面向能源互聯網的電力-通信聯合仿真平臺設計

宋曉健， 喻 潔， 張俊芳，倪 明， 孫 旻

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

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面向能源互聯網的電力-通信聯合仿真平臺設計

宋曉健1， 喻 潔2， 張俊芳1，倪 明3， 孫 旻4

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

隨著能源互聯網概念的提出和發展，電力業務中的通信環節承擔起越來越重要的角色，有必要研究通信系統和電力系統的協同作用。在分析了能源互聯網通信需求的基礎上，提出了電力網和通信網聯合仿真平臺的總體框架和關鍵技術，并采用仿真軟件Matlab和OPNET設計了電力-通信聯合仿真平臺，以研究通信對電力系統運行的影響。最后，以能源互聯網分布式電源(DER)參與系統調頻為仿真算例，驗證了聯合仿真平臺的可行性和有效性。

能源互聯網；電網；通信；聯合仿真

0 引言

為了應對能源危機，新能源技術得以快速發展，能源互聯網應運而生。能源互聯網是建立在現有的能源系統與配電網的基礎上，通過先進的信息技術和電力電子技術，實現能量和信息雙向流動。高速、安全和可靠的信息通信網絡將為能源互聯網的可行性和可控性提供重要的技術支撐，通信的重要性大大提升[1-4]。因此，電力系統與其通信系統之間的聯合仿真具有重要的現實意義。

電力系統和通信仿真領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，對于將通信環節加入到電力系統仿真，并考慮通信中斷、延時、誤碼等情況對電力系統運行影響的研究很少。文獻[5]對聯立仿真、非實時混合仿真和實時混合仿真3類方案進行了介紹，提出了一種新的基于狀態緩存的電力與信息通信混合仿真平臺時間同步方法。文獻[6]提出了一種面向同步數字體系通信的電網和通信網綜合仿真方法，以研究通信對電網穩定系統的影響。文獻[7,8]提出了電力信息物理融合系統的基本架構，建立了其穩態與動態模型。但這些文獻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用。

本文構建了一套基于Cosim接口進行Matlab與OPNET聯合仿真系統，實現了電力業務仿真平臺與通信網絡仿真平臺間的數據交互和仿真進度的協同管理。仿真過程中能夠根據實驗需要靈活調整電力業務數據收發數量和仿真進度推進步長，并借助通信網絡的仿真，對電力通信網的相關網絡通信協議機理和傳輸過程進行模擬，考察網絡性能指標，最終將相關反饋結果作為衡量電力業務傳輸效果的預測及評估依據。

1 面向能源互聯網的電力-通信聯合仿真平臺的提出

1.1 能源互聯網的電力通信需求

能源互聯網各能源節點之間進行信息交互，依照IEC 61850標準，分布式可再生能源入網作為特殊匯聚節點，入網位置比較靈活，考慮入網對電能質量、孤島問題和繼電保護的影響，需要滿足非常高的遙控、遙信和遙測要求。

結合各類通信方式的性能和優缺點，能源互聯網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)、以太網無源光網絡(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。各能源節點發電系統內部通信業務量小、距離短，優選現場總線、PLC等傳統的、經濟性較好的通信方式；入網點信息量較大，對傳輸的實時性和可靠性要求高，優選光纖通信和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,組網靈活初期投資高,不易擴散GPRS1～100.17傳輸距離遠,成本低傳輸速率低,安全性差WiMAX1～5>75建設成本低,覆蓋面積廣沒有廣泛應用,信號易受干擾3G/4G移動通信-20速率快,通信質量好結構復雜,費用高

1.2 聯合仿真平臺的功能和架構的提出

由于能源互聯網中的分布式可再生能源出力小、數量多且分布廣而不均，基于上文能源互聯網的電力通信需求分析，能源互聯網各環節之間的通信鏈路將會錯綜復雜，通信的安全穩定顯得尤為重要。

在電力系統中，各聯絡線路上的控制信號和數據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致電力系統信息的延時、錯誤甚至中斷。因此，根據分布式電源(DER)接入的特點，以及通信通道狀態對電力系統控制的影響方式[14-17]，本文提出了電力-通信分布式聯合仿真平臺的整體框架，如圖1所示。

圖1 聯合仿真平臺功能架構Fig.1 Function diagram of the joint simulation platform

該聯合仿真平臺框架中主要包括電力仿真單元、通信仿真單元、數據交互單元、仿真控制單元以及仿真功能單元，各部分協調運作，實現電力與通信的聯合仿真。

其中，電力仿真單元包含電力仿真軟件及其用于數據輸入、輸出的接口設計，以及電力系統運行的狀態與事件的設定，如發電機出力、負荷、電壓的狀況，切機、切負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據輸入、輸出的接口設計，以及通信狀態與事件的設定，如通信延時、中斷等。

數據交互單元包含電力仿真接口與通信仿真接口的連接，實現電力仿真軟件與通信仿真軟件間的數據交互。

仿真控制單元是平臺總體的控制部分，包含了電力仿真環境的設定、通信仿真環境的設定、數據交互控制、仿真同步以及時間推進等控制。電力仿真環境的設定包括電力系統故障類型、故障時間、切除時間等。通信仿真環境的設定包括通信網絡拓撲結構的構造、通信鏈路的傳輸時間設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，如狀態評估、穩態控制、自動發電控制(AGC)等。

