电力和信息通信系统混合仿真方法综述 程陈

发表时间:2018/5/8   来源:《电力设备》2017年第36期   作者:程陈
[导读] 摘要:随着智能电网新技术的迅速发展,传统电网已经逐步演变成一个日趋复杂的网络,这也给电力系统安全稳定运行带来新的挑战[。

        (国网四川省电力公司德阳市蓥华供电分公司  四川什邡  618400)
        摘要:随着智能电网新技术的迅速发展,传统电网已经逐步演变成一个日趋复杂的网络,这也给电力系统安全稳定运行带来新的挑战[。发电侧具有随机性、间歇性和波动性的可再生能源的大规模接入,输电侧特高压交直流混联输电方式、柔性交流输电系统和同步相量测量单元的引入,以及负荷侧分布式能源、智能负荷和电动汽车的普及,使得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。这一切都将依赖信息通信技术。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,这也是“智能电网”的“智能”之所在。
        关键词:电力;信息通信系统;混合仿真方法
        一、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,不同位置、不同电压等级电网的各类量测信息(如电压、频率等)和其他附加信息(如气象信息,智能家电和电动汽车等可控智能负荷用户设定信息等)将被源源不断的传送至电网集中控制中心或区域控制器,以用于监测、调控和保护等应用。对于电网调控和保护应用,控制指令信息将会被传送至相应的控制器和继电保护装置。这种广域监控保护和控制系统对信息通信系统提出了高要求。因此,分析智能电网各种先进解决方案的关键就在于,在进行动态或静态电力系统仿真时能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。通常这类微分代数方程组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3类解决方案:①联立仿真方案;②非实时混合仿真方案;③实时混合仿真方案。本文将分别对这3种解决方案进行详细介绍,并针对关键问题进行分析。
        二、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(电力系统仿真工具或通信系统仿真工具)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。其优势在于,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,如引言中所述。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,如比利时根特大学KevinMets所在研究小组于2011年提出的采用OMNeT++的联立仿真方案。该方案将MATLAB程序模块集成进OMNeT++,主要针对静态潮流计算问题,适用于需求响应通信相关问题研究。虽然这类方案不需要面对时间同步问题,但无法处理微分代数方程系统复杂的时间连续的动态问题建模及机电特性仿真。
        三、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混合仿真。两个系统的建模工作仍采用其各自的专业仿真软件完成,通过时间同步方法使两个软件能够运行于同一时间域。这也是当前电力和信息通信复合系统仿真平台的主要研究方向。通过成熟仿真工具丰富的元件库和已有的计算方法,最大程度保持系统的全面性和准确性。而软件接口、数据交换和仿真时间同步等问题将是这类解决方案的重点研究内容。
        混合仿真又可以分为非实时混合仿真和实时混合仿真。实时混合仿真方案在系统结构和平台搭建成本上与前者有明显的区别,因此将在第4节单独介绍。由于各类非实时混合仿真方案采用平台、数据同步方法和应用领域等均有各自特点,本节将根据方案提出的时间顺序进行总结和分析。
        1、PSCAD/EMTDC&Java
        北卡罗来纳大学Mesut Baran于2002年提出了采用PSCAD/EMTDC和Java编写的通信模块组成的混合仿真方案。虽然Java并不是严格意义上的专业通信仿真软件,但与第2节联立仿真方案中将MATLAB模块嵌入OMNeT++软件不同,该方案首次提出了时间连续系统和事件触发系统混合仿真思想,其结构如图1所示。该方案采用PSCAD/EMTDC的用户自定义模型构建了与外部模型的数据通信接口,通过Java丰富的编程环境构建独立的通信管理和控制模型,同时采用数据队列的存储方式完成两个系统信息交互的过程。


