本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，尤其涉及一種用于電力信息物理系統(tǒng)仿真的前置機(jī)仿真模型及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，先進(jìn)的信息通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，信息通信系統(tǒng)和物理電力系統(tǒng)相互耦合，形成了電力信息物理耦合系統(tǒng)(cps)。電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(scada)是電力信息物理耦合系統(tǒng)中重要的信息系統(tǒng)，是電網(wǎng)控制中心——能量管理系統(tǒng)(ems)最重要的子系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的重任，其承載業(yè)務(wù)的可靠性是調(diào)度中心對(duì)廠(chǎng)站端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的關(guān)鍵。scada系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息通過(guò)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸，通信網(wǎng)絡(luò)作為scada信息傳輸?shù)妮d體，其性能的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)調(diào)度控制功能的實(shí)時(shí)可靠實(shí)施。

目前，對(duì)電力信息物理耦合系統(tǒng)進(jìn)行分析，聯(lián)合仿真方法已成為最有效的手段之一。通常將電力連續(xù)系統(tǒng)和信息離散事件系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)合起來(lái)，即將電力系統(tǒng)仿真器和信息通信系統(tǒng)仿真器協(xié)同運(yùn)作，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)和離散事件動(dòng)態(tài)過(guò)程獨(dú)立仿真和信息交互的功能。作為電力信息物理耦合系統(tǒng)控制中心的scada系統(tǒng)，以往的方案是在信息信仿真器中對(duì)其進(jìn)行抽象和功能簡(jiǎn)化建模。由于scada系統(tǒng)是一個(gè)功能較為復(fù)雜的平臺(tái)軟件，信息通信仿真器中簡(jiǎn)化抽象的scada模型，在仿真過(guò)程中無(wú)法全面、真實(shí)刻畫(huà)其功能和性能，也無(wú)法準(zhǔn)確全面反映其對(duì)電網(wǎng)的交互作用，同時(shí)也給基于scada的高級(jí)應(yīng)用軟件的功能模擬帶來(lái)難度。

對(duì)現(xiàn)有電力信息物理系統(tǒng)聯(lián)合仿真方案分析如下：

(1)現(xiàn)有方案是在信息通信仿真器中對(duì)scada系統(tǒng)進(jìn)行抽象和功能簡(jiǎn)化建模。由于scada系統(tǒng)是一個(gè)功能較為復(fù)雜的平臺(tái)軟件，信息通信仿真器中簡(jiǎn)化抽象的scada模型，在仿真過(guò)程中無(wú)法全面、真實(shí)刻畫(huà)其功能和性能；

(2)能量管理系統(tǒng)(ems)的多種高級(jí)應(yīng)用軟件，如故障研判與故障隔離、負(fù)荷轉(zhuǎn)供、無(wú)功/電壓控制等基于scada軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，抽象和簡(jiǎn)化的scada仿真模型無(wú)法全面支撐這些高級(jí)應(yīng)用軟件的仿真(或在抽象和簡(jiǎn)化的scada仿真模型上實(shí)現(xiàn)這些高級(jí)應(yīng)用軟件的仿真模型較為復(fù)雜和困難)，因此無(wú)法準(zhǔn)確全面模擬電網(wǎng)控制中心對(duì)電網(wǎng)控制的交互過(guò)程。

本申請(qǐng)中，將真實(shí)的scada系統(tǒng)放置到電力信息物理仿真環(huán)節(jié)中，即實(shí)物scada系統(tǒng)、信息通信仿真器、電力仿真器三者聯(lián)合仿真。前置機(jī)是scada系統(tǒng)中與通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口，通過(guò)前置機(jī)仿真模型解決信息通信仿真器與scada進(jìn)行時(shí)間同步與數(shù)據(jù)交換的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于：

(1)本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)前置機(jī)仿真模型，來(lái)解決信息通信仿真器與實(shí)物scada系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)所面臨的時(shí)間同步與數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。

