基于RTDS與QualNet的電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)

童和欽, 倪 明, 李滿禮, 司慶華, 繆源誠, 龔 鵬

(1. 南瑞集團(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇省南京市 211106; 2. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇省南京市 211106; 3. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室, 江蘇省南京市 211106; 4. 國家電網(wǎng)公司華東分部, 上海市 200120; 5. 北京理工大學(xué)機電學(xué)院, 北京市 100081)

0 引言

隨著特高壓交直流電網(wǎng)的發(fā)展及電網(wǎng)智能化建設(shè),電網(wǎng)對電力通信網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐需求更加顯著。電力系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為由電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)相互耦合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。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)造成影響,有可能會使電力系統(tǒng)的運行可靠性、控制的有效性達不到設(shè)計或規(guī)劃的水平,甚至導(dǎo)致大規(guī)模停電事故的發(fā)生。因此研究這種電網(wǎng)和通信網(wǎng)的復(fù)雜耦合系統(tǒng)就有著重要的現(xiàn)實意義,而仿真技術(shù)是定量分析研究這種耦合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

國內(nèi)外已有諸多針對電網(wǎng)和通信網(wǎng)構(gòu)成的復(fù)雜耦合系統(tǒng)的仿真方法,這些方法可大致分為:純數(shù)字仿真和半實物仿真。其中數(shù)字仿真包括以下幾項。

1)聯(lián)立仿真:將電網(wǎng)和通信網(wǎng)的仿真模型和方法集成到同一仿真平臺上,但采用這種方法無法準確反映出復(fù)合系統(tǒng)的動態(tài)特性[2]。

2)非實時聯(lián)合仿真:如電力和通信同步仿真(EPOCHS)和全局事件驅(qū)動混合仿真(GECO),電網(wǎng)和通信網(wǎng)仿真分別采用各自成熟的仿真軟件。但在用于電力系統(tǒng)動態(tài)問題仿真(如穩(wěn)定控制、廣域監(jiān)測)時,仿真時間難以精確同步,難以及時響應(yīng)電力或通信事件,從而影響仿真結(jié)果的精確性[3]。

3)實時聯(lián)合仿真:電網(wǎng)和通信網(wǎng)仿真都采用實時仿真軟件,并進行實時數(shù)據(jù)交互。如文獻[3]采用OPAL-RT和OPNET構(gòu)建了實時聯(lián)合仿真平臺,實現(xiàn)了廣域智能負荷控制的分析。但該方法存在一些所有純數(shù)字仿真方法存在的共性缺點,包括:難以準確描述所有電力二次設(shè)備的特性,難以準確描述電力通信設(shè)備的多樣性以及通信規(guī)約和網(wǎng)絡(luò)的多樣性等。

上述幾種純數(shù)字建模的數(shù)字仿真方法,能對易于建模的電力控制和通信設(shè)備的功能進行仿真,但對難以建模的電力控制和通信設(shè)備的性能無法準確模擬;另外,電力通信系統(tǒng)中采用了大量特殊的、專用的電力通信規(guī)約,而這些通信規(guī)約難以通過純數(shù)字方法建模。因此,當(dāng)需要準確模擬設(shè)備性能或設(shè)備間通信性能時,就要將部分物理設(shè)備接入計算機仿真回路,構(gòu)建半實物仿真系統(tǒng),實現(xiàn)更接近于實際情況的仿真[4]。如文獻[5]中,介紹了一種用于分析網(wǎng)絡(luò)攻擊對電網(wǎng)影響的半實物仿真系統(tǒng);文獻[6]中,介紹了一種用于分析電網(wǎng)需求響應(yīng)的半實物仿真系統(tǒng)?，F(xiàn)有的電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物仿真主要面向基于以太網(wǎng)技術(shù)的配電網(wǎng)側(cè)業(yè)務(wù),還沒有面向基于同步數(shù)字體系(SDH)通信網(wǎng)絡(luò)的保護穩(wěn)控業(yè)務(wù)的半實物仿真系統(tǒng)。

