， 保证最优的精度水平，为搭建电力通信系统仿真平台提供理论基础，并为后续相 关研究提供解决思路。

附图说明

图1为本发明提出的混合系统仿真平台的架构图

图2为本发明的电网结构示意图；

图3为本发明的仿真方法实现流程图；

图4为本发明提出混合仿真平台同步时间优化方法示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

图1为本发明提出的混合系统仿真平台的架构图。如图1所示，本发明的电 力通信混合系统仿真平台包括三个模块：电力系统仿真模块、信息通信系统仿真 模块及数据缓存模块。电力系统仿真模块采用具备数据输入输出接口的电力系统 仿真模块进行仿真；信息通信系统仿真模块采用具备数据输入输出接口的信息通 信系统仿真工具进行仿真；数据缓存模块采用具备快速输入输出功能的数据存储 装置。其中，电力系统仿真模块与信息通信系统仿真模块之间通过数据传输通道 相连，用于实现所述电力系统仿真模块与所述信息通信系统仿真模块之间状态数 据及控制信号交互；电力系统仿真模块与数据缓存模块之间通过数据传输通道相 连，用于实现所述电力系统仿真模块与所述数据缓存模块之间状态数据存储及调 用。

图2为本发明的电网结构示意图，如图2所示的电网中，全网总负荷1800MW， 母线N1，N2，N3，N4连接的发电机其出力分别为：400MW，400MW，500MW， 500MW。所有母线上均有状态监视设备，信息通信系统计算及控制延时设置为 0.002秒。

图3为本发明的仿真方法实现流程图。如图3所示，本发明的仿真方法如下： 首先，仿真前准备，设置电力系统和信息通信混合仿真的相关参数：电力系统仿 真步长设置为0.0002，混合系统仿真时间设置为3秒，电力系统故障时间为1 秒，电力系统发生的故障为N1母线上发电机跳开，信息通信系统仿真工具离散 事件仿真时间以及状态缓存区容量。

混合仿真系统仿真过程如下：

(1)设置仿真系统的参数，电力系统仿真模块和信息通信系统仿真模块于 物理时间0s，仿真系统时间T₀时刻同时开始；仿真系统的参数包括：电力系统 仿真模块仿真步长、电力系统故障时间、混合系统仿真时间、控制延时，信息通 信系统仿真工具离散事件仿真时间以及状态缓存区容量；

(2)电力系统仿真模块按照步骤(1)设置的仿真步长进行连续仿真，并采 集每一步仿真结束后的电力系统仿真数据，其中电力系统仿真数据包括量测数据 和状态数据，将所采集的电力系统仿真数据传输至信息通信系统仿真模块，同时 将该电力系统仿真数据打上仿真系统时间标签存入数据缓存模块；

(3)到达物理时间1s时，电力系统仿真模块中设置的故障发生，此时仿真 系统时间为T₅₀₀₀，信息通信系统仿真模块在物理时间1.001s时接收到电力系统 仿真模块在物理时间1s时的电力系统仿真数据，并进行离散事件仿真，判断电 力系统仿真数据是否异常；如果是异常的，则需要下发控制信号，进入步骤(4)； 如果是正常的，则无需下发控制信号，不向电力系统仿真模块传输数据，同时重 复本步骤；此时电力系统仿真模块中正在运算仿真系统时间为T₅₀₀₅的数据；在 本发明中，离散事件仿真过程包括：根据网络状态模拟传输延时、误码和中断情 况，并根据接收信息输出控制信号。当信息通信系统仿真模块接收到来自电力系 统仿真模块的电力系统仿真数据后，检出异常(即电网中发生故障时刻的数据)， 便输出控制信号给电力系统仿真模块。数据缓存模块中所存储的电力系统仿真数 据数量n，由电力系统仿真模块计算步长h、信息通信系统仿真模块仿真计算延 时Δt、传输延时Δt_r和缓存区容量大小Mem共同决定，在保留裕度的基础上，利 用下式确定缓存区存储的状态数据数量：

m为电力系统仿真模块每个步长状态数据存储时所占的容量。

(4)考虑信息通信系统计算及控制延时，信息通信系统仿真模块在物理时 间1.003s时向电力系统仿真模块发出控制信号，电力系统仿真模块在1.004s接 收到信息通信系统仿真模块发出的控制信号(在本算例中为切负荷操作)，此时 电力系统仿真模块正在运算仿真系统时间为T₅₀₂₀的数据；信息通信系统仿真模 块向电力系统仿真模块发送控制信号，主要包括两个操作：设定在仿真系统时间 T₅₀₁₅时刻向电力系统仿真模块下发用于消除故障的控制信号和用于向数据缓存 模块调取故障时刻相应的仿真系统时间标签的电力系统仿真数据的控制信号，由 数据缓存模块向电力系统仿真模块传输仿真系统时间标签为T₅₀₀₀时刻的电力系 统仿真数据。

电力系统仿真模块接收信息通信系统仿真模块发送的控制信号，并根据控制 信号消除电力系统故障，中断当前的仿真计算，从数据缓存模块调出并返回仿真 时间标签为T₅₀₁₀的电力系统仿真数据；之后将物理时间重置为1.002s，仿真系 统时间重置为T₅₀₁₀，继续进行下一轮次仿真，直至达到仿真要求的物理时间。

在本发明中，在实际电力系统中，信息通信系统从检测到电力控制系统故障 到下发控制信号是有延时的，所以故障时刻的数据采用的是延时之后的数据，这 样更贴近实际工程运行情况。电力系统仿真模块根据控制信号动作的时刻T_n+m可通过通信网络状态仿真延时Δt和控制策略计算延时Δt_con计算，其公式如下：

T_n+m＝T_n+Δt+Δt_con

其中T_n为电力系统仿真模块传输仿真数据时的仿真系统时间。

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。