分布式“源荷儲”資源協同互動異構組網方法與仿真實現*

宋彥斌，汪莞喬，張 慧，關璐瑤，丁慧霞，高凱強，姚賢炯，向佳霓

（1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192；2.國網上海市電力公司，上海 200030）

0 引言

隨著新型電力系統的建設，海量分布式“源荷儲”資源與數據采集傳感設備大量接入[1-3]，分布式“源荷儲”參與輔助調峰、調頻、需求響應等新興業務迅猛發展[4-5]。分布式“源荷儲”協同互動業務呈現海量異構的特點，且對傳輸與處理的實時性、可靠性要求高，傳統電力系統通信架構已無法滿足[6]。云邊協同技術作為新形態下工業互聯網異構組網的解決方案[7-8]，基于“三層兩網”架構，支撐海量異構的分布式“源荷儲”互動數據廣泛接入，并且打通電網公司內外部與電網公司系統間數據壁壘，實現業務數據安全高效共享[9-10]，實現新型電力系統分布式“源荷儲”設備全面感知，通過多層級協同與跨系統調度將電網數據資產變現[11]，顯著提升分布式“源荷儲”資源互動效率與電網數字化、智能化水平。

針對分布式“源荷儲”協同互動業務的上述特點，本文提出基于OMNeT++（Objective Modular Network Testbed in C++）網絡仿真平臺的分布式“源荷儲”網絡架構與仿真方法。首先，構建分布式“源荷儲”資源協同互動網絡架構，并對分布式資源業務的業務控制流程進行介紹；其次，實現基于OMNeT++的分布式資源協同調控模型建模，包括實體設備建模、業務通信建模、通信拓撲建模和分布式“源荷儲”資源協同互動網絡模型；最后，通過OMNeT++對分布式“源荷儲”資源協同互動網絡的性能進行仿真。

1 分布式“源荷儲”資源協同互動異構組網方法

隨著工業互聯網及云邊協同技術的快速發展，分布式“源荷儲”資源設備類型復雜化，且演化為具有一體化采集和控制功能的智能終端[12]。其中，數據傳遞與信息交互借助分布式“源荷儲”協同互動網絡的各級通信網和各類通信模塊，實現分布式資源的協同可控。基于“三層兩網”的分布式“源荷儲”資源協同互動網絡架構如圖1所示。該架構主要包括主站層、邊緣網關層、終端層3 層節點，并包括本地通信網、遠程通信網兩層網絡。

圖1 基于“三層兩網”的分布式“源荷儲”資源協同互動網絡架構

本地通信網是實現終端層各類采集與控制設備及邊緣網關層物聯聚合控制網關間數據與指令傳輸的網絡介質。由于終端層包括分布式電源、負荷、儲能等多種類型，涉及采集與控制設備數量龐大、分布廣泛，且所處環境復雜多變，難以僅采用光纖進行通信。因此，本地通信網需要結合終端特性，融合無源光網絡（Passive Optical Network，PON）、高速電力線載波通信（Highspeed Power Line Carrier，HPLC）、高速射頻通信（Highspeed Radio Frequency，HRF）、4G/5G、微功率無線等多種通信技術，為海量分布式“源荷儲”設備提供靈活、經濟、安全的全覆蓋接入服務。

遠程通信網是位于主站層與邊緣網關層之間的網絡介質。通常情況下，邊緣網關層的物聯聚合控制網關和主站層的電網調控中心和聚合商數據平臺距離較遠，需要通過光纖、5G 公網等省級和省際通信網絡與主站平臺建立連接，提升通信網絡服務質量，保證分布式“源荷儲”協同互動網絡數據的可靠傳輸，實現廣域網絡資源綜合管理與靈活調度，滿足分布式“源荷儲”資源聚合調控業務的靈活、高效、可靠等多樣性需求[13]。

2 分布式“源荷儲”資源協同互動網絡仿真建模需求分析

2.1 分布式“源荷儲”資源協同互動業務建模需求

分布式“源荷儲”資源參與電網調峰、調頻、需求響應是保障電力系統資源共享與能力協同、實現海量資源綜合管理與廣域調控的3 類重要業務，其業務建模需求、交互過程和發送規律介紹如下。