(2)本發(fā)明在可提高聯(lián)合仿真效率的同時(shí)，能保證信息通信仿真器與實(shí)物scada系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真的精確度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于電力信息物理系統(tǒng)仿真的前置機(jī)仿真模型，所述模型包括：前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊、前置機(jī)通信仿真模塊、命令隊(duì)列和數(shù)據(jù)隊(duì)列，其特征在于：

所述前置機(jī)通信仿真模塊運(yùn)行在信息通信仿真器的進(jìn)程空間，與智能終端仿真模型進(jìn)行通信仿真；

所述前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊通過(guò)所述命令隊(duì)列向所述前置機(jī)通信仿真模塊傳送scada服務(wù)器下發(fā)的控制指令；

所述前置機(jī)通信仿真模塊通過(guò)所述數(shù)據(jù)隊(duì)列向所述前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊發(fā)送所述智能終端仿真模型發(fā)來(lái)的仿真數(shù)據(jù)；

所述前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊將仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成真實(shí)scada系統(tǒng)所要求的格式后，通過(guò)scada系統(tǒng)專(zhuān)用訪(fǎng)問(wèn)接口將仿真數(shù)據(jù)傳至所述scada服務(wù)器的實(shí)時(shí)庫(kù)中；同時(shí)，所述前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊通過(guò)專(zhuān)用訪(fǎng)問(wèn)接口接收scada系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，并將控制指令存入所述命令隊(duì)列；

所述前置機(jī)通信仿真模塊通過(guò)所述命令隊(duì)列接收所述scada系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，轉(zhuǎn)換成信息通信仿真器所要求的消息格式后發(fā)送給所述智能終端仿真模型。

進(jìn)一步地，所述命令隊(duì)列和數(shù)據(jù)隊(duì)列是所述前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊和前置機(jī)通信仿真模塊通信的共享隊(duì)列。

進(jìn)一步地，所述前置機(jī)通信仿真模塊基于信息通信仿真器中的邏輯節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)；

所述前置機(jī)通信仿真模塊作為信息通信仿真器的邏輯節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在信息通信仿真器的進(jìn)程空間。

一種用于電力信息物理系統(tǒng)仿真的前置機(jī)仿真模型的實(shí)現(xiàn)方法：

當(dāng)前置機(jī)仿真模型發(fā)現(xiàn)信息通信仿真器傳來(lái)的邏輯時(shí)間慢于當(dāng)前的物理時(shí)間時(shí)，執(zhí)行如下步驟：

(1)前置機(jī)仿真模型依據(jù)信息通信仿真器當(dāng)前的邏輯時(shí)間來(lái)動(dòng)態(tài)刷新scada實(shí)時(shí)庫(kù)中的“當(dāng)前邏輯時(shí)間”數(shù)據(jù)域，并發(fā)送消息通知scada系統(tǒng)將所述“當(dāng)前邏輯時(shí)間”作為scada系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間；

(2)前置機(jī)模型依照數(shù)據(jù)采集周期t的設(shè)置，將周期t時(shí)間段內(nèi)采集的仿真數(shù)據(jù)暫存，在周期結(jié)束將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以“批次”的方式上傳至scada實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；

(3)對(duì)于scada系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)控指令，其下發(fā)時(shí)間需要攜帶實(shí)時(shí)庫(kù)中的“當(dāng)前邏輯時(shí)間”，前置服務(wù)器仿真模型考慮指令在scada系統(tǒng)內(nèi)的傳輸時(shí)延，最終確定該下發(fā)指令進(jìn)入信息通信仿真器的邏輯時(shí)間點(diǎn)；

當(dāng)前置機(jī)仿真模型發(fā)現(xiàn)信息通信仿真器傳來(lái)仿真數(shù)據(jù)的邏輯時(shí)間快于當(dāng)前的物理時(shí)間時(shí)，執(zhí)行如下步驟：

