本发明涉及电力系统仿真领域，尤其涉及一种配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模方法。
背景技术：
在配电网快速建设过程中，随着随机性、间歇性和波动性的可再生能源的不断接入，智能柔性负荷和电动汽车不断普及，“源-网-荷”柔性互动运行模式的不断应用以及数字化和信息化水平日益提高，配电网中能量流和信息流交互影响愈加频繁，能量系统与信息系统的耦合程度也越加紧密，传统的配电系统正逐渐演变为由信息系统和物理系统构成的“二元复合系统”，即信息物理融合系统(cyberphysicalsystem，cps)。
配电网cps的核心特征是信息系统与物理电网间的深度交互影响，电网中的能量流和信息流共同决定着配电系统的功能和行为特征，无论是电力系统本身，还是通信系统发生故障，都可能导致整个耦合网络的崩溃。因此，要提高其规划设计的科学性和合理性、提升其运行管理水平，就必须能够全面、准确地理解配电网信息物理系统的行为特性，并能定量分析能量流和信息流的耦合机理、相互作用及发展态势。
目前，配电网的信息化、自动化和智能化发展依赖于全面准确的仿真模拟数据。在配电网信息物理系统环境中，需要以物理电网和信息系统的动态交互过程、多运行状态转变特性等内容为研究目标，因此除了动态、静态、电能质量等传统仿真内容外，还需要开展通信系统与物理电网动态交互影响，配电网故障、设备投切、信息通信系统瘫痪、通信系统拥塞、信息延迟及丢包等各类事件触发引起的配电运行状态转换和区域连锁反应等仿真内容，以实现从不同角度衡量配电网信息物理系统的运行特征。
现有的配电网仿真工具，如psasp，为三层体系结构，第一层为公用数据和模型的资源库，第二层为基于资源库的应用程序包，第三层为计算结果库和分析工具，由于其第二层的应用程序包较为固定，因此其所能进行的仿真内容是固定的，其中只包含物理电网的仿真内容，无法进行信息系统的仿真，而针对特定的仿真目标，其所使用的特征指标和计算模型也是固定的，因此，现有配电网仿真工具无法满足配电网信息物理系统环境下复杂且多样的仿真需求。针对此情况，本发明提出面向主题(或目标)的配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模技术，该技术在配电网综合数据模型基础上，通过图形化建模操作实现主题图的物理元素静态模型、可视化图元(曲线、表格、饼图等)与特征指标、计算模型的关联，并以多样化主题展示界面的方式可视化展现各类仿真数据和仿真过程。该技术解决了配电网信息物理系统仿真过程中动态仿真数据、多种配网运行状态、配电网络及通信网络的多维度可视化展现问题，为实现后续仿真结果数据的分析与可视化展示奠定了基础。
现有配电网仿真过程建模技术的缺点如下：
1)现有技术所能进行的仿真内容是固定的，只能进行物理电网的仿真，不具备对信息系统进行仿真的能力，因此无法全面、准确、深入的分析配电网信息物理系统的行为特性；
2)针对特定的仿真目标，现有技术采用的特征指标和计算模型均是固定的，无法自由选择和配置所需要的特征指标，也无法制定和配置精细化的计算模型，导致仿真数据和仿真过程的展示缺乏灵活性和多样性，因此，现有技术无法为在配电网信息物理系统环境下进行复杂且多样的仿真提供支撑；
3)现有技术不具备多窗口主题展示、多窗口数据协同联动、主题展现方式的配置能力，因此其不具备以可视化的方式直观的展现配电网信息物理系统复杂的仿真数据和仿真过程的能力。
技术实现要素：
针对背景技术中的问题，本发明的目的在于：
1)提供进行信息系统仿真所需的各类元素，从而使仿真工具具备对信息系统进行仿真的能力，以全面、准确、深入的分析配电网信息物理系统的行为特性；
2)提供针对仿真目标，自由选择和配置配电网的特征指标及计算模型的方法、步骤和流程，提高仿真过程可视化模型建立的灵活性和多样性，以满足配电网信息物理系统环境下复杂且多样的仿真需求；