由于SDH通信網(wǎng)絡(luò)采用了同步傳輸、時隙復(fù)用的數(shù)據(jù)傳輸機制,相較于以太網(wǎng)的分組傳輸機制,其傳輸?shù)膹?fù)雜程度、實時性要求、安全可靠性要遠高于以太網(wǎng)技術(shù)。另外,SDH傳輸?shù)倪B續(xù)碼流以幀為單位,讀取數(shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)需要實現(xiàn)精準的時隙同步;而以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)為非連續(xù)碼流,讀取數(shù)據(jù)包有效數(shù)據(jù)無需采用精準同步方式。因此,實現(xiàn)SDH通信網(wǎng)絡(luò)的半實物仿真往往無法利用商業(yè)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,而需要根據(jù)業(yè)務(wù)類型和仿真目標獨立開發(fā)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,其復(fù)雜度和難度要遠大于基于以太網(wǎng)的半實物仿真。

另外,目前沒有能夠準確反映保護、安全穩(wěn)定控制裝置(簡稱穩(wěn)控裝置)性能的仿真模型,同時也沒有反映保護穩(wěn)控通信規(guī)約的模型,因此要實現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)在通信中斷、誤碼等故障情況時的精確仿真,就需要設(shè)計包括保護穩(wěn)控裝置實物和與保護穩(wěn)控系統(tǒng)相關(guān)的通信設(shè)備實物的半實物仿真系統(tǒng)。由此本文提出了一種基于實時數(shù)字仿真器(RTDS)與QualNet的電力和通信半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng),實現(xiàn)了SDH等通信設(shè)備、穩(wěn)控裝置及其他電力二次控制設(shè)備實物的接入。

1 電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)的架構(gòu)

在電網(wǎng)的保護穩(wěn)控系統(tǒng)中,一般采用基于SDH的專網(wǎng)點對點的通信方式。SDH為各保護穩(wěn)控業(yè)務(wù)分配2 Mbit/s的業(yè)務(wù)通道,根據(jù)SDH數(shù)據(jù)的傳輸特性,該通道為點對點的專線通道,帶寬固定,通信數(shù)據(jù)流量固定,當(dāng)通信業(yè)務(wù)確定后,在通信正常時其延時和誤碼指標變化小。

通信通道的狀態(tài)決定了電力系統(tǒng)控制信號的傳輸狀態(tài)。例如:通信通道中斷時,控制信號隨之中斷或延時增大(有備用通道時);通信通道延時增大,控制信號的控制延時也會增大;通信通道誤碼率增大,導(dǎo)致電力設(shè)備的丟包率相應(yīng)增加(主動丟棄含誤碼的數(shù)據(jù)包),造成控制延時增大的可能性變大[7]。

根據(jù)SDH傳輸?shù)奶匦?以及通信通道狀態(tài)對電力系統(tǒng)控制的影響方式,本文提出了基于RTDS和QualNet,并能允許SDH設(shè)備實物和電力二次控制設(shè)備實物接入的電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)的整體架構(gòu),如圖1所示。

圖1 半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of hardware-in-the-loop co-simulation system

圖1中主要包括通信系統(tǒng)仿真環(huán)境(QualNet仿真軟件)、電網(wǎng)仿真環(huán)境(RTDS)、SDH設(shè)備實物、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器和電力二次設(shè)備單元(如保護和穩(wěn)控裝置)等五部分。半實物仿真系統(tǒng)采用實時同步,設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互應(yīng)滿足實時性要求,設(shè)備的數(shù)據(jù)包處理能力可以達到每0.833 ms處理一個數(shù)據(jù)包(電力系統(tǒng)采樣頻率為1 200 Hz)。

上述半實物仿真系統(tǒng)框架不僅可以對電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的復(fù)合故障進行連續(xù)的聯(lián)合仿真,還可以用于對電網(wǎng)的控制策略有效性分析和修正,更可用于電力或通信設(shè)備的檢測和對通信協(xié)議的分析校驗。

2 電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真的接口設(shè)計

半實物仿真一般采用實時仿真技術(shù),即仿真模型的事件標尺和自然事件標尺相同。這就要求實物與仿真系統(tǒng)間的接口數(shù)據(jù)處理的高效和實時性,并能夠完成實物設(shè)備信號到仿真數(shù)據(jù)的變換功能。在電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物仿真系統(tǒng)中,實物與通信仿真軟件的接口類型主要有3種:基于模擬與仿真的高層體系架構(gòu)(HLA)接口[8-9]、基于仿真軟件實時數(shù)據(jù)接口(SITL)[10]和基于外部系統(tǒng)訪問的自定義半實物仿真接口[11]。

