一种灵活的分布式电网和通信网联合仿真平台及仿真方法与流程

本发明涉及电网通信联合仿真领域，涉及电网、电力通信网以及电力应用三者间的协同仿真研究，该发明可用于模拟实际中电力控制自动化过程，以提高电网通信网交互影响分析效率及电力控制策略制定的精准性。

背景技术：

电力通信网络故障会对电力系统造成严重影响，可能造成连锁故障，以致大面积停电，国外已有多起案例，迫切需要对由电力网络、通信网络和电力控制构成的电力信息物理融合系统进行研究，以找到合适的应对措施。通过仿真研究电网与通信网的交互影响是比较直观的研究方式，但需要一套合适的仿真工具。若将通信网络模型集成到电网仿真模型中，则需抛弃现有的电网仿真软件，重新开发一套考虑通信网络影响的电网仿真软件，这将耗费大量的人力和物力，显然不太现实，因此各学者都将注意力集中到利用现有的电网仿真软件和通信网仿真软件搭建电网和通信网的联合仿真平台，实现电网和通信网的交互影响仿真分析。大多的研究通过开发信息交互接口将电网和通信网仿真工具直接连接进行联合仿真，然而这样的接口设计只能针对特定的电网仿真工具和通信网仿真工具，当其中一种工具发生变化，接口就要重新开发，如果电网仿真工具需要适应N个具有不同信息交互接口类型的通信网仿真工具，就得开发N个接口适应这N个通信网仿真工具，这同样需要消耗大量的精力。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明基于电力信息物理融合系统的特征及仿真需求提供了一种灵活的分布式电网和通信网联合仿真平台及仿真方法，采用如下技术方案：

一种灵活的分布式电网和通信网联合仿真平台由联合仿真控制台、软总线服务器、中间件及仿真模块；仿真模块包括电网仿真模块、通信网仿真模块以及电力应用仿真模块（以上仿真模块可以采用相应的仿真软件或者程序模块），联合仿真控制台与仿真模块之间以及电网仿真模块、通信网仿真模块、电力应用仿真模块之间均通过软总线服务器通信；电网仿真模块、通信网仿真模块以及电力应用仿真模块与软总线服务器之间通过中间件通信。

所述联合仿真控制台包括联合仿真控制人机交互界面、同步控制模块和总线通信接口。联合仿真控制人机交互界面接收人工操作输入，配置联合仿真初始化参数，一键初始化并启动电网仿真软件、通信网仿真软件和电力应用仿真软件；同步控制模块基于事件同步方式协同电网仿真、通信网仿真和电力应用仿真。

所述软总线服务器包括消息中心和基于Socket的网络通信接口。基于Socket的网络通信接口负责软总线服务器与联合仿真控制台及各中间件（不同的仿真软件各启动一个中间件）的消息交互；消息中心包括消息接收模块、接收消息队列、消息调度模块、发送消息队列和消息发送模块，负责调度处理由各中间件和联合仿真控制台发送到软总线服务器上的消息。

所述中间件为动态中间件（即该中间件包括两种调用接口，固定接口和灵活配置接口），包括总线通信接口和仿真软件调用接口（仿真软件调用接口是用来实现中间件跟仿真软件的互通，中间件通过该接口将外界信息传送给仿真软件并将仿真软件的信息传送到外界）。总线通信接口传递仿真软件与软总线服务器间的交互信息；仿真软件调用接口灵活匹配仿真软件，基于C++语言采用固定接口和灵活配置接口两种实现方式，具有统一的事件处理函数，固定接口实现方式基于Socket通信技术并已集成在中间件上（该固定接口是针对无法通过仿真软件的API接口来控制仿真软件运行的一类仿真软件，此时就通过socket通信技术实现中间件与仿真软件的互通），灵活配置接口实现方式基于仿真软件对外接口技术且由用户根据需求基于统一的事件处理函数自行开发（灵活配置接口是针对通过仿真软件的API接口可从外部控制仿真软件运行的一类仿真软件，基于仿真软件的API接口实现上文所述的统一的事件处理函数，实现中间件与不同仿真软件的灵活配对）。

所述的同步控制模块基于事件同步方式协同电网仿真、通信网仿真和电力应用仿真的机制为：

（1）联合仿真初始化前，以电网仿真时间轴作为联合仿真的时间轴，以电力控制周期为时间步长，将电网的连续时间仿真分割为N个电网仿真事件；

（2）联合仿真初始化前，在联合仿真控制台上基于联合仿真时间轴设置通信网仿真事件；

（3）联合仿真初始化前，分析要仿真的电力应用，将电力应用仿真过程分割为开始电力控制计算和电力控制计算结束两个事件；

（4）联合仿真初始化时，根据时间先后关系，将上述事件进行排序，形成联合仿真事件队列；

（5）当联合仿真开始后，以联合仿真事件队列推进联合仿真。

所述的联合仿真控制人机交互界面接收人工操作输入，配置联合仿真初始化参数，一键初始化并启动各仿真软件的步骤为：

（1）在联合仿真控制台上配置联合仿真基本参数（包括同步控制方式、联合仿真时间和电力的控制周期时间）；

（2）选定事先定义好的电网仿真配置文件（包括电网仿真工程名和场景名、电网节点总数、电网节点与通信网节点映射关系表）、通信网仿真配置文件（包括通信网仿真软件启动方式、通信网仿真场景名，通信网监测变量）和电力应用仿真配置文件（包括电力应用类型、电网节点与通信网节点映射关系表）；