3)提出基于主题的多态可视化界面展现模型，使仿真数据和仿真过程的展现方式更加灵活、直观，实现配电网信息物理系统多运行状态转换、配电网信息物理系统区域连锁反应及信息系统与物理电网动态交互影响过程等复杂研究内容的仿真数据和仿真过程的可视化展现。
为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模方法，其特征在于，
所述方法包括如下步骤：
(1)仿真目标的确定：根据业务需求确定仿真实验的主题和仿真的目标；
(2)信息系统和物理电网图形窗口建模；
(3)特征指标及计算模型配置；
(4)实时数据库、历史数据库配置：配置特征指标数据和计算模型计算结果数据的数据id，数据id是一个正整数，用以在实时数据库及历史数据库中表征一个特征指标数据或计算结果数据；配置历史数据库中需要存储的数据及存储时间粒度；
(5)主题图的构建和配置：对特征指标和计算模型输出结果的可视化展现方式进行配置，并将特征指标和计算模型输出结果关联到步骤(2)中建立的信息系统模型和物理电网模型上，从而形成多个主题图；
(6)实时数据驱动多态可视化展现：将步骤(5)中配置好的多个主题图组合成多子窗口的多主题展现界面，在仿真过程中由仿真计算的实时数据来驱动；
(7)历史数据驱动主题图回演：多主题展现界面以历史仿真数据为驱动，针对不同主题图进行回演。
进一步地，在步骤(2)中，图形窗口建模的具体步骤如下：
(2.1)根据该图形窗口所要展现的内容，从模型库中确定和选择相应的物理元素静态模型；
(2.2)根据该图形窗口的展现目标和物理元素静态模型所代表设备的特性，分别对选择的各个物理元素静态模型的参数进行配置；同时，物理元素静态模型参数将存入模型数据库；
(2.3)对物理元素静态模型在窗口中的位置进行布局，并建立和配置连接网络；同时，连接网络参数将存入模型数据库；至此，一个图形窗口建模完成。
进一步地，在所述步骤(2.1)中，信息系统的物理元素静态模型包括：自动化终端和通信设备；所述自动化终端包括dtu、ftu、rtu、ttu；所述通信设备包括sdh/mstp、交换机、epon、pcm；
物理电网的物理元素静态模型包括：传统的电力一次设备模型、分布式新能源设备模型和电力二次设备模型；所述传统的电力一次设备模型包括发电机、变压器、开关刀闸、负荷；所述分布式新能源设备模型包括风机电站、光伏电站、大容量储能电池系统；所述电力二次设备模型包括熔断器、继电器、控制开关、电压表、电流表。
进一步地，步骤(3)包括如下步骤：
(3.1)针对仿真目标，从特征指标库中选择该仿真实验所需的配电网信息物理系统特征指标，即指定为达到此次仿真实验目的，需要重点关注的特征指标数据，并对选择的特征指标的属性进行配置，特征指标及其属性都将存入模型数据库；
(3.2)针对仿真目标，自定义创建配电网信息物理系统计算模型，创建的计算模型将存入模型数据库；
(3.3)将特征指标和计算模型进行绑定；仿真过程中，计算模型的输入数据来自于特征指标数据，通过计算模型对特征指标数据进行计算得到输出结果，输出结果将存入实时数据库。
进一步地，在步骤(3.1)中，特征指标的属性包括：数据类型、数据单位、数据格式、阈值、采集间隔、筛选方法、触发事件。
进一步地，在步骤(3.2)中，计算模型包括两类：第一类为配电网信息物理系统状态计算模型，该模型通过数学公式定义了配电网信息物理系统不同运行状态的量化标准；第二类为配电网信息物理系统数据计算模型，该模型通过数学公式定义了额外的数据计算方式。
进一步地，步骤(5)包括如下步骤：
(5.1)依据个人偏好、特征指标数据和计算模型计算结果数据所代表的含义及其在整个仿真过程中的作用，为不同的特征指标和计算模型输出结果配置不同的可视化展现图元，或者为同一个特征指标和计算模型输出结果配置多种可视化展现图元，以实现在仿真过程中使特征指标和计算模型输出结果可视化；
