一种双网络耦合结构协同仿真方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种双网络耦合结构协同仿真系统，包括系统仿真模块和网络仿真模块；所述系统仿真模块根据所要仿真的传输网络拓扑结构，确定网络仿真模块的规模及节点通信关系，建立网络仿真模块；所述系统仿真模块中包括多个设备，所述多个设备将运行状态发送至网络仿真模块中的对应节点。本发明所述系统可以对智能电网系统的建设和规划进行系统级验证；专为智能电网系统可靠性定制，为观测耦合网络系统行为提供了有效仿真工具；本发明屏蔽了具体的通信协议对系统的影响，可以更广泛的描述通信系统的行为；本发明可以真实反映有时延限制的电网信息传输对智能电网系统可靠性带来的威胁。
【专利说明】一种双网络耦合结构协同仿真方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种双网络耦合结构协同仿真方法及系统。
【背景技术】
[0002]智能电网(Smart Grid)是一种新兴技术，代表了一种全新的能源管理模式。它建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过将信息技术植入传统电力基础设施的方式，在电力基础设施上广泛引入先进的传感和测量技术，先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术，实现了电力设备之间的无缝互联，以及电流和信息流的双向流动。凭借这种灵活配置的能量流和信息流，各式各样的管理自动化应用可以广泛的使用在智能电网中。使得智能电网在系统故障后自愈能力、抵御自然灾害和外力破坏能力、优化配置资源能力，兼容多种能源形式能力，促进用户互动式地参与电力调度管理能力等多个方面体现出了不同于传统电网的独特性能，进而显著提高了电力系统的有效性，灵活性，智能化，和可靠性。
[0003]智能电网独特的双网络耦合结构:智能电网除了在系统管控、用户参与度、应对故障和攻击能力上的独特优势之外，从系统体系结构的角度上讲，它还拥有一个显著的，不同于传统信息通信系统的显著特征，即，相互耦合、互相依赖的通信网络和电力传输网络共同构成了智能电网系统。
[0004]由于电网系统是一个横跨发输变配用各个环节的庞大而又复杂的系统，其中包含了各种各样的电力电子设备，比如各级变压器，各种电流电压互感器等等。为实现对大规模电网运行状态的实时监测，在目前的智能电网系统建设实践中，普遍使用的方式是将大量的智能化电动装置(IED, Intelligent Electronic Device)作为电力设备控制器与电力电子设备互连。由此，具有一定通信和计算功能的IED设备成为了电力设备的控制装置，既可以采集设备的实时运行状态并通过有线或无线通信模块进行远程传送，又可以作为设备的代理(Agent)接收远程的控制命令，从而借助必要的通信设备，如路由器、交换机等，与其他相关电力装置或者远程控制中心构成双向的信息传送通道。进一步，总整体角度来看，通过挂载的IED设备，电网系统中的各种电力设备可以实现互联，从而形成一张由IED为基本通信节点的电力通信网络。
[0005]从体系结构的角度上看，电力通信网络横跨在原有的电网系统的电力传送网络之上，承担着对电力传送网络运行状态进行监测和控制的作用。如此，智能电网系统中形成了两张网络:处于底层的是原有的电力输送网络，包括高压的电力传输网络，以及中低压的配电网络；处于上层的，由电力设备挂载的IED组成的通信网络。
[0006]从两种网络的关系上看，电力通信网络和电力传送网络是相互耦合而又相互依赖的。一方面，电力网络为通信网络的设备，如IED，路由器、交换机等提供正常工作所需的电力；另一方面通信网络则作为信息分发的基础设施为电力网络投递控制命令和传送设备状态运行参数。
[0007]由此，相互耦合、互相依赖的电力通信网络与电力网络一起构成了智能电网最重要的系统组件。[0008]双网络耦合结构带来的系统可靠性挑战
[0009]在电力通信网络为智能电网的管理、控制、监测带来巨大便利的同时，双层耦合网络结构也为电网系统的稳定性与可靠性带来了新的挑战。原有的电力系统可靠性理论和方法因没有把通信系统的信息传输可靠性加以考虑，因而难以适用于智能电网的可靠性分析。例如，在电力通信网络中，信息传输的时延要求近乎苛刻，当存在传输超时时，系统将视超时传输的消息为无效消息，从而导致相应的电网控制命令难以产生实际的设备控制结果，进而引起电力系统故障。由此可见，通信网络的引入将大大改变原有的电力系统可靠性、稳定性分析。同样地，原有的通信系统的可靠性分析由于没有体现电力传输的客观规律，因此也难以适用于智能电网。
[0010]作为大规模复杂系统可靠性研究的重要手段，系统仿真在量化评估智能电网双网络耦合情况下的系统可靠性上起着无以替代的作用。首先，系统的可靠性研究需要构建大规模的，与真实环境相似度较高的系统环境，从而确认研究结果的有效性。但是，对于电网这种关系国计民生的关键基础设施，从技术和安全上考虑直接进行电力试验的可能性很小，因此需要构造系统的仿真环境进行相关的系统实验。由此，能够全面反映智能电网双网络耦合结构的仿真系统便更为重要。其次，要研究通信网络与电力传输网络的这种独特的耦合结构，需要对智能电网系统行为进行细致的观察，从而发现关键的系统建模参数。从这个角度上来讲，一套贴近真实系统的仿真环境也极具研究价值。