2.1.1 業務建模需求

調峰業務需要對環境數據、運行參數進行實時監測跟蹤，進行調峰策略的實時動態優化，承擔著平衡發電出力與用電負荷的功能[14]。

調頻業務需要實時監測電力系統頻率，根據系統頻率與額定頻率的偏差值變化調整調頻策略，承擔著維持電力系統頻率穩定的功能[15]。需求響應業務需要監測用戶數據、計算響應有效性、更新響應資源庫，實現需求響應可靠性、再現性、魯棒性和成本效益的提高，承擔著優化用電行為、降低負荷峰谷差、保障電網穩定、抑制電價上升的功能[16]。

2.1.2 業務的控制流程

根據上述業務功能原理描述，各類分布式“源荷儲”資源協同互動業務控制流程如圖2 所示。

圖2 分布式“源荷儲”資源協同互動業務控制流程

調峰業務控制流程：電網調控中心根據日前預測數據向聚合商及分布式電源發布需求，提出需求區域、調控量、調控時段和調控價格要求，聚合商綜合負荷的可調功率、儲能的可充放電量、分布式電源的可出力功率，與10 kV 以上分布式電源機組一同參與調峰競價。在此基礎上，電網調控中心發布調峰策略，分布式“源荷儲”資源根據調峰策略進行自治控制。

調頻業務控制流程：電網調控中心發布目標響應時段的調頻服務需求，聚合商與10 kV 以上分布式電源機組進行調頻服務價格與能力申報，充分利用分布式資源的調頻能力，構建負荷、儲能和220/380 V 分布式電源參與基線調頻的優先級。

需求響應業務控制流程：需求響應管理系統根據電網調控中心發布的需求響應項目創建信息，生成需求響應事件信息。電網調控中心和需求響應管理系統分別發布需求響應信息，10 kV 以上分布式電源機組和聚合商確認參與需求響應事件后，接收并執行需求響應調控策略，負荷、儲能、220/380 V 分布式電源和10 kV 以上分布式電源機組調整各自用電、放電或出力方案。

2.1.3 業務發送規律

分布式“源荷儲”資源協同互動業務運行特性和數據包發送規律如表1 所示。

2.2 分布式“源荷儲”資源協同互動業務應用模式

分布式“源荷儲”資源協同互動業務的運行特性、發送規律以及業務交互過程決定其基本通信應用模式主要為命令傳輸過程。具體分析不同分布式“源荷儲”資源協同互動業務的命令傳輸特點，在OMNeT++網絡仿真平臺中建立符合分布式“源荷儲”資源協同互動業務特性的應用層協議。

2.3 分布式“源荷儲”資源協同互動業務仿真場景

仿真場景主要包括分布式“源荷儲”資源協同互動基礎數據采集場景和分布式“源荷儲”資源協同互動業務場景兩大類。其中分布式“源荷儲”資源協同互動網絡基礎數據采集場景包括電氣量監測、開關量狀態監測、設備運行狀態監測、環境量監測等數據，能夠為分布式“源荷儲”資源協同互動業務場景分析提供數據支撐。分布式“源荷儲”資源協同互動業務場景在基礎數據采集場景的基礎上，進一步包括調峰、調頻、需求響應等業務的交互數據。

3 基于OMNeT++的分布式“源荷儲”資源協同互動網絡仿真平臺架構與對象建模

3.1 分布式“源荷儲”資源協同互動網絡仿真平臺

分布式“源荷儲”資源協同互動網絡仿真平臺的總體設計方案如圖3 所示。利用OMNeT++仿真內核庫和仿真模型庫，根據節點模型定義主站層、邊緣網關層和終端層的設備模型；根據網絡模型定義遠程通信網和本地通信網。在此基礎上，建立模型實例和網絡連接，并結合分布式“源荷儲”資源協同互動業務交互邏輯，進行拓撲配置和交互配置，編譯并執行程序，最后進行結果分析。

3.2 實體設備建模

實體設備是電力通信系統的關鍵組成元件，用于實現業務數據包的發送、接收和處理。分布式“源荷儲”資源協同互動網絡中的實體設備主要包括分布式電源、負荷、儲能設備，以及物聯聚合控制網關、聚合商數據平臺和電網調控中心等，可通過修改OMNeT++預定義模型及模型自定義的方式實現實體設備建模[17]。