(5.2)配置四方面的关联关系，包括特征指标同信息系统模型的关联关系，特征指标同物理电网模型的关联关系，计算模型同信息系统模型的关联关系，计算模型同物理电网模型的关联关系，以实现可视化展现图元和物理元素静态模型在仿真过程中的联动；同时，配置特征指标同可视化展现图元的颜色及外形的映射关系，特征指标同物理元素静态模型的颜色及外形的映射关系，计算模型输出结果同可视化展现图元的颜色及外形的映射关系，计算模型输出结果同物理元素静态模型的颜色及外形的映射关系，以实现不同数据值下使用不同的展现方式来表现数据的特征及物理元素静态模型的信息；
(5.3)将配置好的可视化展现图元分别放入到信息系统模型和物理电网模型的多个图形窗口中，形成多个主题图，对主题图中各元素的布局进行统一配置。
进一步地，在步骤(5.1)中，可视化展现图元包括：饼图、柱形图、气泡图、面积曲线、趋势曲线、仪表盘、雷达图、甘特图和信息表格。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模方法，解决配电网信息物理系统仿真过程中动态仿真数据、多种配网运行状态、配电网络及通信网络的多维度可视化展现问题，从而实现配电网信息物理系统多运行状态转换、配电网信息物理系统区域连锁反应及信息系统与物理电网动态交互影响过程等研究内容的可视化仿真，以满足配电网信息物理系统环境下复杂且多样的仿真需求。
具体如下：
1)本发明技术为仿真工具提供了对配电网信息系统进行仿真的能力，结合对物理电网的仿真，可以全面、准确、深入的分析配电网信息物理系统的行为特性；
2)本发明技术方案实现了仿真目标和特征指标的自由选取，特征指标和计算模型的灵活配置，具有灵活性和多样性的特点，可以满足配电网信息物理系统环境下复杂且多样的仿真需求；
3)本发明技术方案可对可视化图元、主题图可视化展现方式进行配置，利用多窗口自动布局、多窗口数据协同联动等技术，使仿真数据和仿真过程的展现方式更加灵活、直观，能够高效展示配电网信息物理系统仿真数据和仿真过程的内在本质及各仿真主题间的相互关系；
4)本发明技术方案可实现配电网信息物理系统多运行状态转换、配电网信息物理系统区域连锁反应及信息系统与物理电网动态交互影响过程等复杂研究内容的可视化仿真，可定量分析能量流和信息流的耦合机理、相互作用及发展态势，对提高配电网信息物理系统的运行效率和可靠性有重要意义。
附图说明
图1是配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模方法的流程示意图。
图2是实时数据库存储结构图。
图3是历史数据库存储结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施方式仅供叙述而并非用来限定本发明的范围或实施原则，本发明的保护范围仍以权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。
配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模技术是配电网信息物理系统仿真工具实现仿真数据、仿真过程、仿真结果可视化展示的建模基础，因此，该技术的提出对配电网信息物理系统仿真工具的研发具有重要意义。
配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模技术原理：
配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模技术通过多窗口主题展示、人机交互、多窗口自动布局、多窗口数据协同联动等技术，以多主题展现界面的方式集成显示实验人员所关注的各类仿真数据、仿真过程和仿真结果。