[0011]现有技术:
[0012]作为一种新的网络形式，智能电网只是在近几年出现。而其通信网络与电力传输网络的耦合依赖关系也是自2009年之后才逐渐为研究者所认识。因此，到目前为止鲜见可用于智能电网双网络耦合结构的协同仿真工具，至于专门针对系统可靠性的仿真工具则未见有相关报道。现有的仿真系统主要分为三类:第一类是原有的可用于电网系统可靠性研究的仿真工具，如Matlab等；第二类是用于通信网络的仿真工具，如NS2，OPNET等；第三类是针对智能电网的联合仿真工具，如0mnet++_0penDSS等。
[0013]基于Matlab的电网可靠性仿真工具:
[0014]由于电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，对电力系统的仿真根据其关注点的不同可以分为几类，如潮流计算、电磁暂态仿真、控制保护仿真等。其中潮流计算是在给定电力系统网络结构、参数和边界条件的情况下确定系统稳态运行状态的一种基本电气计算，其运算结果也是电力系统稳定性、可靠性计算和故障分析的基础。因此根据系统潮流计算结果进行电力系统稳定性分析已经成为了电网系统可靠性研究的主要手段。
[0015]目前，允许用户通过运行系统潮流计算进行电网稳定性分析的仿真工具较多，但Matlab因其灵活方便的使用以及强大的功能，逐渐成为使用最为普遍的电网可靠性仿真工具。以Matlab为基础,更加专注于电力系统潮流和优化潮流计算的开源软件Matpower也逐渐成为了易于使用的电网系统可靠性仿真工具。
[0016]通信网络仿真工具:
[0017]随着通信网络的快速发展，对于通信网络新机制和整体系统性能的研究也逐渐成为了通信网络研究的重要方面。但在真实网络环境中进行性能研究，不仅耗资巨大，而且难以收集、统计和分析系统性能数据。由此，通过在计算机上搭建虚拟网络平台的方式实现对真实网络环境的模拟成为了通信网络仿真的主要手段。[0018]现有的通信网络仿真工具有很多种，其中最常用的包括OPNET、NS2、0MNet++等。这些仿真工具主要关注网络通信机制的设计、网络设备的性能，通信协议的运行情况等。
[0019]智能电网联合仿真工具:
[0020]随着智能电网概念的提出，越来越多的研究者开始考虑把现有的通信网络的仿真工具与电力系统仿真工具结合起来，用于模拟智能电网中的双网络交互情况。其中最典型的是0MNeT++-0penDSS的组合。前者是通信网络中常用的仿真软件，而后者则面向配电网络，具备了多种电力系统仿真的功能，如潮流计算，保护电流计算等。可用于观察具体某一通信机制或协议对配电网系统的影响。
【发明内容】
[0021]现有技术中虽然电网系统与通信网络各自有很多种仿真工具，也出现了结合两种网络仿真工具设计实现的面向智能电网的仿真工具，但针对智能电网的实时稳态可靠性分析，现有工具则难以完成相关的仿真任务，现有技术的缺点主要集中在以下两个方面:
[0022]1.电网、通信网仿真工具独立使用均难以反映耦合网络相互作用关系
[0023]不难想象，如果仅仅用电网或者通信网络的仿真工具进行智能电网可靠性仿真研究,则双方均难以将对方网络的影响因素考虑在内。如使用Matlab等电网仿真工具，则通信网络传输失败的概率分布难以在Matlab的潮流计算中体现，由此设计的仿真工具则难以捕捉两层网络这种相互影响的系统行为。
[0024]2.针对现有联合仿真工具，通信网络侧仿真工具往往过分注重通信协议、机制的影响，难以反映通信网络系统可靠性对电网系统可靠性的影响
[0025]现有的联合仿真工具过分注重通信网络传输机制、协议等细节对电网系统的影响，并不利于量化评估双网络耦合结构的系统可靠性。主要原因在于，两个网络的抽象层次不一致。在电网系统进行潮流计算为基础的可靠性分析时，完全忽略了由于器件或者设备性质所导致的暂态效应，而从稳态角度进行的分析。与之对应，通信网络具体协议、机制的影响都应属于通信网络的暂态行为。应该对通信网络进行进一步抽象，屏蔽具体网络协议、机制对通信网络传输可靠性的影响，与电网系统的稳态分析对应实现对通信网络的稳态分析。
[0026]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种以量化评估只能电网双网耦合结构的可靠性，以及捕获稳态情况下双网络交互的系统行为为目标，通过引入抽象层次更高的通信网络仿真工具与电网仿真工具一起设计实现的双网络耦合结构协同仿真方法。
[0027]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种双网络耦合结构协同仿真方法，具体包括以下步骤:
[0028]步骤1:构建系统仿真模块；
[0029]步骤2:系统仿真模块根据所要仿真的传输网络拓扑结构，确定网络仿真模块的规模及节点通信关系，建立网络仿真模块；
[0030]步骤3:系统仿真模块中的多个设备将运行状态发送至网络仿真模块中的对应节