(1‵)當(dāng)前置機(jī)仿真模型向主站scada系統(tǒng)上傳仿真數(shù)據(jù)時(shí)，由前置機(jī)仿真模型根據(jù)收到仿真數(shù)據(jù)的當(dāng)前物理時(shí)間和信息通信仿真器的當(dāng)前邏輯時(shí)間，計(jì)算出兩者的時(shí)間差t，并通過(guò)前置機(jī)仿真模型的“前置機(jī)通信仿真模塊”將信息通信仿真器進(jìn)程掛起等待物理時(shí)間t后再執(zhí)行，仿真數(shù)據(jù)的時(shí)間戳依然是信息通信仿真器的邏輯時(shí)間；

(2‵)前置機(jī)仿真模型向scada系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)的同時(shí)，接收scada系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，前置機(jī)仿真模型將當(dāng)前的物理時(shí)間加上指令在scada系統(tǒng)內(nèi)的處理延遲時(shí)間作為下發(fā)指令的邏輯時(shí)間，即以此為時(shí)間點(diǎn)將該指令的發(fā)送事件插入到信息通信仿真器的離散事件隊(duì)列中，事件觸發(fā)便將指令發(fā)送到通信網(wǎng)絡(luò)中。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：

(1)本發(fā)明技術(shù)方案將實(shí)物scada系統(tǒng)引入到電力信息物理系統(tǒng)仿真環(huán)節(jié)中，可全面模擬scada系統(tǒng)在電力信息物理耦合系統(tǒng)中的作用。

(2)本發(fā)明技術(shù)方案時(shí)間同步效率高、同步精度滿(mǎn)足需求，可保證聯(lián)合仿真結(jié)果的精確度。

(3)本發(fā)明技術(shù)方案利用現(xiàn)有scada系統(tǒng)的基礎(chǔ)，與信息通過(guò)性仿真器高效結(jié)合，整個(gè)方案簡(jiǎn)單高效易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為scada與信息通信仿真器間的時(shí)間同步與數(shù)據(jù)交互原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案作詳細(xì)的闡述。這些具體實(shí)施方式僅供敘述而并非用來(lái)限定本發(fā)明的范圍或?qū)嵤┰瓌t，本發(fā)明的保護(hù)范圍仍以權(quán)利要求為準(zhǔn)，包括在此基礎(chǔ)上所作出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)等。

前置機(jī)在整個(gè)配電調(diào)控主站系統(tǒng)中的角色是“橋梁”，其基本任務(wù)是負(fù)責(zé)scada系統(tǒng)與所轄電網(wǎng)各站點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)通信任務(wù)。因此，實(shí)現(xiàn)前置機(jī)與信息通信仿真器間的數(shù)據(jù)互通與時(shí)間同步，便可實(shí)現(xiàn)真實(shí)scada系統(tǒng)的接入與后續(xù)的聯(lián)合仿真功能。

前置機(jī)仿真模型整體方案：

要實(shí)現(xiàn)scada系統(tǒng)與信息通信仿真器的數(shù)據(jù)互通與時(shí)間同步，需要將信息通信仿真器中的智能終端仿真模型采集的遙信、遙測(cè)、報(bào)警等數(shù)據(jù)經(jīng)信息通信仿真器模擬的通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄?shí)物scada系統(tǒng)的主服務(wù)器—scada服務(wù)器，同時(shí)能將scada系統(tǒng)的控制指令下發(fā)至信息通信仿真器中的智能終端仿真模型，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)仿真器產(chǎn)生交互影響。

由于信息通信仿真器是單線(xiàn)程的離散事件仿真軟件，并且為其內(nèi)的每個(gè)智能終端仿真模型提供的是虛擬ip地址，信息通信仿真器無(wú)法直接與scada系統(tǒng)的前置機(jī)進(jìn)行直接通信。因此，本方案構(gòu)建了前置機(jī)仿真模型，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互與時(shí)間同步，方案原理如圖1所示。