3.2.1 業務數據源模型

業務數據源模型使用OMNeT++開源庫INET 提供的UdpBasicApp 模塊，可以模擬終端層各類業務數據的產生和傳輸過程。對UdpBasicApp 模塊進行參數和功能整定的流程如下：首先，根部不同類型業務特點設定參數，包括業務數據包大小、數據包類型和發送頻率等；其次，通過編輯.ini 文件里的typename 來設定數據源模擬的業務類型，業務交互邏輯則通過編輯.cc 文件中相應功能函數來實現。

3.2.2 聚合商模型

聚合商模型通過自定義復合模塊Aggregator 來表征，該模塊一方面能夠實現分布式“源荷儲”資源終端業務數據聚合，并將其上傳至電網調控中心；另一方面可以接收電網調控中心調控指令，并下發給各類分布式資源終端。Aggregator 模塊包括一個路由器模型和兩個服務器模型，其服務器配置能夠支持配電網調峰、調頻和需求響應等業務，可以實現模擬多業務數據聚合和電網調控中心指令下發過程。

3.2.3 分布式“源荷儲”資源終端模型

分布式“源荷儲”資源終端通過自定義復合模塊xLoad 來表征，該模塊能夠采集各類分布式“源荷儲”資源產生的業務數據，并對其進行簡單的處理分析，上傳至電網調控中心。xLoad 模塊包括一個路由器模型和一個服務器模型，其服務器的配置能夠支持配電網調峰、調頻和需求響應等業務，可以實現模擬多業務數據的采集轉發與處理過程。

3.2.4 電網調控中心模型

電網調控中心模型通過自定義復合模塊MainStation 來表征，該模塊采集終端上傳的多業務數據，并且能夠下達相應的業務調控指令，比如調峰、調頻需求。MainStation 模塊包括1 個路由器模型、4 個服務器模型和1 個數據源模型，實現電網調控中心的功能。

3.3 業務通信建模

業務通信建模是根據分布式“源荷儲”資源協同互動業務中各種應用模式的通信特征以及信息發送特點，實現業務數據包基本參數與發送規律設置，進而實現關鍵業務與基本應用模式的相互映射，最終實現關鍵業務通信建模。

基于OMNeT++的業務建模能夠在3 個協議階層實現，對數據包的大小、發包周期、傳輸方向等數據包特性進行配置，進一步將業務分別加載到服務器和電網調控中心中，并在其中配置包括初次觸發的時間、業務重復的次數、間隔和順序等運行規律以實現電網調度中心業務建模。首先，對于從應用層開始的精確模擬，OMNeT++提供了一些相應配置端對端業務和自定義多端業務的方法。其次，對于數據量特別大的業務，例如語音和視頻，若是采用這種精確業務模擬的方法會導致網絡仿真速度變慢，OMNeT++可采用流分析方式在適當降低仿真精度的情況下提升仿真速度[18]。

3.4 通信拓撲建模

本地通信網絡采用HPLC、HRF、WiFi 等多媒介通信方式，需要將分布式“源荷儲”資源的本地通信數據與物聯聚合控制網關間通信設置相應的有線和無線管道，模擬數據包在有線和無線通信環境中傳輸從而模擬其傳播特性。遠程通信網絡采用光纖通信、5G 公網等省級通信網絡建立連接，需要將分布式“源荷儲”資源的遠程通信數據與分布式資源廣域聚合，構建邊緣聚合網關和電網調控中心之間的數據傳輸通道，模擬遠程通信數據在光纖通信網、5G 公網中傳輸的過程。

4 分布式“源荷儲”資源協同互動網絡仿真分析

4.1 仿真場景及參數設置

本文根據3.3 節所述的通信拓撲模型設計分布式“源荷儲”資源協同互動網絡仿真場景，并以需求響應為例，驗證所建模型與預期結果是否吻合。各業務具體參數如表2 所示。

4.2 分布式“源荷儲”資源協同互動網絡性能分析

本仿真主要考察協同互動網絡正常運行時的網絡性能特征，包含初始化業務、信息監測業務和需求響應業務。基于上述所建模型，仿真分析不同場景下網絡性能特點，如表3 所示。其中，場景1 是指分布式“源荷儲”資源協同互動網絡基礎數據采集場景；場景2 是在場景1 基礎上考慮電網調控中心下發需求響應業務需求的場景。