占.[0031]步骤4:通过网络仿真模块中的节点状态判断系统仿真模块中的对应设备是否存在故障，如果是，发送未及时收到告警信息的节点集合和对应存在故障的设备的源节点信息至系统仿真模块，进行步骤5 ;否则，进行步骤6 ；
[0032]步骤5:系统仿真模块判断是否存在未及时收到告警信息的节点，如果是，接收设备最大负载值，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态，跳转至步骤3 ;否则，移除初始故障设备，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态；
[0033]步骤6:输出稳态的系统仿真模块中的多个设备的运行状态给用户。
[0034]本发明的有益效果是:本发明为智能电网双网络耦合系统的仿真提供了新的仿真手段，利用该方法可以对智能电网系统的建设和规划进行系统级验证；专为智能电网系统可靠性定制，可用于智能电网通信网络与电力网络耦合结构下的系统可靠性仿真，为观测耦合网络系统行为提供了有效仿真工具；本发明在通信网络仿真模块上对通信网络的传输状态进行了抽象，屏蔽了具体的通信协议对系统的影响，用消息传输成功率的方式刻画通信网络的传输性能，可以更广泛的概括通信系统的行为；本发明将电网通信传输中特殊的时延要求涵盖在内，可以真实反映有时延限制的电网信息传输对智能电网系统可靠性带来的威胁。
[0035]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0036]进一步，所述步骤2与步骤3之间还存在步骤2.5 ；
[0037]步骤2.5:系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数、预设的告警信息传播时延、预设的消息传输成功率和预设的传输成功消息所需传输时延的分布。
[0038]采用上述进一步方案的有益效果是，由系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数；告警信息传播时延，即告警消息只有在指定时间内到达节点才被视为有效的，任何超过时延的消息投递都会因消息错过最佳控制时间而被视为无效消息；消息传输成功率，从而使通信网络仿真模块可以以指定概率确定每次消息传输是否成功；传输成功消息所需传输时延的分布，确定投递成功的消息是否超过传输时延，如果超过，则依然是不成功的投递。
[0039]进一步，所述步骤4中发送告警信息至系统仿真模块中的对应设备具体包括以下步骤:
[0040]步骤4.1:网络仿真模块中的对应设备存在故障的一个节点作为源节点；
[0041]步骤4.2:根据源节点的节点度将告警信息发送到相关联的目标节点；
[0042]步骤4.3:根据消息传输成功率随机从目标节点中选取成功节点；
[0043]步骤4.4:判断传输告警信息的时间是否大于告警信息传播时延，如果是，进行步骤4.7 ;否则，进行步骤4.5 ;
[0044]步骤4.5:将发送成功的成功节点按照传输时间从小到大排序存入消息传输事件列表；
[0045]步骤4.6:判断是否达到了预设的节点传输时间，如果是，进行步骤4.7 ;否则，按顺序取消息传输事件列表中的一个成功节点，将此成功节点作为源节点，跳转至步骤4.2 ；
[0046]步骤4.7:将所述目标节点添加到未及时收到告警信息集合；
[0047]步骤4.8:网络仿真模块将未及时收到告警信息集合和步骤4.1中的源节点发送至系统仿真模块。
[0048]节点度是指和该节点相关联的边的条数，即与该节点相连接的节点个数。[0049]所述步骤5具体包括以下步骤:
[0050]步骤5.1:判断未及时收到告警信息集合是否为空，如果是，移除源节点对应的设备潮流状态，进行步骤5.2 ;否则，进行步骤5.3 ；
[0051]步骤5.2:输出系统仿真模块当前潮流状态，重新计算潮流值；
[0052]步骤5.3:固定未及时收到告警信息集合中节点的潮流值，接收外部输入的多个设备的最大负载量，重新计算潮流值；
[0053]步骤5.4:判断是否存在故障设备，如果是，跳转至步骤3 ;否则，跳转至5.2。
[0054]本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种以量化评估只能电网双网耦合结构的可靠性，以及捕获稳态情况下双网络交互的系统行为为目标，通过引入抽象层次更高的通信网络仿真工具与电网仿真工具一起设计实现的双网络耦合结构协同仿真系统。
[0055]本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种双网络耦合结构协同仿真系统，包括系统仿真模块和网络仿真模块；
[0056]所述系统仿真模块根据所要仿真的传输网络拓扑结构，确定网络仿真模块的规模及节点通信关系，建立网络仿真模块；
[0057]所述系统仿真模块中包括多个设备，所述多个设备将运行状态发送至网络仿真模块中的对应节点；
[0058]所述网络仿真模块中的节点同步对应设备的状态，并根据系统仿真模块中的设备故障发出告警信息，并将未及时收到告警信息的节点集合和对应存在故障的设备的源节点信息发送系统仿真模块；