前置機(jī)仿真模型包括：前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊、前置機(jī)通信仿真模塊、命令隊(duì)列和數(shù)據(jù)隊(duì)列，其中前置機(jī)通信仿真模塊基于信息通信仿真器中的邏輯節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它作為信息通信仿真器的邏輯單元運(yùn)行在信息通信仿真器的進(jìn)程空間，與同樣運(yùn)行在信息通信仿真器進(jìn)程空間的智能終端仿真模型進(jìn)行通信仿真。

前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊作為一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程，通過(guò)命令隊(duì)列向信息通信仿真器進(jìn)程中的所述前置機(jī)通信仿真模塊傳送scada服務(wù)器下發(fā)的控制指令。

前置機(jī)通信仿真模塊通過(guò)所述數(shù)據(jù)隊(duì)列向前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊發(fā)送智能終端仿真模型發(fā)來(lái)的仿真數(shù)據(jù)；

前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊將仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成真實(shí)scada系統(tǒng)所要求的格式后，通過(guò)scada系統(tǒng)專(zhuān)用訪(fǎng)問(wèn)接口將仿真數(shù)據(jù)傳至所述scada服務(wù)器的實(shí)時(shí)庫(kù)中；同時(shí)，前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊通過(guò)此專(zhuān)用訪(fǎng)問(wèn)接口接收scada系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，并將控制指令存入所述命令隊(duì)列；

前置機(jī)通信仿真模塊通過(guò)所述命令隊(duì)列接收所述scada系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，轉(zhuǎn)換成信息通信仿真器所要求的消息格式后發(fā)送給所述智能終端仿真模型。

前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊和前置機(jī)通信仿真模塊分屬于不同的軟件進(jìn)程，命令隊(duì)列和數(shù)據(jù)隊(duì)列是所述前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊和前置機(jī)通信仿真模塊通信的共享隊(duì)列。

scada系統(tǒng)的前置機(jī)有兩個(gè)基本功能模塊，一是通過(guò)通信規(guī)約與智能終端進(jìn)行通信的模塊；二是數(shù)據(jù)處理模塊，即對(duì)智能終端發(fā)來(lái)的各種采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使“生數(shù)據(jù)”變成“熟數(shù)據(jù)”，并通過(guò)專(zhuān)用訪(fǎng)問(wèn)接口上傳到scada服務(wù)器的實(shí)時(shí)庫(kù)中，同時(shí)接收下發(fā)的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給通信模塊。

本申請(qǐng)的前置機(jī)仿真模型由兩部分構(gòu)成來(lái)分別模擬以上兩個(gè)功能，其中前置機(jī)通信仿真模塊用信息通信仿真器中的邏輯節(jié)點(diǎn)來(lái)模擬，基于iec104規(guī)約仿真模型實(shí)現(xiàn)與信息通信仿真器中智能終端仿真模型的雙向通信；第二部分是前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊，由一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)模擬前置機(jī)的數(shù)據(jù)處理與后臺(tái)訪(fǎng)問(wèn)功能，如數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，訪(fǎng)問(wèn)scada實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、接收遙控指令等功能，前置數(shù)據(jù)處理仿真模塊通過(guò)消息隊(duì)列或共享內(nèi)存機(jī)制與信息通信仿真器進(jìn)行進(jìn)程間的通信，接收仿真數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)scada系統(tǒng)的控制指令。

scada服務(wù)器與信息通信仿真器的時(shí)間同步方案：

scada系統(tǒng)是使用物理時(shí)鐘的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而信息通信仿真器是單線(xiàn)程的離散事件仿真器，仿真使用的時(shí)間是離散的邏輯時(shí)鐘，兩者時(shí)間不一致。scada系統(tǒng)與信息通信仿真器只有在兩者時(shí)間同步的情況下，才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

scada系統(tǒng)和信息通信仿真器之間時(shí)間不同步情況有兩種。一種是信息通信仿真的邏輯時(shí)間慢于物理時(shí)間，如：信息通信仿真器模擬歷時(shí)邏輯時(shí)間2秒的網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程用去了10秒的物理時(shí)間，此種情況下信息通信仿真器的邏輯時(shí)間才過(guò)去2秒，而物理時(shí)間已過(guò)去10秒；第二種情況是信息通信仿真器的邏輯時(shí)間快于物理時(shí)間，如：信息通信仿真器完成歷時(shí)邏輯時(shí)間10秒的網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程，只用了2秒的物理時(shí)間。

