面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電力-通信聯(lián)合仿真平臺設(shè)計

宋曉健， 喻 潔， 張俊芳，倪 明， 孫 旻

(1. 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；4. 國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330006)

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面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電力-通信聯(lián)合仿真平臺設(shè)計

宋曉健1， 喻 潔2， 張俊芳1，倪 明3， 孫 旻4

(1. 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；3. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；4. 國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330006)

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和發(fā)展，電力業(yè)務(wù)中的通信環(huán)節(jié)承擔(dān)起越來越重要的角色，有必要研究通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的協(xié)同作用。在分析了能源互聯(lián)網(wǎng)通信需求的基礎(chǔ)上，提出了電力網(wǎng)和通信網(wǎng)聯(lián)合仿真平臺的總體框架和關(guān)鍵技術(shù)，并采用仿真軟件Matlab和OPNET設(shè)計了電力-通信聯(lián)合仿真平臺，以研究通信對電力系統(tǒng)運行的影響。最后，以能源互聯(lián)網(wǎng)分布式電源(DER)參與系統(tǒng)調(diào)頻為仿真算例，驗證了聯(lián)合仿真平臺的可行性和有效性。

能源互聯(lián)網(wǎng)；電網(wǎng)；通信；聯(lián)合仿真

0 引言

為了應(yīng)對能源危機(jī)，新能源技術(shù)得以快速發(fā)展，能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。能源互聯(lián)網(wǎng)是建立在現(xiàn)有的能源系統(tǒng)與配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的信息技術(shù)和電力電子技術(shù)，實現(xiàn)能量和信息雙向流動。高速、安全和可靠的信息通信網(wǎng)絡(luò)將為能源互聯(lián)網(wǎng)的可行性和可控性提供重要的技術(shù)支撐，通信的重要性大大提升[1-4]。因此，電力系統(tǒng)與其通信系統(tǒng)之間的聯(lián)合仿真具有重要的現(xiàn)實意義。

電力系統(tǒng)和通信仿真領(lǐng)域分別有各自的仿真軟件，如今的仿真分析也基本局限于自身框架，對于將通信環(huán)節(jié)加入到電力系統(tǒng)仿真，并考慮通信中斷、延時、誤碼等情況對電力系統(tǒng)運行影響的研究很少。文獻(xiàn)[5]對聯(lián)立仿真、非實時混合仿真和實時混合仿真3類方案進(jìn)行了介紹，提出了一種新的基于狀態(tài)緩存的電力與信息通信混合仿真平臺時間同步方法。文獻(xiàn)[6]提出了一種面向同步數(shù)字體系通信的電網(wǎng)和通信網(wǎng)綜合仿真方法，以研究通信對電網(wǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[7,8]提出了電力信息物理融合系統(tǒng)的基本架構(gòu)，建立了其穩(wěn)態(tài)與動態(tài)模型。但這些文獻(xiàn)多偏于理論性研究與信息物理層面上的初步探索，未能具體實施并實際應(yīng)用。

本文構(gòu)建了一套基于Cosim接口進(jìn)行Matlab與OPNET聯(lián)合仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了電力業(yè)務(wù)仿真平臺與通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺間的數(shù)據(jù)交互和仿真進(jìn)度的協(xié)同管理。仿真過程中能夠根據(jù)實驗需要靈活調(diào)整電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)數(shù)量和仿真進(jìn)度推進(jìn)步長，并借助通信網(wǎng)絡(luò)的仿真，對電力通信網(wǎng)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議機(jī)理和傳輸過程進(jìn)行模擬，考察網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，最終將相關(guān)反饋結(jié)果作為衡量電力業(yè)務(wù)傳輸效果的預(yù)測及評估依據(jù)。

1 面向能源互聯(lián)網(wǎng)的電力-通信聯(lián)合仿真平臺的提出

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)的電力通信需求

能源互聯(lián)網(wǎng)各能源節(jié)點之間進(jìn)行信息交互，依照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，分布式可再生能源入網(wǎng)作為特殊匯聚節(jié)點，入網(wǎng)位置比較靈活，考慮入網(wǎng)對電能質(zhì)量、孤島問題和繼電保護(hù)的影響，需要滿足非常高的遙控、遙信和遙測要求。