[0059]所述系统仿真模块判断是否存在未及时收到告警信息的节点，如果是，接收设备最大负载值，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态；否则，移除初始故障设备，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态；并将稳态的系统仿真模块中的多个设备的运行状态输出给用户。
[0060]本发明的有益效果是:本发明为智能电网双网络耦合系统的仿真提供了新的仿真手段，利用该系统可以对智能电网系统的建设和规划进行系统级验证；转为智能电网系统可靠性定制，可用于智能电网通信网络与电力网络耦合结构下的系统可靠性仿真，为观测耦合网络系统行为提供了有效仿真工具；本发明在通信网络仿真模块上对通信网络的传输状态进行了抽象，屏蔽了具体的通信协议对系统的影响，用消息传输成功率的方式刻画通信网络的传输性能，可以更广泛的概括通信系统的行为；本发明将电网通信传输中特殊的时延要求涵盖在内，可以真实反映有时延限制的电网信息传输对智能电网系统可靠性带来的威胁。
[0061]在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0062]进一步，所述系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数、预设的告警信息传播时延、预设的消息传输成功率和预设的传输成功消息所需传输时延的分布。
[0063]采用上述进一步方案的有益效果是，由系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数；告警信息传播时延，即告警消息只有在指定时间内到达节点才被视为有效的，任何超过时延的消息投递都会因消息错过最佳控制时间而被视为无效消息；消息传输成功率，从而使通信网络仿真模块可以以指定概率确定每次消息传输是否成功；传输成功消息所需传输时延的分布，确定投递成功的消息是否超过传输时延，如果超过，则依然是不成功的投递。
[0064]进一步，所述网络仿真模块包括源节点处理模块、传输模块、成功选取模块、判断模块、节点处理模块和输出模块；
[0065]所述源节点处理模块将对应设备存在故障的一个节点作为源节点；
[0066]所述传输模块根据源节点的节点度将告警信息发送到相关联的目标节点；
[0067]所述成功选取模块根据消息传输成功率随机从目标节点中选取成功节点；
[0068]所述判断模块用于判断传输告警信息的时间是否大于告警信息传播时延，如果是，将所述目标节点添加到未及时收到告警信息集合，并将未及时收到告警信息集合发送至输出模块；否则，将发送成功的成功节点按照传输时间从小到大排序存入消息传输事件列表，并将消息传输事件列表发送至节点处理模块；
[0069]所述节点处理模块按顺序取消息传输事件列表中的每个成功节点，将此成功节点作为源节点，并将源节点的告警信息发至传输模块，直至达到了预设的节点传输时间；
[0070]所述输出模块将未及时收到告警信息集合和初始源节点发送至系统仿真模块。
[0071]节点度是指和该节点相关联的边的条数，即与该节点相连接的节点个数。
[0072]进一步，所述系统仿真模块包括系统判断模块和负载接收模块；
[0073]所述系统判断模块用于判断未及时收到告警信息集合是否为空，如果是，移除源节点对应的设备潮流状态，输出系统仿真模块当前潮流状态，重新计算潮流值；否则，固定未及时收到告警信息集合中节点的潮流值并发送到负载接收模块；
[0074]所述负载接收模块接收外部输入的多个设备的最大负载量和系统判断模块发送的节点的潮流值，重新计算潮流值。
[0075]仿真框架包括两个子模块，电力系统仿真模块和电力通信网络仿真模块。两个模块分别用来仿真双网络中的电力传输网络和电力通信网络。概括来说，两个模块之间有三种交互。首先，在框架建立之初，电力系统仿真模块首先形成所要仿真的电力传输网络，之后根据电力传输网络拓扑确定电力通信网络的网络规模以及节点通信关系。在此之后的两种交互体现了双网络耦合结构下，两个网络的交互影响的行为。一方面，电力系统中电力设备将当前设备运行状态情况(包括电流、电压、相位等)报送给电力通信网络中对应的节点，节点判断是否存在设备故障。如果存在故障则开始启动告警信息的发送过程，并把消息传输的最终状态反馈给电力系统仿真模块。电力系统根据告警信息投递成功与否确定下一轮迭代中设备应该采取的动作:如果某个设备正常收到告警信息，则在下一轮电力系统运算时则进行相应的处理，如降低电压，电流等故障恢复动作；如果某个设备没有收到告警信息，则意味着在下一轮电力系统运算中不会对故障进行处理，仍然保持原有的设备状态。由此，根据通信网络的告警信息投递状态，电力系统确定下一轮运算的初始条件，再将运算结果通知电力网络仿真模块，形成闭环循环迭代。迭代结束时，仿真框架将最终输出新的系统稳态状态，即电网中新的电流、电压、相角参数等。
【专利附图】
【附图说明】
[0076]图1为本发明具体实施例1所述的一种双网络耦合结构协同仿真方法流程图；
[0077]图2为本发明具体实施例1所述的一种双网络耦合结构协同仿真方法中步骤4的详细流程图；