在本文提出的電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)中,由于穩(wěn)控裝置間的信息傳輸通道為基于SDH的E1通道,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行了擴頻編碼,數(shù)據(jù)幀格式為高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(HDLC),而非標準的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)數(shù)據(jù)格式,因此不能簡單采用HLA接口和SITL接口模式,而需要基于電力二次設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入輸出格式自定義半實物仿真接口。

2.1 自定義半實物仿真系統(tǒng)接口設(shè)計

自定義的半實物仿真接口主要包括兩部分:基于物理通信通道的協(xié)議轉(zhuǎn)換器(通信通道接口)和仿真軟件的網(wǎng)絡(luò)接口(SITL接口)。

1)協(xié)議轉(zhuǎn)換器

基于物理通信通道的協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)類型和編碼方式靈活選擇,包括:路由器、E1轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器等。其中,路由器可以實現(xiàn)一般通用的編碼方式和廣泛使用的標準協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換,如TCP/IP協(xié)議、HDLC協(xié)議、X.25協(xié)議、幀中繼協(xié)議、點到點協(xié)議(PPP)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)協(xié)議等,通過橋接、隧道等模式可以實現(xiàn)真實網(wǎng)絡(luò)和虛擬網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)互通。

而對于與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸方式完全不同的SDH,則需要設(shè)計相應(yīng)的E1轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器,實現(xiàn)將SDH的E1通道的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換成計算機網(wǎng)卡可以接收的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。由于計算機不能直接接收處理具有嚴格時隙同步要求,以及非TCP/IP數(shù)據(jù)包格式的E1數(shù)據(jù)幀,同時穩(wěn)控裝置輸出的E1通道數(shù)據(jù)格式依據(jù)了國家電網(wǎng)公司的Q/GDW 11356—2014《電網(wǎng)安全自動裝置標準化設(shè)計規(guī)范》的要求定義的私有通信協(xié)議,并進行了線路擴頻編碼,難以與其他商用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容,因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的用于穩(wěn)控系統(tǒng)E1通道通信的通信設(shè)備設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)換器。該協(xié)議轉(zhuǎn)換器包括HDB3物理層編碼/解碼、1B4B擴頻編碼/譯碼裝置,以及IP數(shù)據(jù)包封裝傳輸裝置(2 MB/以太網(wǎng)光電轉(zhuǎn)換裝置),實現(xiàn)穩(wěn)控E1通道規(guī)約到IEC 60870-5-104規(guī)約的協(xié)議轉(zhuǎn)換。首先使用設(shè)備時鐘與輸入的碼流對時,實現(xiàn)時隙同步;然后經(jīng)過HDB3物理層解碼后,由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片解碼器對擴頻編碼進行解碼,恢復(fù)HDLC數(shù)據(jù)幀;通過高速CPU芯片讀出數(shù)據(jù)幀中的有效數(shù)據(jù)并進行差錯校驗;將合格的有效數(shù)據(jù)重新封裝為符合IEC 60870-5-104的IP數(shù)據(jù)包,以SOCKET用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)模式輸出。

2)仿真軟件的網(wǎng)絡(luò)接口

仿真軟件的網(wǎng)絡(luò)接口采用SITL接口技術(shù),通過仿真計算機網(wǎng)卡接收/發(fā)出真實IP數(shù)據(jù)包,其工作流程如圖2所示。在仿真軟件中設(shè)置虛擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,該節(jié)點用于連接外部真實網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。當(dāng)真實節(jié)點輸出的標準IP數(shù)據(jù)包通過仿真計算機網(wǎng)卡輸入通信仿真軟件時,形成真實節(jié)點IP與虛擬節(jié)點IP的映射,通過對數(shù)據(jù)包進行捕獲、轉(zhuǎn)換、重構(gòu),實現(xiàn)將真實網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)注入通信仿真軟件。當(dāng)仿真軟件中的虛擬節(jié)點輸出數(shù)據(jù)包時,通過對數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換,由仿真計算機網(wǎng)卡輸出到真實網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

圖2 通信仿真軟件的半實物接口工作流程Fig.2 Procedure of hardware-in-the-loop interface for communication simulator

