传统电力系统与信息系统研究在理论和方法上基本是割裂的。但在智能电网向信息能源系统的发展中，必须高度重视和深入分析信息系统对电力系统运行与控制的影响。小编给大家分享东南大学和南瑞集团公司有关团队针对电力和信息通信系统混合仿真所做的研究工作。敬请品鉴。原文发表于《电力系统自动化》2015年第23期。
电力和信息通信系统混合仿真方法
DOI: 10.7500/AEPS20150331035
汤奕, 王琦, 倪明, 薛禹胜
1研究背景
随着智能电网新技术的迅速发展, 电力系统正在从传统电源跟踪负荷变化进行调整的运行模式转变到“源-网-荷” 柔性互动的运行模式。新的运行模式将依赖于信息通信技术(Information and Communication Technology, ICT)。高速、安全和可靠的信息通信网络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, 这也是“智能电网”的“智能”之所在。
电力系统的电力流和信息通信系统的信息流存在本质上的区别。在信息流中, 对于特定的信息可以指定接受者, 并调度其传送路径。然而在电力流中, 电功率在电网中的流动服从基尔霍夫定律, 即每一个电气节点上的输入与输出在任意时刻平衡, 没有缓冲、存储或滞后的可能。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。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, 这也给研究结果的准确性和实用性带来一定影响。
本文对现有电力和信息通信混合仿真平台进行总结, 对其性能优劣进行分析。指出复合系统的时间同步问题是混合仿真的关键问题之一, 并提出了一种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。
2电力和信息通信系统仿真方法概述和分类
在智能电网环境下, 广域监控保护和控制系统对信息通信系统提出了很高要求。分析智能电网各种先进解决方案的关键在于, 在进行静态或动态电力系统仿真时能够融合完整的信息通信过程与应用。
作为两个独立系统, 电力系统和信息通信系统都拥有各自专业的截然不同的仿真工具。电力系统动态行为在时间上是连续的, 可用一组微分代数方程来表示, 通常只能通过数值方法求解, 因此电力系统仿真工具采用离散时步对系统当前状态进行相对精确的估计。而信息通信系统本身就是离散系统, 因此可以通过离散事件仿真工具对其进行建模, 采用离散状态模型对网络在离散参数(如数据队列长度)和离散事件(如数据包的传输)下进行描述, 而将复杂的通信过程转化为具体的事件队列。
近年来, 为了将两种类型的仿真方法结合以研究智能电网相关特性, 研究人员提出了以下三类解决方案(见附表1): 1)联立仿真方案; 2)非实时混合仿真方案; 和3)实时混合仿真方案。
3联立仿真方案
联立仿真方案的主要思想是在单一仿真工具中建立一个复杂的电力和信息通信复合系统模型。这种方法的关键在于在电力(或通信)系统仿真工具中搭建通信(或电力)系统模型。由于是在同一个仿真工具中运行, 两个系统模型处于同一时间域, 因此不需要额外的时间同步工作。该类方案通常:
1) 在电力系统仿真工具中对通信环节进行简化建模, 该方式缺少动态内存管理、动态链接等离散事件系统模型构建的基本元素, 因此无法精确模拟通信环节动态过程;
2) 将电力系统仿真程序以模块的形式插入通信仿真系统, 虽然这类方案不需要面对时间同步问题, 但无法处理系统复杂的时间连续的动态问题建模及机电特性仿真。
4非实时混合仿真方案
电力通信复合系统仿真的另一个解决方案是采用非实时混合仿真。建模工作仍采用两个系统各自的专业仿真软件完成, 通过时间同步方法使他们运行于同一时间域。这也是当前研究的主要方向。该类方案通过成熟仿真工具丰富的元件库和已有的计算方法, 能够最大程度保持系统的全面性和准确性。
时间同步方法是非实时混合仿真平台的关键。主流方法有: 基于全局事件时间同步方法(图1)和基于全局仿真步长时间同步方法(图2)。在对精度要求不高的复合系统仿真研究中可选用后者以提高仿真效率; 反之则可以采用前者最大化提高仿真精度。
系统架构方式决定了电力系统仿真器和信息通信系统仿真器的数据交互方式。典型的系统架构方式主要有:
1)主从方式: 采用某一仿真器为主平台(通常选取信息通信系统仿真器), 将混合仿真控制逻辑嵌入主平台;
2)独立数据交互和控制方式: 采用一个独立组件连接电力系统仿真器和信息通信系统仿真器, 由该组件完成二者数据交互。两种方式各有其优缺点, 方式1架构简单, 但从平台无法主动向主平台推送信息, 只能被动接受控制, 并且主从平台无法并行运行同时; 而方式2中独立的交互组件为控制逻辑提供了统一的接口, 并且可以进行分布式或并行计算, 相应的, 额外增加的独立数据交互和控制单元也增加了系统构建和程序设计的复杂度。
5实时混合仿真方案
当面对电力系统动态问题(如稳定控制、广域监测)时, 非实时混合仿真方案的最大挑战来自时间同步问题。而在电力和通信部分均构建实时仿真单元, 并采用实时数据交换则可以避免时间同步的问题。典型的实时混合仿真平台如图3所示。该平台由四部分构成: 电力系统实时仿真单元(RT-LAB和OPAL-RT), 通信系统实时仿真单元(OPNET), 系统监控中心(Java Eclipse)和网络连接设备。该平台可以完成考虑信息通信最多900电力节点的高精度电磁暂态仿真以及多达240000电力节点的广域电力系统监控仿真。
6非实时混合仿真平台优化时间同步方法
图1和图2所示的时间同步方法, 仿真精度和效率均有一定限制。信息通信系统和电力系统的数据交互行为包括电力数据上传(监视)和控制信号下发(控制)。而在大部分考虑通信的电力系统问题中, 通信系统对电力系统处于监视状态, 无紧急事件时并不进入控制状态, 因此数据交互仅限于电力数据上传。因此, 可减少非必要的信息通信系统仿真平台到电力系统仿真平台的数据传输时间。本文提出一种优化时间同步方法, 如图4所示。该方法在无控制事件发生时, 所需要的仿真时间和电力系统仿真时间相同, 而只在有控制事件时增加指令下发时间和缓存调用时间。因此对于控制事件较少的电力和信息通信复合系统可以大大提高仿真效率。
7展望
未来为了提高混合仿真平台运行效率, 满足复杂电力系统通信业务仿真需求, 可以从以下几点着重研究:
1) 应基于电力系统不同时间尺度的通信业务需求, 考虑电力和信息通信系统交互影响, 建立合适的混合仿真系统简化模型;
2)针对不同电力通信业务需求, 探讨更为高效的数据交换机制;
3)结合在我国已经成熟应用的电力系统仿真软件(如BPA, PSASP和FASTEST等), 研究并开发与信息通信系统仿真软件的数据交互模块和核心功能软件, 构建适合我国电网应用的混合仿真平台。
延伸阅读：
原标题：【精彩论文推荐】如何对电力和信息通信系统混合仿真?