[0078]图3为本发明具体实施例1所述的一种双网络耦合结构协同仿真方法中步骤5的详细流程图；
[0079]图4为本发明具体实施例2所述的一种双网络耦合结构协同仿真系统框图。
[0080]附图中，各标号所代表的部件列表如下:
[0081 ] 1、系统仿真模块，11、系统判断模块，12、负载接收模块，2、网络仿真模块，21、源节点处理模块，22、传输模块，23、成功选取模块，24、判断模块，25、节点处理模块，26、输出模块。
【具体实施方式】
[0082]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0083]如图1所示，为本发明具体实施例1所述的一种双网络耦合结构协同仿真方法流程图，具体包括以下步骤:
[0084]步骤1:构建系统仿真模块；
[0085]步骤2:系统仿真模块根据所要仿真的传输网络拓扑结构，确定网络仿真模块的规模及节点通信关系，建立网络仿真模块；
[0086]步骤3:系统仿真模块中的多个设备将运行状态发送至网络仿真模块中的对应节
占.[0087]步骤4:通过网络仿真模块中的节点状态判断系统仿真模块中的对应设备是否存在故障，如果是，发送未及时收到告警信息的节点集合和对应存在故障的设备的源节点信息至系统仿真模块，进行步骤5 ;否则，进行步骤6 ；
[0088]步骤5:系统仿真模块判断是否存在未及时收到告警信息的节点，如果是，接收设备最大负载值，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态，跳转至步骤3 ;否则，移除初始故障设备，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态；
[0089]步骤6:输出稳态的系统仿真模块中的多个设备的运行状态给用户。
[0090]其中步骤2和步骤3之间，还设有步骤2.5:系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数、预设的告警信息传播时延、预设的消息传输成功率和预设的传输成功消息所需传输时延的分布。
[0091]由系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数；告警信息传播时延，即告警消息只有在指定时间内到达节点才被视为有效的，任何超过时延的消息投递都会因消息错过最佳控制时间而被视为无效消息；消息传输成功率，从而使通信网络仿真模块可以以指定概率确定每次消息传输是否成功；传输成功消息所需传输时延的分布，确定投递成功的消息是否超过传输时延，如果超过，则依然是不成功的投递。
[0092]如图2所示，所述步骤4中发送告警信息至系统仿真模块中的对应设备具体包括以下步骤:
[0093]步骤4.1:网络仿真模块中的对应设备存在故障的一个节点作为源节点；
[0094]步骤4.2:根据源节点的节点度将告警信息发送到相关联的目标节点；
[0095]步骤4.3:根据消息传输成功率随机从目标节点中选取成功节点；[0096]步骤4.4:判断传输告警信息的时间是否大于告警信息传播时延，如果是，进行步骤4.7 ;否则，进行步骤4.5 ;
[0097]步骤4.5:将发送成功的成功节点按照传输时间从小到大排序存入消息传输事件列表；
[0098]步骤4.6:判断是否达到了预设的节点传输时间，如果是，进行步骤4.7 ;否则，按顺序取消息传输事件列表中的一个成功节点，将此成功节点作为源节点，跳转至步骤4.2 ；
[0099]步骤4.7:将所述目标节点添加到未及时收到告警信息集合；
[0100]步骤4.8:网络仿真模块将未及时收到告警信息集合和步骤4.1中的源节点发送至系统仿真模块。
[0101]节点度是指和该节点相关联的边的条数，即与该节点相连接的节点个数。
[0102]如图3所示,所述步骤5具体包括以下步骤:
[0103]步骤5.1:判断未及时收到告警信息集合是否为空，如果是，移除源节点对应的设备潮流状态，进行步骤5.2 ;否则，进行步骤5.3 ；
[0104]步骤5.2:输出系统仿真模块当前潮流状态，重新计算潮流值；
[0105]步骤5.3:固定未及时收到告警信息集合中节点的潮流值，接收外部输入的多个设备的最大负载量，重新计算潮流值；
[0106]步骤5.4:判断是否存在故障设备，如果是，跳转至步骤3 ;否则，跳转至5.2。
[0107]如图4所示，为本发明具体实施例2所述的一种双网络耦合结构协同仿真系统，包括系统仿真模块I和网络仿真模块2 ；
[0108]所述系统仿真模块I根据所要仿真的传输网络拓扑结构，确定网络仿真模块的规模及节点通信关系，建立网络仿真模块2 ;
[0109]所述系统仿真模块I中包括多个设备，所述多个设备将运行状态发送至网络仿真模块中的对应节点；
[0110]所述网络仿真模块2中的节点同步对应设备的状态，并根据系统仿真模块I中的设备故障发出告警信息，并将未及时收到告警信息的节点集合和对应存在故障的设备的源节点信息发送系统仿真模块I ;
[0111]所述系统仿真模块I判断是否存在未及时收到告警信息的节点，如果是，接收设备最大负载值，重新计算潮流值，确定系统仿真模块I中的设备状态；否则，移除初始故障设备，重新计算潮流值，确定系统仿真模块I中的设备状态；并将稳态的系统仿真模块I中的多个设备的运行状态输出给用户。