結(jié)合各類通信方式的性能和優(yōu)缺點，能源互聯(lián)網(wǎng)的通信方式分為有線通信方式和無線通信方式。有線通信方式包括光纖通信、電力線通信(PLC)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)等，無線通信方式包括GPRS、3G/4G、WiMAX等方式[9-13],各種通信方式比較見表1。各能源節(jié)點發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部通信業(yè)務(wù)量小、距離短，優(yōu)選現(xiàn)場總線、PLC等傳統(tǒng)的、經(jīng)濟(jì)性較好的通信方式；入網(wǎng)點信息量較大，對傳輸?shù)膶崟r性和可靠性要求高，優(yōu)選光纖通信和2G/3G/4G 移動通信方式。

表1 各種通信方式比較Table 1 Comparison of various communication methods

通信方式傳輸距離/km傳輸速率/(Mb·s-1)優(yōu)點局限性光纖通信0.55～100<10傳輸距離長,速率快,抗干擾建設(shè)成本高PLC1～32～3傳輸距離長依賴于已有電力線路,抗干擾能力差EPON201250傳輸速率快,組網(wǎng)靈活初期投資高,不易擴(kuò)散GPRS1～100.17傳輸距離遠(yuǎn),成本低傳輸速率低,安全性差WiMAX1～5>75建設(shè)成本低,覆蓋面積廣沒有廣泛應(yīng)用,信號易受干擾3G/4G移動通信-20速率快,通信質(zhì)量好結(jié)構(gòu)復(fù)雜,費用高

1.2 聯(lián)合仿真平臺的功能和架構(gòu)的提出

由于能源互聯(lián)網(wǎng)中的分布式可再生能源出力小、數(shù)量多且分布廣而不均，基于上文能源互聯(lián)網(wǎng)的電力通信需求分析，能源互聯(lián)網(wǎng)各環(huán)節(jié)之間的通信鏈路將會錯綜復(fù)雜，通信的安全穩(wěn)定顯得尤為重要。

在電力系統(tǒng)中，各聯(lián)絡(luò)線路上的控制信號和數(shù)據(jù)信息是由通信通道傳輸，所以通信通道的延時、誤碼及中斷會直接導(dǎo)致電力系統(tǒng)信息的延時、錯誤甚至中斷。因此，根據(jù)分布式電源(DER)接入的特點，以及通信通道狀態(tài)對電力系統(tǒng)控制的影響方式[14-17]，本文提出了電力-通信分布式聯(lián)合仿真平臺的整體框架，如圖1所示。

圖1 聯(lián)合仿真平臺功能架構(gòu)Fig.1 Function diagram of the joint simulation platform

該聯(lián)合仿真平臺框架中主要包括電力仿真單元、通信仿真單元、數(shù)據(jù)交互單元、仿真控制單元以及仿真功能單元，各部分協(xié)調(diào)運作，實現(xiàn)電力與通信的聯(lián)合仿真。

其中，電力仿真單元包含電力仿真軟件及其用于數(shù)據(jù)輸入、輸出的接口設(shè)計，以及電力系統(tǒng)運行的狀態(tài)與事件的設(shè)定，如發(fā)電機(jī)出力、負(fù)荷、電壓的狀況，切機(jī)、切負(fù)荷情況以及輸電線路的通斷等。

通信仿真單元包含通信仿真軟件及其用于數(shù)據(jù)輸入、輸出的接口設(shè)計，以及通信狀態(tài)與事件的設(shè)定，如通信延時、中斷等。

數(shù)據(jù)交互單元包含電力仿真接口與通信仿真接口的連接，實現(xiàn)電力仿真軟件與通信仿真軟件間的數(shù)據(jù)交互。

仿真控制單元是平臺總體的控制部分，包含了電力仿真環(huán)境的設(shè)定、通信仿真環(huán)境的設(shè)定、數(shù)據(jù)交互控制、仿真同步以及時間推進(jìn)等控制。電力仿真環(huán)境的設(shè)定包括電力系統(tǒng)故障類型、故障時間、切除時間等。通信仿真環(huán)境的設(shè)定包括通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)造、通信鏈路的傳輸時間設(shè)定以及通信故障類型[18]等。