當(dāng)仿真的通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，出現(xiàn)上面所述第一種情況的可能性較大。此種情況下scada系統(tǒng)的時(shí)間要以信息通信仿真器的邏輯時(shí)間為依據(jù)，這樣才能保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，具體方法是由前置機(jī)仿真模型對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)，前置機(jī)仿真模型如果發(fā)現(xiàn)信息通信仿真器傳來(lái)的數(shù)據(jù)邏輯時(shí)間慢于當(dāng)前的物理時(shí)間執(zhí)行如下步驟措施：

(1)前置機(jī)仿真模型依據(jù)信息通信仿真器當(dāng)前的邏輯時(shí)間來(lái)動(dòng)態(tài)刷新scada實(shí)時(shí)庫(kù)中“當(dāng)前邏輯時(shí)間”數(shù)據(jù)域，并發(fā)送消息通知scada系統(tǒng)將“當(dāng)前邏輯時(shí)間”作為scada系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)scada系統(tǒng)與信息通信仿真器邏輯時(shí)間的同步。

(2)前置機(jī)模型依照數(shù)據(jù)采集周期t的設(shè)置，將周期t時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)采集裝置仿真模型采集的數(shù)據(jù)暫存，在周期結(jié)束將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以“批次”的方式上傳至scada實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，以模擬數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)批量到達(dá)的場(chǎng)景。

(3)對(duì)于主站系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)控指令，其下發(fā)時(shí)間需要參看實(shí)時(shí)庫(kù)中的“當(dāng)前邏輯時(shí)間”，前置服務(wù)器仿真模型評(píng)估指令在scada系統(tǒng)內(nèi)的平均傳輸時(shí)延，最終確定該下發(fā)指令進(jìn)入信息通信仿真器的邏輯時(shí)間點(diǎn)，以此完成物理時(shí)間到信息通信仿真器邏輯時(shí)間的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)信息通信仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)，信息通信仿真器的仿真速度很快，就會(huì)出現(xiàn)上面所述的第二種情況，即信息通信仿真器的當(dāng)前邏輯時(shí)間早于當(dāng)前的物理時(shí)間。此種情況下，信息通信仿真器需要等待scada系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，具體方法是：

(1‵)當(dāng)前置機(jī)仿真模型向scada系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)時(shí)，由前置機(jī)仿真模型根據(jù)收到數(shù)據(jù)的當(dāng)前物理時(shí)間和信息通信仿真器的當(dāng)前邏輯時(shí)間，計(jì)算出兩者的時(shí)間差t，并通過(guò)前置仿真模型的前置機(jī)通信仿真模塊將信息通信仿真器進(jìn)程掛起等待物理時(shí)間t后再執(zhí)行，數(shù)據(jù)的時(shí)間戳依然保存的是信息通信仿真器的邏輯時(shí)間。

(2‵)當(dāng)置機(jī)仿真模型向scada系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)的同時(shí)，接收scada系統(tǒng)下發(fā)的控制指令，前置機(jī)仿真模型將當(dāng)前的物理時(shí)間加上指令在scada系統(tǒng)內(nèi)的平均傳輸延遲作為下發(fā)指令的邏輯時(shí)間，即以此為時(shí)間點(diǎn)將該指令的發(fā)送事件插入到信息通信仿真器的離散事件隊(duì)列中，事件觸發(fā)便將指令發(fā)送到仿真通信網(wǎng)絡(luò)中。