[0112]所述系统仿真模块I向网络仿真模块输入仿真网络的节点数、预设的告警信息传播时延、预设的消息传输成功率和预设的传输成功消息所需传输时延的分布。
[0113]由系统仿真模块I向网络仿真模块2输入仿真网络的节点数；告警信息传播时延，即告警消息只有在指定时间内到达节点才被视为有效的，任何超过时延的消息投递都会因消息错过最佳控制时间而被视为无效消息；消息传输成功率，从而使通信网络仿真模块可以以指定概率确定每次消息传输是否成功；传输成功消息所需传输时延的分布，确定投递成功的消息是否超过传输时延，如果超过，则依然是不成功的投递。
[0114]所述网络仿真模块2包括源节点处理模块21、传输模块22、成功选取模块23、判断模块24、节点处理模块25和输出模块26 ；[0115]所述源节点处理模块21将对应设备存在故障的一个节点作为源节点；
[0116]所述传输模块22根据源节点的节点度将告警信息发送到相关联的目标节点；
[0117]所述成功选取模块23根据消息传输成功率随机从目标节点中选取成功节点；
[0118]所述判断模块24用于判断传输告警信息的时间是否大于告警信息传播时延，如果是，将所述目标节点添加到未及时收到告警信息集合，并将未及时收到告警信息集合发送至输出模块26 ;否则，将发送成功的成功节点按照传输时间从小到大排序存入消息传输事件列表，并将消息传输事件列表发送至节点处理模块25 ；
[0119]所述节点处理模块25按顺序取消息传输事件列表中的每个成功节点，将此成功节点作为源节点，并将源节点的告警信息发至传输模块22，直至达到了预设的节点传输时间；
[0120]所述输出模块26将未及时收到告警信息集合和初始源节点发送至系统仿真模块
Ιο
[0121]节点度是指和该节点相关联的边的条数，即与该节点相连接的节点个数。
[0122]所述系统仿真模块1包括系统判断模块11和负载接收模块12 ；
[0123]所述系统判断模块11用于判断未及时收到告警信息集合是否为空，如果是，移除源节点对应的设备潮流状态，输出系统仿真模块1当前潮流状态，重新计算潮流值；否则，固定未及时收到告警信息集合中节点的潮流值并发送到负载接收模块12 ；
[0124]所述负载接收模块12接收外部输入的多个设备的最大负载量和系统判断模块发送的节点的潮流值，重新计算潮流值。
[0125]仿真框架包括两个子模块，电力系统仿真模块和电力通信网络仿真模块。两个模块分别用来仿真双网络中的电力传输网络和电力通信网络。概括来说，两个模块之间有三种交互。首先，在框架建立之初，电力系统仿真模块首先形成所要仿真的电力传输网络，之后根据电力传输网络拓扑确定电力通信网络的网络规模以及节点通信关系。在此之后的两种交互体现了双网络耦合结构下，两个网络的交互影响的行为。一方面，电力系统中电力设备将当前设备运行状态情况(包括电流、电压、相位等)报送给电力通信网络中对应的节点，节点判断是否存在设备故障。如果存在故障则开始启动告警信息的发送过程，并把消息传输的最终状态反馈给电力系统仿真模块。电力系统根据告警信息投递成功与否确定下一轮迭代中设备应该采取的动作:如果某个设备正常收到告警信息，则在下一轮电力系统运算时则进行相应的处理，如降低电压，电流等故障恢复动作；如果某个设备没有收到告警信息，则意味着在下一轮电力系统运算中不会对故障进行处理，仍然保持原有的设备状态。由此，根据通信网络的告警信息投递状态，电力系统确定下一轮运算的初始条件，再将运算结果通知电力网络仿真模块，形成闭环循环迭代。迭代结束时，仿真框架将最终输出新的系统稳态状态，即电网中新的电流、电压、相角参数等。
[0126]以下分通信网络、电力网络两部分介绍所发明的协同仿真框架。
[0127]1.通信网络仿真工具包(网络仿真模块)
[0128]如前所述，通信网络仿真希望能够屏蔽具体的协议和机制，S卩，不关心具体消息传输过程的细节，只关心信息传输成功率的统计特性。因此在仿真工具包的选择上没有普遍使用的工具，如NS2,0MNeT++等，而是选择用于复杂网络分析的NetworkX[l]。NetworkX是一种用于研究网络结构、变化的Python软件包。[0129]基于NetworkX提供的网络生成方法，将电力设备上挂载的IED看做通信节点，而与该通信节点有通信联系的链接均被看做点与点之间的边。之后根据电网节点之间的通信关系确定仿真场景中节点的度分布(即，一个节点周围邻居节点的个数)，从而根据节点的度分布函数生成通信网络。
[0130]2.电力网络仿真工具包(系统仿真模块)
[0131]在选择电力网络仿真工具包时遵循两个原则，首先是能够运行以潮流计算为基础的电网系统稳态分析；其次是与通信网络的NetworkX工具包具有一定的兼容性。依据这两个原则，选取PYP0WER[2]作为电力网络仿真工具包。
[0132]一方面，PYPOffER完全继承了潮流计算领域最流行的Matpower [3]软件包在电力系统稳态分析上的计算能力；另一方面，由于PYP0WER使用Python语言开发，与同样是基于Python语言编程实现的NetworkX软件包易于实现系统集成。