仿真功能單元包含對仿真事件的分析與策略研究，如狀態(tài)評估、穩(wěn)態(tài)控制、自動發(fā)電控制(AGC)等。

2 電力-通信聯(lián)合仿真平臺的實現(xiàn)

研究通信網(wǎng)絡(luò)性能的方法主要有3種：實測、數(shù)學(xué)分析和仿真建模。鑒于數(shù)字變電站的通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜且具不確定性，對其實測和進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)分析非常困難，因此，仿真建模是較為理想的方法。OPNET是一種主流的通信網(wǎng)仿真軟件，支持面向?qū)ο蠼?，包含現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議。所以本文選用通信仿真平臺OPNET與常用的電力業(yè)務(wù)仿真軟件Matlab構(gòu)建聯(lián)合仿真系統(tǒng)，并基于開放式的交互接口實現(xiàn)不同平臺間的數(shù)據(jù)交互和聯(lián)合仿真。

2.1 聯(lián)合仿真平臺的具體實施

聯(lián)合仿真平臺具體實施的總體框架如圖2所示。該平臺中，電力通信網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)分別由OPNET平臺與Matlab平臺來承擔(dān)相應(yīng)的仿真任務(wù)，其中，OPNET平臺用于構(gòu)建電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)模型，并對網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議、傳輸流程和網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真。Matlab平臺的Simulink模塊用于構(gòu)建生成電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過Simulink模塊建立電力業(yè)務(wù)數(shù)學(xué)模型，生成電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。2個平臺間的數(shù)據(jù)交互通過外部C程序控制臺實現(xiàn)，外部C程序控制臺與Matlab、OPNET分別以開放式接口Socket接口、Cosim接口連通，從而實現(xiàn)Matlab與OPNET數(shù)據(jù)的雙向傳輸和仿真進(jìn)度的控制管理。

圖2 聯(lián)合仿真平臺總體實施架構(gòu)Fig.2 General implementation framework of joint simulation platform

其中，Matlab平臺與C程序控制臺通過“套接字”(Socket)方式互通，如圖3所示。Matlab作為服務(wù)端，通過調(diào)用API接口函數(shù)對外發(fā)送數(shù)據(jù)，控制仿真時間進(jìn)度，等待反饋結(jié)果；C程序控制臺作為客戶端，監(jiān)聽與Matlab通信的Socket端口，接收Matlab通信數(shù)據(jù)及仿真進(jìn)度推進(jìn)指令。

圖3 使用套接字的連接通信方式Fig.3 Connection communication using socket

C程序控制臺與OPNET之間通過后者內(nèi)部的Cosim接口進(jìn)行連通，針對該接口模塊進(jìn)行設(shè)計建模，主要包括接口交互數(shù)據(jù)的定義和進(jìn)程模型的編碼。C程序控制臺將接收到的Matlab通信數(shù)據(jù)及仿真進(jìn)度推進(jìn)指令進(jìn)行轉(zhuǎn)換，向Cosim接口模塊發(fā)送，并監(jiān)聽Cosim接口模塊的數(shù)據(jù)，依次接收OPNET反饋的數(shù)據(jù)內(nèi)容；OPNET在其建立的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袀鬏斀邮盏綌?shù)據(jù)，并將傳輸結(jié)果通過Cosim接口反饋給C程序控制臺。

2.2 聯(lián)合仿真平臺的數(shù)據(jù)交互

聯(lián)合仿真平臺的數(shù)據(jù)交互過程如圖4所示。

圖4 聯(lián)合仿真平臺的數(shù)據(jù)交互時序Fig.4 Data interaction timing diagram of the joint simulation platform