        图1 PSCAD/EMTDC&Java方案混合仿真结构
        仿真时间同步问题是混合仿真平台的关键。该方案所提出仿真流程如图2所示:①采用PSCAD/EMTDC的仿真步长作为全局时步(T=T6),在每一个仿真步长开始时(T0),PSCAD/EMTDC将上一步计算结果中的相关量测和状态信息通过自定义接口传送至Java通信管理模块(T0—T1—T2),作为其输入量;②Java通信模块对输入信息按队列顺序进行模拟传输和处理(T2—T3),并将处理结果(保护开关信号等)通过自定义接口返回至PSCAD/EMTDC(T3—T4—T5);③PSCAD/EMTDC根据返回信号修改初始量,并进行计算(T5—T6)。该方法在每步长的总仿真时间等于电力系统仿真工具步长(T5—T6)、信息通信系统仿真工具处理时间(T2—T3)和4次数据交换时间(T0—T1—T2和T3—T4—T5)之和。


        图2 PSCAD/EMTDC&Java方案时间同步方法流程
        由于在每一全局时步内都需要数据交换,因此该方案的计算效率受到较大限制。同时,由于Java平台并不是专业的通信系统仿真工具,其建模精确性和扩展性也存在一定不足。当然这些并不妨碍其在电力与信息通信混合仿真领域的开创性贡献,引领了后续诸多研究。
        2、EPOCHS和VPNET
        美国空军技术学院Kenneth Hopkinson领导的研究团队于2006年提出了电力和通信同步仿真工具(EPOCHS)。该仿真方案也被认为是第一个基于多专业仿真工具实现的混合仿真平台。EPOCHS采用高级体系架构(high-levelarchitecture,HLA)模块支持多仿真器的联合运行,每个仿真器只需要模拟单个复杂系统的某个方面。采用了3种独立仿真工具:PSCAD/EMTDC用于电力系统电磁暂态过程仿真;PSLF仿真软件用于机电暂态过程仿真;NS2用于通信网络建模与仿真。同时,设计了运行支撑环境(runtimeinfrastructure,RTI)作为各独立仿真器之间的接口,负责同步混合仿真平台仿真时间和数据传输。该方案采用的时间同步方法如图3所示:①由用户根据仿真精度和仿真效率需求设定全局同步时间间隔(t=t2);②每一步长内,各仿真器独自运行(其中电力系统仿真器每次只调用一个),所产生的数据交换需求则被缓存在缓冲区内;③到达数据同步点(t1),两个仿真器都暂停,进行统一的数据交换,并将交换数据作为下一个步长的初始数据。该方案每个仿真步长t由若干个电力系统仿真工具步长(t0—t1)和一次的数据交换时间(t1—t2)组成。仿真器到数据缓冲区的数据传输在系统仿真步长内同时进行:PSCAD/EMTDC或PSLF每步长计算结果的相关量测和状态信息在计算步后传输至数据缓冲区,而NS2根据上一次数据交换得到的数据进行事件驱动仿真,并将结果传输至数据缓冲区。显然,在选取合适的全局仿真步长的情况下,该方案能够大大缩短数据交换时间,系统的运行时间主要取决于两个仿真工具中处理速度较慢的一个(通常是电力系统仿真工具)。然而两个系统的数据同步需求难以预测,当处理某些需要在电力和通信系统之间进行大量数据交换的问题时,电力数据的不及时更新和信息通信系统事件延时处理将会严重影响仿真精度。


        图3 EPOCHS方案时间同步方法流程
        采用同样时间同步方法的还有德国亚琛工业大学Weilin Li等人于2011年提出的一种采用虚拟测试平台(virtual test bed,VTB)和OPENT的混合仿真方案,主要用于研究电力系统中的远程控制电力电子器件的性能。
        结束语
        现有研究集中于混合仿真平台的搭建,所解决电力和信息通信系统相关问题还较简单,且未形成具有绝对优势的构建方案。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手。
        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。
        参考文献:
        [1]赵俊华,文福拴,薛禹胜,等.电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架[J].电力系统自动化,2011,35(16):1-8.
        [2]汤奕,王琦,陈宁,等.采用功率预测信息的风电场有功优化控制方法[J].中国电机工程学报,2012,32(34):1-7.

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