[0133]电力网络的生成方法有两类:第一类，PYP0WER可以直接读取电网系统通用的IEEE Test Case作为测试用例，从而导入相应的电网拓扑；第二类，作为Matpower的Python版本，PYP0WER完全保持了 Matpower对于导入的电力系统的数据描述方法。用户可以按照PYP0WER接收的数据格式要求，将定制化的电力系统进行描述，之后载入PYP0WER进行相应的系统潮流分析。
[0134]同时，由于通信网络(由挂载的IED组成)的节点与电网系统的电力设备 对应，因此在仿真框架中，载入了电力网络也同时确定了通信网络的节点数量。至于通信网络的拓扑，则又通信网络仿真工具包NetworkX根据节点之间的度分布生成。
[0135]双网络耦合系统仿真过程
[0136]双网络耦合结构的仿真过程体现在两种场景下:系统正常运行状态，系统故障运行状态。
[0137]①系统正常运行状态。在系统正常运行状态，通信网络只是周期性的采集电力电子设备参数，因而在通信网络中出现的是周期性的网络流量。由于在这种监测场景中没有任何设备控制动作，因而即便出现通信网络传输失败对系统稳定性也没有任何影响。故系统的正常运行状态不在本框架的仿真场景范围内。
[0138]②系统故障运行状态。与系统正常运行状态不同，系统故障运行状态时电网系统要根据通信系统的指令完成各种控制动作，因此故障状态中的系统行为才最能反映双网络耦合结构的系统性能，进而体现整个耦合双网络结构的系统可靠性。本仿真框架的重点也是在完成对系统故障状态的模拟。
[0139]系统出现故障可能有两种情况，一种是故障首先发生在电力设备上，之后设备告警信息在通信网络中传输；另一种是故障肇始于通信网络的传输失败(传输时延超过阈值，或者信道故障)，导致电力设备由于没有受到动作命令而无法协调一致。不失一般性的，在接下来的仿真算法设计中，假设故障首先发生在电力网络中。电力设备故障将首先被电力设备上附带的IED所捕获，之后该IED按照之前设定的消息传输路径在通信网络首先发起告警信息传播。
[0140]具体的故障情况下通信网络与电力网络的仿真算法如下表1，表2所示。
[0141]根据表I所示的算法，仿真步骤如下:
[0142]1.生成待仿真的电力系统。电力系统生成方法有两类，第一类，PYP0WER可以直接读取电网系统通用的IEEE Test Case作为测试用例，从而导入相应的电网拓扑；第二类，用户可以按照PYPOWER定义的电力数据格式，将待仿真的电力系统进行描述，之后载入PYPOWER进行电力系统构建。
[0143]2.对应1生成的电力系统构建电力通信网络。在生成对应的电力通信网络时，需要输入四个变量:
[0144]a.由电力系统仿真模块向电力网络仿真模块输入仿真网络的节点数；
[0145]b.告警信息传播时延，即告警消息只有在指定时间内到达节点才被视为有效的，任何超过时延的消息投递都会因消息错过最佳控制时间而被视为无效消息；
[0146]c.每次消息投递的成功率，从而使通信网络仿真模块可以以指定概率确定每次消息传输是否成功；
[0147]d.投递成功消息所需传输时延的分布，确定投递成功的消息是否超过传输时延，如果超过，则依然是不成功的投递。
[0148]3.通信网络模块进入告警信息迭代过程。电力通信网络仿真模块所示:
[0149]a、从网络中任意取出第一个告警源，根据告警源的节点度确定第一次告警信息投递的目标，并根据告警信息传输成功率从投递目标中随机选取发送成功的节点；
[0150]b、根据投递成功消息的传输时延分布随机生成发送成功节点收到告警消息所用时间，并将其按时间先后顺序放入消息传输事件列表；
[0151]c、在当前时间小于告警传播时延的条件下，依次弹出与当前时间点最近的消息传输，并将该消息传输的节点作为告警源，重复生成以该节点为告警源的消息投递序列，也依时间顺序加入消息传输事件列表，迭代重复a、b、c，直至到达告警传播时延，告警传播时延由用户自行输入；
[0152]d、当到达告警传播时延，至此则表示告警消息传输过程全部完成，仿真模块输出收到告警信息的节点集，和未及时收到告警信息的节点集。
[0153]表1通信网络告警信息传递算法
[0154]
【权利要求】
1.一种双网络耦合结构协同仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤:步骤1:构建系统仿真模块；步骤2:系统仿真模块根据所要仿真的传输网络拓扑结构，确定网络仿真模块的规模及节点通信关系，建立网络仿真模块；步骤3:系统仿真模块中的多个设备将运行状态发送至网络仿真模块中的对应节点；步骤4:通过网络仿真模块中的节点状态判断系统仿真模块中的对应设备是否存在故障，如果是，发送未及时收到告警信息的节点集合和对应存在故障的设备的源节点信息至系统仿真模块，进行步骤5 ;否则，进行步骤6 ；步骤5:系统仿真模块判断是否存在未及时收到告警信息的节点，如果是，接收设备最大负载值，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态，跳转至步骤3 ;否则，移除初始故障设备，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态；步骤6:输出稳态的系统仿真模块中的多个设备的运行状态给用户。