一次交互的過程如下。

首先，啟動C程序，完成初始化。由于C控制臺程序與OPNET中對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)仿真場景混編在一起，因此，C程序控制臺啟動后同時啟動了OPNET中對應(yīng)的仿真場景程序，并回顯當(dāng)前場景的初始化結(jié)果，包括OPNET內(nèi)部Cosim接口名稱、數(shù)量和OPNET內(nèi)部當(dāng)前所停滯的仿真時間。

再者，啟動Matlab，將臺站通信數(shù)據(jù)送至C控制臺，同時C控制臺給Matlab發(fā)送一個暫停標(biāo)志。

然后，C控制臺將Matlab傳來的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳給Cosim接口，通信數(shù)據(jù)進(jìn)入到OPNET內(nèi)部后，在內(nèi)部進(jìn)行傳輸。傳輸情況如下：(1) OPNET Cosim接口把接收的數(shù)據(jù)分別派發(fā)至對應(yīng)的源站點；(2) 完成從源站點到目的站點的數(shù)據(jù)傳輸模擬和結(jié)果計算；(3) 目的站點將接收的通信信息和統(tǒng)計結(jié)果發(fā)送至OPNET 的Cosim接口。

最后，C控制臺接收來自O(shè)PNET Cosim接口的反饋數(shù)據(jù)，并向Matlab發(fā)送反饋數(shù)據(jù)，包括源站點、目的站點ID、通信統(tǒng)計結(jié)果(時延等)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)內(nèi)容。Matlab實時接收反饋數(shù)據(jù)并在本地顯示。

2.3 聯(lián)合仿真平臺仿真進(jìn)程的協(xié)調(diào)控制

由于Simulink仿真進(jìn)程為一個連續(xù)性事件，若想做到包含多次迭代的電力仿真與通信的數(shù)據(jù)交互，則需要實現(xiàn)對Simulink模型仿真進(jìn)程的控制，即控制其啟動與暫停以傳出、傳入數(shù)據(jù)。本文以set_param函數(shù)來控制模型仿真過程，set_param函數(shù)是Simulink模型、模塊及參數(shù)配置交互設(shè)定中非常實用的API函數(shù)，可以應(yīng)用set_param函數(shù)進(jìn)行模型仿真的細(xì)微控制，如“start”(啟動)、“pause”(暫停)、“step”(單步)、“continue”(繼續(xù))和“stop”(停止)。在通信方面，電力的多次迭代只需多次調(diào)用cosim接口，無需間斷OPNET的時間進(jìn)程，而在電力仿真時OPNET處于“閑置”狀態(tài)。實現(xiàn)過程如圖5所示。

3 算例仿真與分析

采用本文開發(fā)的平臺對能源互聯(lián)網(wǎng)中的分布式電源參與電網(wǎng)調(diào)頻進(jìn)行仿真，以驗證該平臺在電力業(yè)務(wù)仿真中的有效性。

圖5 基于set_param函數(shù)的聯(lián)合仿真協(xié)調(diào)控制過程Fig.5 Joint simulation coordination control process based on set_param function

圖6 分布式電源調(diào)頻仿真模型Fig.6 Simulation model of distributed power in frequency modulation

算例包括1個調(diào)度中心、2臺用來模擬系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和能源互聯(lián)網(wǎng)中10個用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率的分布式電源，當(dāng)電力系統(tǒng)存在大量功率缺額，以至于超出系統(tǒng)AGC機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)能力范圍時，將通過協(xié)調(diào)分布式電源共同出力平衡功率。利用該聯(lián)合仿真平臺建立如圖6所示的仿真模型，其中，在Matlab的Simulink模塊中建立電力系統(tǒng)仿真模型，用以制定調(diào)頻策略和產(chǎn)生數(shù)據(jù)信息；在OPNET中構(gòu)建分布式電源連接網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用以10個分布式電源之間的信息傳遞。