2.2 半實物仿真系統(tǒng)固有延時分析

由于半實物仿真系統(tǒng)要實現(xiàn)的是實時仿真,因而仿真系統(tǒng)的固有延時會對仿真系統(tǒng)的可靠性、準確性有較大的影響。半實物仿真系統(tǒng)的固有延時主要來自自定義半實物仿真系統(tǒng)接口。自定義半實物仿真系統(tǒng)接口由協(xié)議轉(zhuǎn)換器和仿真軟件的網(wǎng)絡(luò)接口兩部分組成,所以半實物仿真系統(tǒng)的固有延時也是由這兩部分的延時組成的。

1)協(xié)議轉(zhuǎn)換器的延時

E1轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器會有一個轉(zhuǎn)換延時(設(shè)為Tc),當(dāng)數(shù)據(jù)包輸出為48 B時,對應(yīng)擴頻后的數(shù)據(jù)流量為1 536 bit,考慮到傳輸通道帶寬為2 Mbit/s,因此,協(xié)議轉(zhuǎn)換器接收一個完整數(shù)據(jù)包的時間小于等于0.768 ms;另外,穩(wěn)控數(shù)據(jù)包的發(fā)送頻率為0.833 ms/包,為避免出現(xiàn)穩(wěn)控數(shù)據(jù)包丟包,以及數(shù)據(jù)包在協(xié)議轉(zhuǎn)換器上的堆積現(xiàn)象發(fā)生,協(xié)議轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換延時應(yīng)小于1.667 ms(對應(yīng)于1個數(shù)據(jù)包在接收緩沖器,1個數(shù)據(jù)包在發(fā)送緩沖器)。綜上所述,協(xié)議轉(zhuǎn)換器的延時應(yīng)在0.768～1.667 ms之間。

2)仿真軟件的網(wǎng)絡(luò)接口的延時

網(wǎng)絡(luò)中真實的數(shù)據(jù)包通過SITL接口轉(zhuǎn)換成虛擬通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)包時會有一定的轉(zhuǎn)換延時(設(shè)為Ti),該延時與數(shù)據(jù)包的大小密切相關(guān)。由于穩(wěn)控裝置輸出的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量很小,不超過48 B,通過實測,不同大小數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換延時見表1。

3) 固有延時的計算

考慮到信號需要從實物到通信仿真軟件,然后從通信仿真軟件輸出到實物,因此半實物仿真系統(tǒng)的固有延時Ttotal的計算公式為:

Ttotal=2Ti+2Tc

因此,通過計算,當(dāng)穩(wěn)控數(shù)據(jù)包大小為48 B時,半實物仿真系統(tǒng)的固有延時Ttotal在3.536～5.334 ms之間。

3 電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)

半實物仿真系統(tǒng)所采用的通信仿真軟件為QualNet。QualNet是一款高性能的網(wǎng)絡(luò)模擬系統(tǒng),可用于模擬分析無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)、混合網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能;能夠?qū)崿F(xiàn)實時仿真、實現(xiàn)并行計算;支持多種并行計算環(huán)境;能實現(xiàn)真實數(shù)據(jù)包在虛擬網(wǎng)中傳輸;能實現(xiàn)預(yù)優(yōu)化的協(xié)議模型等[10]。像所有的通信仿真軟件一樣,QualNet也沒有SDH模型。為了實現(xiàn)保護和穩(wěn)控的通信功能的仿真,通過在QualNet上進行二次開發(fā),設(shè)計了SDH網(wǎng)絡(luò)模型,可以進行基于光纖網(wǎng)絡(luò)的SDH仿真,實現(xiàn)自愈環(huán)保護、通信故障模擬功能,提供各通信通道的延時和狀態(tài)信息等。

半實物仿真系統(tǒng)所采用的電力仿真工具為RTDS。RTDS是一種純數(shù)字連續(xù)實時電力仿真系統(tǒng),通過大量的輸入/輸出(I/O)接口可以實現(xiàn)高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換,從而使得實際的保護設(shè)備、控制設(shè)備、測量設(shè)備等電力二次設(shè)備可以與RTDS中仿真的虛擬電力系統(tǒng)進行交互;RTDS輸出的微弱模擬信號通過功率放大器放大后,變成可以由穩(wěn)控裝置采樣的模擬信號;RTDS輸出的狀態(tài)量通過開關(guān)量轉(zhuǎn)換柜轉(zhuǎn)換成穩(wěn)控裝置能采樣的狀態(tài)量,而穩(wěn)控裝置輸出的控制信號也通過開關(guān)量轉(zhuǎn)換柜轉(zhuǎn)換成RTDS的數(shù)字輸入信號[12]。