表3 協同互動網絡性能

在兩種場景下，終端層到邊緣網關層以及邊緣網關層到主站層都在業務初始化階段達到流量最大值，符合在初始階段對所有業務進行第一次觸發的場景特征。在場景1 中，終端層到邊緣網關層數據業務流量峰值達到了34.72 Mb/s，而在邊緣網關層進行了一定的數據處理及匯聚后，邊緣網關層到主站層數據采集業務流量峰值達到了27.76 Mb/s，整體時延為519 ms。場景2 是在場景1 的基礎上運行需求響應業務的情況，終端層到邊緣網關層的業務數據流量峰值達到了38.21 Mb/s，而在邊緣網關層進行了一定的數據處理及匯聚后，邊緣網關層到主站層的業務數據流量峰值達到了31.12 Mb/s，整體時延為613 ms。帶寬利用率在兩種場景下分別為28.9%和29.2%。

從仿真結果可以看出，在考慮了分布式“源荷儲”資源協同互動業務中的需求響應業務后，相較于僅考慮基礎數據采集業務而言，通信網絡性能在業務流量峰值、時延、帶寬利用率、丟包率方面的數據均增大，體現了分布式“源荷儲”資源協同互動網絡對通信資源需求更大。隨著基礎數據采集業務的不斷增加，終端層到邊緣網關層的通信資源會最早到達瓶頸。

場景2 用于仿真出現需求響應事件時分布式“源荷儲”資源協同互動的網絡性能動態變化特性。具體設置場景為：場景包括50 個分布式電源、50 個分布式儲能單元、100 個分布式負荷單元，需求響應事件發生在10 min，在電網調控中心發布需求響應信息后，聚合商和10 kV 以上分布式電源機組分別向需求響應管理系統和電網調控中心發送參與需求響應事件信息和響應價格及能力申報信息，并在執行需求響應調控策略后，及時反饋響應效果信息。網絡性能變化情況如圖4 和圖5所示。

圖4 不同場景流量變化曲線

圖5 不同場景傳輸時延變化曲線

如圖4 所示，在需求響應事件發生時，分布式“源荷儲”資源協同互動網絡的峰值流量出現了3 次較大突增。在場景2 中，主站層的入站峰值流量達到了31.12 Mb/s，相較于場景1 增加了11.19%；邊緣層入站峰值流量達到了38.21 Mb/s，相較于場景1 增加了9.86%。在場景2中，分布式“源荷儲”資源協同互動網絡無論在遠程通信網還是本地通信網，通信網絡流量均有所增加，這是由于此時需求響應業務在分布式“源荷儲”資源協同互動網絡中短時間多次頻繁流動。

從圖5 中可以看出，分布式“源荷儲”資源協同互動網絡在初始階段時延最高，這是所有業務在初始化階段同時觸發所導致的。場景2 中，遠程通信網的傳輸時延峰值達到557 ms，相較于場景1 增加了7.05%；終端層到邊緣層傳輸時延峰值達到了674 ms，相較于場景1 增加了7.18%。從上述結果可以看出，本地通信網在場景2中傳輸時延要大于遠程通信網。在兩種場景中本地通信網的傳輸時延變化幅度更大，可以作為本地通信網的通信資源后備方案設計依據。

5 結論

為了準確有效地分析新型電力系統背景下分布式“源荷儲”資源協同互動網絡性能，提供通信網絡性能定量化分析工具，本文提出了基于OMNeT++的分布式“源荷儲”資源協同互動網絡建模與仿真方法。通過充分分析分布式“源荷儲”資源協同互動業務仿真建模需求，基于OMNeT++建立分布式“源荷儲”資源協同互動網絡關鍵對象，搭建與實際運行情況一致的OMNeT++仿真平臺。針對不同分布式“源荷儲”協同互動業務場景，驗證所提模型的有效性。仿真結果表明該網絡能夠真實模擬分布式“源荷儲”資源協同互動網絡實際運行情況，支撐多類型終端設備、多種業務場景的性能分析需求，為分布式“源荷儲”資源協同互動網絡技術選型、網絡規劃、設備應用等提供科學決策依據。