该技术的原理是：首先，仿真实验人员针对选定的仿真目标，分别为配电网信息系统和物理电网选择相应的物理元素静态模型，并配置物理元素静态模型的属性及连接网络，形成信息系统模型和物理电网模型，两种模型中均可包含多个图形窗口，然后，选取和配置所需要的特征指标及计算模型，并将信息系统模型和物理电网模型同选定的特征指标和计算模型相关联，形成多个主题图，使展示数据的来源以及展现方式变的多样化，最后，通过仿真过程中计算的实时数据来驱动，使多个主题图协同联动，成为多主题展示界面，实现多态可视化展示效果，以满足配电网信息物理系统多运行状态转换、配电网信息物理系统区域连锁反应以及信息系统与物理电网交互影响过程等复杂研究内容的可视化仿真需求。
配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模技术方案：
根据配电网信息物理系统仿真过程多态可视化建模技术的原理，设计其具体的步骤、流程及其技术方案，如图1所示。
该方案具体流程如下：
(1)仿真目标的确定
仿真实验人员根据业务需求确定仿真实验的主题和仿真的目标，如配网电压暂降现象仿真、配网动态无功电压控制仿真、物理配电网系统与信息通信系统交互影响过程仿真等。
(2)信息系统和物理电网图形窗口建模
信息系统和物理电网图形窗口建模是指根据仿真目标，利用“图形编辑与浏览集成工具”，通过图库模一体化技术进行配电网信息系统和物理电网仿真模型的图形化构建，形成信息系统模型和物理电网模型；信息系统模型是信息通信设备及其连接网络的模型，物理电网模型是电网电气设备及其连接网络的模型，两种模型中均可包含多个图形窗口，以实现复杂的仿真目标。以一个图形窗口为例，具体建模方法如下：
首先，根据此图形窗口所要展现的内容，从模型库中确定和选择相应的物理元素静态模型，信息系统的物理元素静态模型包括：自动化终端(dtu、ftu、rtu、ttu等)和通信设备(sdh/mstp、交换机、epon、pcm等)，物理电网的物理元素静态模型包括：传统的电力一次设备模型(发电机、变压器、开关刀闸、负荷等)、分布式新能源设备模型(风机电站、光伏电站、大容量储能电池系统等)和电力二次设备模型(熔断器、继电器、控制开关、电压表、电流表等)。
然后，根据此图形窗口的展现目标和物理元素静态模型所代表设备的特性，分别对选择的各个物理元素静态模型的参数进行配置；同时，物理元素静态模型参数将存入模型数据库。
最后，对物理元素静态模型在窗口中的位置进行布局，并建立和配置连接网络；同时，连接网络参数将存入模型数据库；至此，一个图形窗口建模完成。
根据仿真目标的需求，可分别为信息系统模型和物理电网模型建立多个图形窗口，这些图形窗口联合在一起，为后续展现配电网信息系统和物理系统多样化的仿真数据和仿真过程奠定了图形基础，可实现复杂的仿真目标。
(3)特征指标及计算模型配置
特征指标及计算模型配置包含三方面内容，具体如下：
第一，针对仿真目标，从特征指标库中选择该仿真实验所需的配电网信息物理系统特征指标，即指定为达到此次仿真实验目的，需要重点关注的特征指标数据，并对选择的特征指标的属性进行配置，特征指标及其属性都将存入模型数据库。比如，为研究配网的电压暂降现象，可选择母线的电压波动幅度、节点电压、节点电压越限事件等指标，为研究通信网络性能，可选择传输时延、丢包率等指标。
特征指标库中包含的配电网信息物理系统特征指标见下表：
表格1配电网信息物理系统特征指标
特征指标的属性包括：数据类型、数据单位、数据格式、阈值、采集间隔、筛选方法、触发事件。
第二，针对仿真目标，自定义创建配电网信息物理系统计算模型，仿真实验人员可根据需要自定义多个计算模型以实现仿真目标，创建的计算模型将存入模型数据库。计算模型包括两类：
