一類協同分布式實時電站仿真系統報警機制研究

王繼華 周建章 張惠仙 鐘 旭

(北京四方繼保自動化股份有限公司)

一類協同分布式實時電站仿真系統報警機制研究

王繼華 周建章 張惠仙 鐘 旭

(北京四方繼保自動化股份有限公司)

為了滿足用戶對仿真系統提出的新需求，結合傳統的實時電站仿真系統，提出了協同分布式實時電站仿真系統的概念，并給出了其特征、結構與應用實例。結合報警機制的數學模型，針對協同分布式系統列出了報警機制的結構圖、時空圖，并針對計算單元端與報警結果獲取端的程序模型進行了詳細描述。

報警機制 電站仿真系統 協同分布式 模型

傳統的電站仿真系統[1]數學模型運行于單臺獨立計算單元上，隨著電站仿真系統實際工業應用場景的逐漸拓寬(如主機與輔網的模型需要分散同步運行、電網的暫態仿真[2]運算頻率要遠高于熱動模型等)，使用者對電站仿真系統健壯性、高精度、高實時性的需求日益提升，導致傳統的單機分散式系統框架已經無法滿足新型需求，進而提出了協同分布式實時電站仿真系統的新概念。

一些學者針對電力系統的報警機制進行了深入研究[3～9]，但均未涉及協同分布式[10]實時電站仿真系統所具備的特有屬性，比如：分布運行的模型需要協同數據采集進行報警分析的問題，異步運算后的報警結果實時同步問題等。筆者將針對此問題進行深入探討研究。

1 協同分布式實時電站仿真系統

協同分布式實時電站仿真系統是在傳統單臺獨立計算單元的實時電站仿真系統基礎上，通過引入多個計算單元，使得模型計算分散化、管理集中化的一類仿真系統。該系統具有以下特征：

a. 分布性。實際電站系統所對應的數學模型分別運行于多個計算單元，每個模型可依據自身需求采用不同的運行策略，進而實現分布計算。然而其分布性對用戶而言是透明的，即用戶完全意識不到多個分布式處理單元的存在。

b. 協同性。各計算單元(處理器或計算機)通過物理連接或者計算機網絡連接，將其運行結果通過數據采集端匯集并互相通信，進而實現數據同步共享和平臺集中管理。

c. 實時性。數學模型在處理器或計算機上能夠在確定的時間內執行完畢。嚴格意義上來講是指數學模型的物理執行周期要小于邏輯運算步長周期，確保外部激勵信號可以在模型中及時響應。

1.1 系統結構

如圖1所示，協同分布式實時電站仿真系統的網絡結構包含有多個運算單元和一個數據采集端；同時包含多個操作員端；系統中應用服務器和歷史數據庫所需要的實時數據均通過網絡實現實時獲取與發送。

圖1 協同分布式實時電站仿真系統結構

運算單元(處理器或計算機)為數學模型的運算環境，多個運算單元產生的數據運行結果通過物理或網絡匯總于數據采集端；之后數據采集端將數據發送到網絡上實現共享。

應用服務器上含有對數據進行二次管理的相關軟件，如：系統控制管理軟件、報警處理軟件及歷史數據管理軟件等。歷史數據庫存放了整個系統的最終數據，這些數據可以供應用服務器或操作員端直接獲取使用。

1.2 系統實例應用

與傳統系統相比，分布式的結構使得協同分布式實時電站仿真系統可以在以下實際應用中體現出優勢：

a. 運算獨立。傳統數學模型在一個計算單元內運行時常遇到計算實時性和計算準確性的沖突，因此需要將不同模型區別對待。分布式的結構可以將對運算頻率要求較高的數學模型提取出來獨立運行，使得上述兩種性能可以同時滿足，如電網暫態部分的計算頻率要遠高于熱機模型所需的計算頻率。

b. 提升加速規模。傳統的系統運行于同一計算單元時，成倍的加速會將計算單元的資源耗盡而無法繼續加速。分布式的運算結構可以為局部模型爭取到更多的運算資源，從而為仿真系統的進一步加速運行提供技術支持。

c. 逼真的結構仿真。傳統的系統將數學模型統一在一起同時運行，使得物理結構上原本分開運行的模塊混在一起。分布式的結構可以使電站不同的數學模型(如主機輔網和不同的DPU站)分散運行，進而更真實地反映出現場的組織結構。