硬件設(shè)備包括:保護、穩(wěn)控裝置等電力二次控制設(shè)備;SDH、路由器等通信設(shè)備;協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置等。

下面以實現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)閉環(huán)控制聯(lián)合仿真功能的平臺為例,介紹具體的仿真流程(如圖3所示)。

在半實物仿真過程中,RTDS輸出的電壓、電流、頻率等模擬信號;穩(wěn)控裝置配置有離線或在線追加制定的控制策略,穩(wěn)控裝置主站通過采樣、分析RTDS輸出的模擬信號,與預(yù)先存儲在穩(wěn)控裝置的運行方式進行比對,匹配到相應(yīng)的離線或在線追加控制策略,并向控制子站發(fā)出相應(yīng)的控制指令(如切機指令、切負荷指令等);控制指令通過E1通道經(jīng)由SDH設(shè)備實物后輸出到協(xié)議轉(zhuǎn)換器;控制指令通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器譯碼和封裝后,以SOCKET UDP數(shù)據(jù)包形式發(fā)送給通信仿真系統(tǒng);通信仿真系統(tǒng)采用隧道模式將數(shù)據(jù)包輸入虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)中;由通信仿真的控制平臺管理通信仿真,包括:通信故障的設(shè)置、通信誤碼的生成等;經(jīng)過通信延時、誤碼等仿真后的數(shù)據(jù)包經(jīng)網(wǎng)卡輸出,再由協(xié)議轉(zhuǎn)換器重新轉(zhuǎn)換后,加載到E1數(shù)據(jù)幀中,通過E1通道發(fā)送給控制子站,并由控制子站執(zhí)行,執(zhí)行的結(jié)果反饋回RTDS。最后形成一個完整的包括電網(wǎng)和通信網(wǎng)的閉環(huán)控制仿真。

圖3 閉環(huán)控制的半實物聯(lián)合仿真Fig.3 Hardware-in-the-loop co-simulation by closed-loop control

4 半實物仿真系統(tǒng)測試和算例分析

4.1 半實物仿真系統(tǒng)測試

本文實現(xiàn)的聯(lián)合仿真系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)仿真和通信側(cè)仿真分別采用了商用的RTDS和QualNet仿真工具,因而其準確性是有保障的。平臺可以實現(xiàn)實物電力二次控制裝置(如保護和穩(wěn)控裝置)和實物通信裝置(如SDH、路由器)的接入,因而可以達到比純數(shù)字仿真更好的仿真精度。由于半實物仿真系統(tǒng)要實現(xiàn)的是實時仿真,因而仿真系統(tǒng)的固有延時會對仿真系統(tǒng)的可靠性、準確性有較大的影響,為確保半實物仿真系統(tǒng)準確性和有效性,需要對仿真系統(tǒng)的固有延時進行測試。為此,將該平臺與一個簡化的真實網(wǎng)絡(luò)做通信延時的對比驗證,系統(tǒng)拓撲如圖4所示。由全球定位系統(tǒng)(GPS)校時的穩(wěn)控裝置發(fā)送指令,對比指令在真實網(wǎng)絡(luò)和半實物仿真網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時,兩者的延時差就是仿真系統(tǒng)的固有延時。

其中真實網(wǎng)絡(luò)場景是:用很短的尾纖直接連接SDH的光口,測試系統(tǒng)的整體延時。半實物仿真網(wǎng)絡(luò)場景是:在QualNet仿真軟件中建立相應(yīng)的接口直連鏈路,并通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器與SDH設(shè)備連接,測試半實物仿真系統(tǒng)的整體延時。表2中分別列出穩(wěn)控輸出24 B和48 B數(shù)據(jù)包時,半實物仿真網(wǎng)絡(luò)場景和真實網(wǎng)絡(luò)場景的延時差。測試共進行了3次。

圖4 半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)固有延時測試Fig.4 Inherent time-delay testing for hardware-in-the-loop co-simulation system

序號半實物仿真網(wǎng)絡(luò)固有延時/ms24B數(shù)據(jù)包48B數(shù)據(jù)包13．205．0523．085．1233．104．91