第一类为配电网信息物理系统状态计算模型，该模型通过数学公式定义了配电网信息物理系统不同运行状态的量化标准；仿真实验人员可通过状态计算模型自定义多种配电网仿真运行状态，多态可视化系统根据状态计算模型的计算结果，区分配电网的不同运行状态，并为不同运行状态设置不同的可视化展现方式来实现多状态仿真过程的多态可视化；
第二类为配电网信息物理系统数据计算模型，该模型通过数学公式定义了额外的数据计算方式；仿真实验人员可通过数据计算模型自定义多种表征配电网信息物理系统某方面信息的数据指标，并为这些数据指标配置不同的可视化展现方式以实现对配电网信息物理系统复杂特性的深入分析。
第三，将特征指标和计算模型进行绑定；仿真过程中，计算模型的输入数据来自于特征指标数据，通过计算模型对特征指标数据进行计算得到输出结果，输出结果将存入实时数据库。
(4)实时数据库、历史数据库配置
配置特征指标数据和计算模型计算结果数据的数据id，数据id是一个正整数，用以在实时数据库及历史数据库中表征一个特征指标数据或计算结果数据；配置历史数据库中需要存储的数据及存储时间粒度；实时数据库和历史数据库的存储结构如图2和图3所示。
(5)主题图的构建和配置
主题图的构建和配置是对特征指标和计算模型输出结果的可视化展现方式进行配置，并将特征指标和计算模型输出结果关联到步骤(2)中建立的信息系统模型和物理电网模型上，从而形成多个主题图，以展现配电网信息系统和物理系统多样化的仿真数据和仿真过程。
主题图的构建和配置包括三方面内容，具体如下：
第一，为了在仿真过程中使特征指标和计算模型输出结果可视化，仿真实验人员可依据个人偏好、特征指标数据和计算模型计算结果数据所代表的含义及其整个仿真过程中的作用，为不同的特征指标和计算模型输出结果配置不同的可视化展现图元，也可为同一个特征指标和计算模型输出结果配置多种可视化展现图元。可视化展现图元包括：饼图、柱形图、气泡图、面积曲线、趋势曲线、仪表盘、雷达图、甘特图和信息表格。比如，将柱状图关联到母线、线路、变压器等电气设备的过电压指标，运用饼状图显示通信设备的发送/接收队列空闲长度，使用趋势曲线显示节点电压和节点功率。
第二，配置四方面的关联关系，包括特征指标同信息系统模型的关联关系，特征指标同物理电网模型的关联关系，计算模型同信息系统模型的关联关系，计算模型同物理电网模型的关联关系，从而实现可视化展现图元和物理元素静态模型在仿真过程中的联动；同时，配置特征指标同可视化展现图元的颜色及外形的映射关系，特征指标同物理元素静态模型的颜色及外形的映射关系，计算模型输出结果同可视化展现图元的颜色及外形的映射关系，计算模型输出结果同物理元素静态模型的颜色及外形的映射关系，以实现不同数据值下使用不同的展现方式来表现数据的特征及物理元素静态模型的信息。
第三，将配置好的可视化展现图元放入到信息系统模型和物理电网模型的多个图形窗口中，形成多个主题图，仿真实验人员可对主题图中各元素的布局进行统一配置，从而使主题图即美观又直观。
(6)实时数据驱动多态可视化展现
将前面步骤配置好的多个主题图组合成多子窗口的多主题展现界面，在仿真过程中由仿真计算的实时数据(特征指标和计算模型输出结果)来驱动，并通过窗口灵活布局、窗口联动等技术手段提升可视化展现的效果，实现信息系统与物理电网动态交互影响过程等复杂研究内容的可视化仿真。多态可视化展示界面中的主题图依据配电网信息物理系统状态计算模型计算出的不同结果来判断配电网所处的运行状态，然后根据配电网所处的运行状态将主题图上的特征指标以特定的可视化方式来展现，此时，主题图成为多态可视化主题图，以可视化配电网信息物理系统多区域的不同状态、状态的转换过程以及连锁反应关系。
(7)历史数据驱动主题图回演
仿真过程中对步骤(4)配置的需要存储的数据按时间点进行存储，形成历史仿真数据；多主题展现界面以历史仿真数据为驱动，针对不同主题图进行回演，实现仿真数据和仿真过程的可视化回顾播放。