2 報警機制的數學模型

文獻[11]結合康托爾集合理論為報警機制建立了相應的數學模型。

仿真系統的報警機制就是在數學模型的實時運算過程中，依據報警規則對當下數據周期性判斷，針對報警信息條目所表示的有序多重集合進行查找、插入、更新、刪除和備份的過程。

3 報警機制協同設計

傳統電站仿真系統的模型運行環境為單個計算單元，報警應用程序可以頻繁采集數據進行判斷最終輸出報警結果。但分布式的系統倘若仍采取此方法進行配置，則需要將報警應用程序放置于應用服務器端，通過網絡獲取實時數據然后再進行規則判斷。

采用該策略在實際仿真系統中長時間測試發現，在計算單元計算頻率過大或者多個故障密集觸發時，將會出現嚴重的丟包現象，從而使得報警系統得到的報警信息失真。因此需要針對分布式系統設計與傳統仿真系統不同的報警運行機制。

為了實現分布式仿真系統的報警協同運行效果，筆者設計了推送應用程序和報警結果獲取模塊兩部分，進而實現報警信息的同步。

3.1 協同結構

如圖2所示，計算單元分為引擎部分、模型代碼區、內存數據區、應用代碼區和外存數據區。其中引擎部分是計算單元的驅動；模型代碼區存放了仿真系統的數學模型指令流；內存數據區是模型運算時可以實時快速讀取的數據存放區域；應用代碼區與外存數據區是計算單元完成特殊任務的應用程序代碼指令流和數據的存放區域。

圖2 協同仿真系統報警機制結構

將原本位于應用服務器端的報警算法推送至各個運算單元的應用代碼區，在運算單元內計算完成的數據直接經過報警算法判斷是否生成報警信息，將產生的報警信息放置于本運算單元的外存區內。

應用服務器上的報警結果獲取端周期性地從各個運算單元獲取報警結果進行匯總，從而大幅減少網絡負荷量，避免了數據丟包的現象，實現了分布系統的報警協同功能。

3.2 協同機制時空視圖

如圖3所示，某仿真任務由S1…Sm組成，分別在各自運算單元上以步長為T1…Tm的周期執行，當共同推進時間T后(T為T1,…，Tm的最小公倍數)(即S1…Sm分別進行了T/T1…T/Tm次迭代)，各運算單元在每個執行周期進行一次報警判斷(圖3中的●處)，在周期T到達時(圖3中的▲處)，報警獲取端分別從各自的外存數據區中將數據匯總，從而得到全部的報警信息。

圖3 協同仿真系統報警機制時空圖

報警結果獲取端對所得數據進行匯總處理，從而實現應用服務器上的報警庫與各個子計算單元的報警數據同步。

3.3 計算單元端程序模型

報警機制的主要處理模型流程如下：

STEP 0(事件處理) 事件響應周期性地被系統調用，從事件消息結構中提取信息。如果是報警上傳消息則轉入STEP 1，如果是變量更新消息則轉入STEP 2，否則轉入END。

STEP 1(報警上傳) 將數據區內的不包含已發送標記的報警信息打包后發送給服務器，同時對本次發送的報警信息打“已發送”標記戳，清空數據區內已經恢復的報警信息，返回END。

STEP 2(變量分流) 在報警監控點集合P中搜索pi，如果搜索成功則轉入STEP 3,否則轉入END(P等字母所示含義詳見文獻[11]中的數學模型)。

STEP 3(規則判斷) 更新pi信息，循環搜索pi所對應的規則判定條件ti,j并執行判定。循環完畢后轉入END。循環過程中若ti,j觸發了報警則轉入STEP 4，若ti,j沒有觸發報警則轉入STEP 5。