2.根据权利要求1所述的一种双网络耦合结构协同仿真方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3之间还存在步骤2.5 ；步骤2.5:系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数、预设的告警信息传播时延、预设的消息传输成功率和预设的传输成功消息所需传输时延的分布。
3.根据权利要求2或3所述的一种双网络耦合结构协同仿真方法，其特征在于，所述步骤4中发送告警信息至系统仿真模块中的对应设备具体包括以下步骤:步骤4.1:网络仿真模块中`的对应设备存在故障的一个节点作为源节点；步骤4.2:根据源节点的节点度将告警信息发送到相关联的目标节点；步骤4.3:根据消息传输成功率随机从目标节点中选取成功节点；步骤4.4:判断传输告警信息的时间是否大于告警信息传播时延，如果是，进行步骤4.7;否则，进行步骤4.5;步骤4.5:将发送成功的成功节点按照传输时间从小到大排序存入消息传输事件列表;步骤4.6:判断是否达到了预设的节点传输时间，如果是，进行步骤4.7 ;否则，按顺序取消息传输事件列表中的一个成功节点，将此成功节点作为源节点，跳转至步骤4.2 ；步骤4.7:将所述目标节点添加到未及时收到告警信息集合；步骤4.8:网络仿真模块将未及时收到告警信息集合和步骤4.1中的源节点发送至系统仿真模块。
4.根据权利要求3所述的一种双网络耦合结构协同仿真方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤:步骤5.1:判断未及时收到告警信息集合是否为空，如果是，移除源节点对应的设备潮流状态，进行步骤5.2 ;否则，进行步骤5.3 ；步骤5.2:输出系统仿真模块当前潮流状态，重新计算潮流值；步骤5.3:固定未及时收到告警信息集合中节点的潮流值，接收外部输入的多个设备的最大负载量，重新计算潮流值；步骤5.4:判断是否存在故障设备，如果是，跳转至步骤3 ;否则，跳转至5.2。
5.—种双网络耦合结构协同仿真系统，包括系统仿真模块和网络仿真模块；所述系统仿真模块根据所要仿真的传输网络拓扑结构，确定网络仿真模块的规模及节点通信关系，建立网络仿真模块； 所述系统仿真模块中包括多个设备，所述多个设备将运行状态发送至网络仿真模块中的对应节点； 所述网络仿真模块中的节点同步对应设备的状态，并根据系统仿真模块中的设备故障发出告警信息，并将未及时收到告警信息的节点集合和对应存在故障的设备的源节点信息发送系统仿真模块； 所述系统仿真模块判断是否存在未及时收到告警信息的节点，如果是，接收设备最大负载值，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态；否则，移除初始故障设备，重新计算潮流值，确定系统仿真模块中的设备状态；并将稳态的系统仿真模块中的多个设备的运行状态输出给用户。
6.根据权利要求5所述的一种双网络耦合结构协同仿真系统，其特征在于，所述系统仿真模块向网络仿真模块输入仿真网络的节点数、预设的告警信息传播时延、预设的消息传输成功率和预设的传输成功消息所需传输时延的分布。
7.根据权利要求5或6所述的一种双网络耦合结构协同仿真系统，其特征在于，所述网络仿真模块包括源节点处理模块、传输模块、成功选取模块、判断模块、节点处理模块和输出丰吴块； 所述源节点处理模块将对应设备存在故障的一个节点作为源节点； 所述传输模块根据源节点的节点度将告警信息发送到相关联的目标节点； 所述成功选取模块根据消息传输成功率随机从目标节点中选取成功节点； 所述判断模块用于判断传输告警信息的时间是否大于告警信息传播时延，如果是，将所述目标节点添加到未及时收到告警信息集合，并将未及时收到告警信息集合发送至输出模块；否则，将发送成功的成功节点按照传输时间从小到大排序存入消息传输事件列表，并将消息传输事件列表发送至节点处理模块； 所述节点处理模块按顺序取消息传输事件列表中的每个成功节点，将此成功节点作为源节点，并将源节点的告警信息发至传输模块，直至达到了预设的节点传输时间； 所述输出模块将未及时收到告警信息集合和初始源节点发送至系统仿真模块。
8.根据权利要求7所述的一种双网络耦合结构协同仿真系统，其特征在于，所述系统仿真模块包括系统判断模块和负载接收模块； 所述系统判断模块用于判断未及时收到告警信息集合是否为空，如果是，移除源节点对应的设备潮流状态，输出系统仿真模块当前潮流状态，重新计算潮流值；否则，固定未及时收到告警信息集合中节点的潮流值并发送到负载接收模块； 所述负载接收模块接收外部输入的多个设备的最大负载量和系统判断模块发送的节点的潮流值，重新计算潮流值。
【文档编号】G06F9/455GK103729232SQ201310680486
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】芦翔, 孙利民, 朱红松, 周新运, 吕世超, 潘磊 申请人:中国科学院信息工程研究所