由對比結(jié)果可知,根據(jù)穩(wěn)控數(shù)據(jù)包的大小不同,半實物仿真系統(tǒng)的接口固有延時在3～5 ms之間。由于實際系統(tǒng)中,穩(wěn)控系統(tǒng)的動作時間超過200 ms,因此半實物仿真系統(tǒng)接口延時對控制結(jié)果的影響可以忽略。另外,考慮到在穩(wěn)控數(shù)據(jù)包大小相同時,半實物仿真系統(tǒng)的固有延時變化不大,因此可以通過在RTDS中調(diào)整斷路器的動作時間來補償半實物仿真系統(tǒng)的固有延時,從而獲得更好的仿真結(jié)果。

4.2 算例分析

4.2.1算例簡介

為研究通信誤碼對穩(wěn)控系統(tǒng)的影響,本文采用該電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)對華東頻率協(xié)控系統(tǒng)(以下簡稱“協(xié)控系統(tǒng)”)進行了閉環(huán)仿真,并分析了通信誤碼對穩(wěn)控裝置及系統(tǒng)的影響。

通信網(wǎng)采用SDH通信方式,SDH光纖通信網(wǎng)以環(huán)形拓撲為主,部分區(qū)域的通信拓撲如圖5所示,電力設(shè)備通過E1通道接入SDH網(wǎng)絡(luò)。SDH設(shè)備實物為烽火的IBAS-180(傳輸速率622 Mbit/s)。協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置是為將E1數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包以實現(xiàn)半實物聯(lián)合仿真而專門開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

協(xié)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。穩(wěn)控裝置分別采用了SCS-500E分布式穩(wěn)定控制裝置和PCS-992穩(wěn)定控制裝置。

圖5 SDH通信網(wǎng)拓撲Fig.5 Topology of SDH communication network

圖6 華東協(xié)控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Framework of East China frequency coordinated control system

4.2.2結(jié)果分析

結(jié)合上述仿真模型,可以驗證通信誤碼率對穩(wěn)控裝置及電力系統(tǒng)的影響。

仿真的場景包括電力故障和通信故障。通信故障場景為子站S連接SDH環(huán)網(wǎng)的鏈路J誤碼率增大(根據(jù)ITU-T G.821標準的定義“嚴重誤碼秒”事件為:如果1 s的時間周期內(nèi)誤碼率大于等于1×10-3;如果連續(xù)出現(xiàn)10個嚴重誤碼秒(SES)事件,則SDH不可用秒(UAS)事件發(fā)生[13]),見圖5。

電力故障場景為:賓金直流雙極閉鎖,直流最大提升2000 MW,抽蓄最大可切量5 829 MW,負荷不可切。根據(jù)通信故障場景中誤碼率的不同分別對應(yīng)3種仿真場景,分別為:①場景1——賓金直流雙極閉鎖,鏈路J通信正常情況(誤碼率為7×10-7);②場景2——賓金直流雙極閉鎖,鏈路J通信誤碼率異常(誤碼率為1.25×10-3);③場景3——賓金直流雙極閉鎖,鏈路J通信誤碼率異常(誤碼率為1.564 8×10-3)。

在3種仿真場景下,有4個仿真結(jié)果。其中對應(yīng)場景2,有兩種不同的仿真結(jié)果。結(jié)果如下。

1)結(jié)果1(對應(yīng)場景1):電力系統(tǒng)功率損失7 439 MW,直流提升2 000 MW,切抽蓄3 939 MW。

2)結(jié)果2(對應(yīng)場景2):直流協(xié)控主站與直流協(xié)控子站間通信通道異常,功率損失7 442 MW,提升直流0 MW,切抽蓄5 829 MW。

3)結(jié)果3(對應(yīng)場景2):直流協(xié)控主站與直流協(xié)控子站間通信通道無異常,功率損失7 442 MW,直流提升2 000 MW,切抽蓄3 942 MW。

4)結(jié)果4(對應(yīng)場景3):直流協(xié)控主站與直流協(xié)控子站間通信通道異常,功率損失7 440 MW,提升直流0 MW,切抽蓄5 829 MW。

上述4種情況下的RTDS仿真的頻率響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 通信誤碼下的仿真頻率響應(yīng)曲線Fig.7 Simulation frequency response curves of communication bit-errors