STEP 4(觸發處理) 生成報警ai,j。在報警信息條目集合A中搜索未復位的ai,j，若沒有搜索成功則將(as,ts)和報警標志插入集合A；返回STEP 3。

STEP 5(復位處理) 生成報警ai,j。在報警信息條目集合A中搜索未復位的ai,j，若搜索成功則將(as,ts)和復位標志插入集合A；返回STEP 3。

END(結束處理) 等待下次事件調用。

3.4 報警結果獲取端程序模型

報警機制的協同處理模型流程包括時間驅動的獲取報警部分，以及事件驅動的報警更新部分。

獲取報警部分的主要處理模型流程如下：

STEP 0(發送獲取請求) 向各個運算單元發起獲取報警信息的消息，等待數據返回。

STEP 1(匯總數據) 將返回的數據進行匯總，依據生成時間對它進行排序。

STEP 2(插入報警) 將整體信息放置在報警數據庫中，并觸發報警更新部分算法。

報警更新部分的主要處理模型流程如下：

STEP 0(事件處理) 事件響應系統被調用，從事件消息結構中提取信息。如果是報警確認消息則轉入STEP 1，如果是報警信息消息則轉入STEP 3，否則轉入END。

STEP 1(確認分流) 在報警信息條目集合A中搜索ai,j，如果搜索成功則轉入STEP 2，否則轉入END。

STEP 2(確認處理) 將搜索到的集合元素置確認標志，返回END。

STEP 3(標記分流) 循環所有報警信息，如果是帶有插入標記的報警信息消息則轉入STEP 4，如果是帶有復位標記的報警信息消息則轉入STEP 5，循環完畢則轉入END。

STEP 4(觸發處理) 在報警信息條目集合A中搜索未復位的ai,j，若沒有搜索成功則將ai,j插入集合A；返回STEP 3。

STEP 5(復位處理) 在報警信息條目集合A中搜索未復位的ai,j，若搜索成功則將搜索到的對象置復位標志；返回STEP 3。

END(結束處理) 等待下次事件調用。

4 結束語

針對實際應用的新需求，提出協同分布式實時電站仿真系統的概念；該系統為傳統仿真系統常遇到的若干問題的改進提供了技術支持。同時從理論角度，給出了電站仿真系統報警機制的數學模型；依據協同分布式實時電站仿真系統的特點列出了報警機制的結構；并對結構中涉及的計算單元端和報警結果獲取端的程序模型進行了詳細闡述。該模型為協同分布系統設計了報警機制的解決方案，同時也為該系統的其他協同分布問題提供了一些借鑒。

協同分布式實時電站仿真系統必將促使仿真系統得到更廣泛的應用，為電站運行人員實戰經驗的積累創造更有利的條件。

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參考文獻著錄規范

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學位論文[編號] 著者名.題(篇)名[D].保存地：學位授予單位,年.

專利文獻[編號] 專利申請者名.專利題名[P].專利國別：專利號,出版日期.

注：①著者姓名應列全(3個以上的只列3個，并在第3個著者名后加“等”)；

②國外作者名應將“姓”排前，“名”排后。

StudyonAlarmMechanismforCollaboratively-distributedReal-timePowerPlantSimulators

WANG Ji-hua, ZHOU Jian-zhang, ZHANG Hui-xian, ZHONG Xu

(Beijing Sifang Automation Co., Ltd.)

In order to meet the consumer’s demands for simulation system, having traditional real-time simulation system for power plants considered to propose the concept of collaborative distributed real-time simulation system was implemented, including the presentation of its characteristics, structure and application cases. Combinding with the mathematical model of alarm mechanism, the structure diagram and space-time diagram for the alarm mechanism which are designed for collaborative distributed system specially were listed and the program models for the calculating unit and the collecting unit of alarm results were described in detail.

alarm mechanism,power plant simulator, collaboratively-distributed,model

TH862+.7

A

1000-3932(2017)05-0478-04

王繼華(1986-)，碩士研究生，從事電站仿真系統開發研究，wangjihua@ncepu.edu.cn。

2016-10-10)