2 電力-通信聯合仿真平臺的實現

研究通信網絡性能的方法主要有3種：實測、數學分析和仿真建模。鑒于數字變電站的通信網絡復雜且具不確定性，對其實測和進行精確的數學分析非常困難，因此，仿真建模是較為理想的方法。OPNET是一種主流的通信網仿真軟件，支持面向對象建模，包含現有的各種網絡設備和協議。所以本文選用通信仿真平臺OPNET與常用的電力業務仿真軟件Matlab構建聯合仿真系統，并基于開放式的交互接口實現不同平臺間的數據交互和聯合仿真。

2.1 聯合仿真平臺的具體實施

聯合仿真平臺具體實施的總體框架如圖2所示。該平臺中，電力通信網絡和電力系統業務分別由OPNET平臺與Matlab平臺來承擔相應的仿真任務，其中，OPNET平臺用于構建電力系統通信網絡模型，并對網絡的通信協議、傳輸流程和網絡性能進行仿真。Matlab平臺的Simulink模塊用于構建生成電力系統的數據業務，通過Simulink模塊建立電力業務數學模型，生成電力業務數據。2個平臺間的數據交互通過外部C程序控制臺實現，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Matlab與OPNET數據的雙向傳輸和仿真進度的控制管理。

圖2 聯合仿真平臺總體實施架構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作為服務端，通過調用API接口函數對外發送數據，控制仿真時間進度，等待反饋結果；C程序控制臺作為客戶端，監聽與Matlab通信的Socket端口，接收Matlab通信數據及仿真進度推進指令。

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之間通過后者內部的Cosim接口進行連通，針對該接口模塊進行設計建模，主要包括接口交互數據的定義和進程模型的編碼。C程序控制臺將接收到的Matlab通信數據及仿真進度推進指令進行轉換，向Cosim接口模塊發送，并監聽Cosim接口模塊的數據，依次接收OPNET反饋的數據內容；OPNET在其建立的通信網絡拓撲中傳輸接收到數據，并將傳輸結果通過Cosim接口反饋給C程序控制臺。

2.2 聯合仿真平臺的數據交互

聯合仿真平臺的數據交互過程如圖4所示。

圖4 聯合仿真平臺的數據交互時序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中對應的網絡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中對應的仿真場景程序，并回顯當前場景的初始化結果，包括OPNET內部Cosim接口名稱、數量和OPNET內部當前所停滯的仿真時間。

再者，啟動Matlab，將臺站通信數據送至C控制臺，同時C控制臺給Matlab發送一個暫停標志。

然后，C控制臺將Matlab傳來的數據業務傳給Cosim接口，通信數據進入到OPNET內部后，在內部進行傳輸。傳輸情況如下：(1) OPNET Cosim接口把接收的數據分別派發至對應的源站點；(2) 完成從源站點到目的站點的數據傳輸模擬和結果計算；(3) 目的站點將接收的通信信息和統計結果發送至OPNET 的Cosim接口。

最后，C控制臺接收來自OPNET Cosim接口的反饋數據，并向Matlab發送反饋數據，包括源站點、目的站點ID、通信統計結果(時延等)、數據業務內容。Matlab實時接收反饋數據并在本地顯示。

2.3 聯合仿真平臺仿真進程的協調控制

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

3 算例仿真與分析

采用本文開發的平臺對能源互聯網中的分布式電源參與電網調頻進行仿真，以驗證該平臺在電力業務仿真中的有效性。

圖5 基于set_param函數的聯合仿真協調控制過程Fig.5 Joint simulation coordination control process based on set_param function

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

算例包括1個調度中心、2臺用來模擬系統的發電機和能源互聯網中10個用來調節系統頻率的分布式電源，當電力系統存在大量功率缺額，以至于超出系統AGC機組的頻率調節能力范圍時，將通過協調分布式電源共同出力平衡功率。利用該聯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仿真模型，用以制定調頻策略和產生數據信息；在OPNET中構建分布式電源連接網絡所對應的通信網絡拓撲結構，用以10個分布式電源之間的信息傳遞。

假設電力系統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個分布式電源節點，每個節點的最大調節能力為{300，310，290，400，480，270，200，180，270，300} MW。采用分布式一致性協調控制策略，使得各節點調節量與自身最大調節能力的比率最終趨于一致性的理想結果。

仿真中電力與通信的數據交互過程如圖7、圖8。圖7和圖8為該仿真中數據在聯合仿真平臺上交互的部分截圖，以其中某一次迭代、節點1與節點2的通信連接為例，二者分別展示了電力數據進入OPNET通信與OPNET通信結束后向外部控制臺反饋結果的過程。

圖7 電力數據傳入到OPNET通信Fig.7 Introduction of power data to OPNET

圖8 OPNET向外傳出反饋結果Fig.8 OPNET outgoing feedback results

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

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

此外，基于該聯合仿真平臺，還可在OPNET中設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-通信聯合仿真而言，具有實際應用上的優勢。

4 結語

在論述能源互聯網的發展過程中信息通信對于電力系統越發重要的基礎上，提出了一種電力-通信聯合仿真平臺的總體架構，構建了一套基于Cosim接口進行Matlab與OPNET聯合仿真的系統，為電力系統中考慮通信傳輸環節的仿真研究提供了一個平臺，有利于能源互聯網的發展。在該平臺的實現過程中，主要克服了MATALB與OPNET的接口設計、電力仿真軟件與通信仿真軟件間總體進程的控制協調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，從事電力系統規劃、電力系統穩定控制、電力物理信息系統等研究工作;

孫 旻(1970 —)，男，江西南昌人，高級工程師，從事配電網技術工作。

(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運行分析與技術支持；

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