直流執(zhí)行站記錄的直流動作情況如下。

1)結(jié)果1:直流提升動作時間為1 133.44 ms。

2)結(jié)果2:誤碼引起數(shù)據(jù)傳輸中斷(非鏈路中斷,因此未進行通道切換,和直接中斷不同),無直流提升動作信號。

3)結(jié)果3:數(shù)據(jù)傳輸未中斷,直流提升動作時間為1 232 ms。

4)結(jié)果4:子站S穩(wěn)控裝置顯示設(shè)備通信異常,無直流提升動作信號。

通過分析仿真結(jié)果,可以看出: 從仿真結(jié)果的頻率曲線上看,通信通道的誤碼率增大,頻率控制的延時增大,從而造成對頻率動態(tài)響應(yīng)的影響增大;當(dāng)誤碼率達到一定值時,會造成控制的不確定性。例如:當(dāng)鏈路J通信誤碼率為1.25×10-3時,出現(xiàn)了直流提升能動作和不能動作兩種控制結(jié)果;通信通道誤碼率越大,出現(xiàn)電力設(shè)備間通信通道異常的概率越大,引起策略失效的概率越大。

由于半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng)中接入了電力二次設(shè)備實物,相較于數(shù)字模型,其具體的性能參數(shù)可以在半實物仿真過程中精確模擬出來。通過仿真,可以精細化確定不同通信誤碼率對頻率控制的影響,以及發(fā)現(xiàn)誤碼率的變化對穩(wěn)控裝置實物、穩(wěn)控策略選取,以及穩(wěn)控策略的執(zhí)行效果的影響。例如,在鏈路誤碼率為1.25×10-3時,穩(wěn)控裝置出現(xiàn)了控制不確定的現(xiàn)象,而這種與物理設(shè)備性能密切相關(guān)的現(xiàn)象是純數(shù)字仿真無法實現(xiàn)的。

5 結(jié)語

本文提出了一種基于RTDS與QualNet的電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真方法和總體框架,開發(fā)了面向SDH網(wǎng)絡(luò)半實物仿真的軟件接口和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器,并基于該框架用RTDS、穩(wěn)控裝置、SDH設(shè)備實物、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器和通信仿真軟件QualNet開發(fā)用于電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)仿真的電網(wǎng)和通信網(wǎng)半實物聯(lián)合仿真系統(tǒng),研究了通信通道誤碼對電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)的影響。采用該半實物仿真系統(tǒng)框架,不僅能基于輸配電網(wǎng)不同的分析和控制功能及不同的通信方式(SDH、EPON、無線等),實現(xiàn)多種電力設(shè)備和通信設(shè)備的靈活搭配組合,滿足不同仿真場景的需求,還可基于現(xiàn)有半實物仿真系統(tǒng)實現(xiàn)以下用途。

1)可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的復(fù)合故障的連續(xù)聯(lián)合仿真,研究連鎖故障的演化過程,為系統(tǒng)安全控制策略研究提供有效的校驗和測試工具。

2)可用于電力或通信設(shè)備的校驗和檢測。通過半實物仿真系統(tǒng),模擬真實的設(shè)備運行環(huán)境,使設(shè)備能在滿足系統(tǒng)整體性能指標的環(huán)境中得到檢驗,提高設(shè)備設(shè)計的可靠性和研制質(zhì)量。

3)可以用于新的通信協(xié)議和應(yīng)用的分析檢驗,為新的電力業(yè)務(wù)的設(shè)計開發(fā)提供真實的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備環(huán)境。

4)可用于操作演練和培訓(xùn),使被培訓(xùn)人員獲得更直觀的感受,并在不損害電力系統(tǒng)的條件下,使其獲得相應(yīng)的操作經(jīng)驗。

5)可用于網(wǎng)絡(luò)安全的評估和測試,實現(xiàn)數(shù)字仿真所無法實現(xiàn)的真實網(wǎng)絡(luò)攻擊行為的攻防演練,以及評估網(wǎng)絡(luò)的安全性。

考慮到目前的半實物仿真系統(tǒng)框架中,協(xié)議轉(zhuǎn)換器和仿真網(wǎng)絡(luò)接口在進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時還存在一定的延時,在后續(xù)的工作中,將研究開發(fā)更高效的專用協(xié)議轉(zhuǎn)換器,實現(xiàn)不同通信規(guī)約數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)換,以及優(yōu)化仿真網(wǎng)絡(luò)接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)包高速緩存和低延時傳輸。

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