假設(shè)電力系統(tǒng)在某一時刻遇到階躍擾動強度為ΔPdemand=0.8 p.u. (800 MW)的階躍擾動，一共有10個分布式電源節(jié)點，每個節(jié)點的最大調(diào)節(jié)能力為{300，310，290，400，480，270，200，180，270，300} MW。采用分布式一致性協(xié)調(diào)控制策略，使得各節(jié)點調(diào)節(jié)量與自身最大調(diào)節(jié)能力的比率最終趨于一致性的理想結(jié)果。

仿真中電力與通信的數(shù)據(jù)交互過程如圖7、圖8。圖7和圖8為該仿真中數(shù)據(jù)在聯(lián)合仿真平臺上交互的部分截圖，以其中某一次迭代、節(jié)點1與節(jié)點2的通信連接為例，二者分別展示了電力數(shù)據(jù)進(jìn)入OPNET通信與OPNET通信結(jié)束后向外部控制臺反饋結(jié)果的過程。

圖7 電力數(shù)據(jù)傳入到OPNET通信Fig.7 Introduction of power data to OPNET

圖8 OPNET向外傳出反饋結(jié)果Fig.8 OPNET outgoing feedback results

仿真結(jié)果如圖9，實線代表DER不參與調(diào)頻的系統(tǒng)頻率變化，虛線代表DER參與調(diào)頻的系統(tǒng)頻率變化，由此對比可以看出：基于本文所提出的電力-通信分布式聯(lián)合仿真平臺，DER通過分布式控制參與調(diào)頻可以有效減小系統(tǒng)的頻率波動，同時也驗證了該平臺的可行性。

圖9 DERs參與調(diào)頻與不參與調(diào)頻的頻率變化對比Fig.9 Comparison of the frequency variation with or without DERs in frequency modulation

此外，基于該聯(lián)合仿真平臺，還可在OPNET中設(shè)置改變通信線路的時延或斷開某通信線路，研究通信延時、中斷對電力仿真的影響，這相對于非電力-通信聯(lián)合仿真而言，具有實際應(yīng)用上的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

在論述能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中信息通信對于電力系統(tǒng)越發(fā)重要的基礎(chǔ)上，提出了一種電力-通信聯(lián)合仿真平臺的總體架構(gòu)，構(gòu)建了一套基于Cosim接口進(jìn)行Matlab與OPNET聯(lián)合仿真的系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)中考慮通信傳輸環(huán)節(jié)的仿真研究提供了一個平臺，有利于能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。在該平臺的實現(xiàn)過程中，主要克服了MATALB與OPNET的接口設(shè)計、電力仿真軟件與通信仿真軟件間總體進(jìn)程的控制協(xié)調(diào)2個難點。但該平臺尚不可仿真通信誤碼的情況，有待以后進(jìn)一步研究。

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倪 明(1969 —)，男，江蘇南京人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制、電力物理信息系統(tǒng)等研究工作;

孫 旻(1970 —)，男，江西南昌人，高級工程師，從事配電網(wǎng)技術(shù)工作。

(編輯 劉曉燕)

Design of Power Communication Simulation Platform for Energy Internet

SONG Xiaojian1，YU Jie2，ZHANG Junfang1，NI Ming3，SUN Min4

(1. School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2. School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；3. NARI TechnologyIncorporation，Nanjing 211106，China；4. State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute，Nanchang 330006，China)

With the emergence and development of the concept of energy Internet,the communication is playing an increasingly important role in the power system. It is necessary to study the synergy of communication system and power system. Based on the analysis of the demand of energy Internet communication, the general framework and key technologies of the simulation platform of power grid and communication network are put forward.The co-simulation platform of power grid and communication network is designed by using Matlab and OPNET to study the influence of communication on the operation of power system. Finally, a simulation example that distributed powers in energy Internet participate in the frequency modulation of power system is given to demonstrate the feasibility and effectiveness of the co-simulation platform.

energy internet; power grid; communication; co-simulation

2017-01-05；

2017-02-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51407030)

TM73

A

2096-3203(2017)03-0044-06

宋曉健

宋曉健(1991 —)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制；

喻 潔(1975 —)，女，江蘇南京人，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)運行分析與技術(shù)支持；

張俊芳(1965 —)，女，江蘇南京人，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)分析、運行與控制;