（3）根据本发明所述的同步控制模块基于事件同步方式协同电网仿真、通信网仿真和电力应用仿真的机制，建立联合仿真事件队列；

（4）一键初始化并启动电网仿真软件、通信网仿真软件和电力应用仿真软件。

所述的中间件灵活匹配仿真软件的步骤为：

（1）判断仿真软件侧是否存在实物设备；

（2）判断仿真软件是否可以通过其自身的API接口或其他接口从外部控制；

（3）若仿真软件侧不存在实物设备且仿真软件可以通过其对外接口从外部控制，则采用灵活配置接口实现方式-基于仿真软件的对外接口技术，调用中间件上的统一事件处理函数，实现仿真软件调用接口，编译形成动态链接库，放置于中间件安装目录下，完成仿真软件与中间件的匹配；

（4）若仿真软件侧不存在实物设备且仿真软件不可以通过其对外接口从外部控制，则基于中间件的Socket通信方式开发仿真软件侧的信息交互接口程序，配合中间件上集成的基于Socket通信技术的仿真软件调用接口，完成仿真软件与中间件的匹配；

（5）若仿真软件侧存在实物设备且实物设备与中间件直接连接匹配，则须基于实物设备接口特点、中间件的Socket通信方式和仿真软件接口特点开发或者选取合适的协议转换器，配合中间件上集成的基于Socket通信技术的仿真软件调用接口，完成仿真软件、实物设备与中间件三者的匹配；如果实物设备不与中间件直接连接匹配，则基于实物设备接口特点和仿真软件接口特点开发或者选取合适的协议转换器，完成仿真软件与实物设备的匹配，仿真软件与中间件的匹配参照步骤（4）完成。

一种基于电网和通信网联合仿真平台的联合仿真方法，包括以下步骤：

（1）选定联合仿真方式，若为纯数字联合仿真（即全为数字仿真模型的联合仿真），转入步骤（2），若为半实物联合仿真（根据用户的需求，以实物替换部分数字仿真模型，实现数字仿真模型与实物混合的联合仿真），转入步骤（3）；

（2）选定参与联合仿真的电网仿真软件、通信网仿真软件和电力应用仿真软件（或者程序模块），根据本发明所述的中间件灵活匹配仿真软件的步骤，完成中间件和仿真软件的匹配（即上文所述的利用中间件的灵活配置接口和固定接口，针对特定的仿真软件开发接口，实现中间件与不同仿真软件的连接）；

（3）选定参与联合仿真的电网仿真软件、通信网仿真软件、电力应用仿真软件（或者程序模块）和实物设备，根据本发明所述的中间件灵活匹配仿真软件的步骤，完成中间件、仿真软件和实物设备的匹配；

（4）定义电网仿真配置文件、通信网仿真配置文件和电力应用仿真配置文件，电网仿真配置文件包括电网仿真工程名和场景名、电网节点总数、电网节点与通信网节点映射关系表，通信网仿真配置文件包括通信网仿真软件启动方式、通信网仿真场景名，通信网监测变量，电力应用仿真配置文件包括电力应用类型、电网节点与通信网节点映射关系表；

（5）运行软总线服务器（即运行软总线服务器软件）、与各仿真软件匹配的中间件和联合仿真控制台，配置软总线服务器、联合仿真控制台、各仿真软件配对中间件的IP和端口号；

（6）在软总线服务器上启动服务，向软总线服务器注册（这里注册是指将自己的IP和ID发送给软总线服务器，软总线服务器进行存储，当软总线接收到消息后，根据消息发送者的IP和ID号将消息派发给不同的模块进行处理，然后转发出去）联合仿真控制台和与各仿真软件匹配的中间件，注册成功后转入步骤（7），若失败则继续注册，直到成功为止；

（7）根据本发明所述的联合仿真控制人机交互界面接收人工操作输入，配置联合仿真初始化参数，一键初始化并启动各仿真软件的步骤，配置联合仿真参数并一键初始化和启动各仿真软件；

（8）由联合仿真控制台发送开始仿真命令，各参与联合仿真的仿真软件与实物设备进入联合仿真状态；

（9）联合仿真结束，对仿真结果进行分析。

本发明的有益效果是：

1、灵活性高，适用性广；本发明所述的中间件为动态中间件，采用了固定接口和灵活配置接口两种实现方式，满足了不同的仿真软件匹配需求，具有较高的灵活性和广泛的适用性

2、可扩展性强；本发明采用了分布式结构的联合仿真平台，联合仿真平台与仿真软件之间及各仿真软件之间不直接交互信息，均通过软总线服务器和中间件交互，使得信息交互接口开发简单易用，当有超过3个仿真软件加入联合仿真，根据本发明所述仿真软件与中间件的匹配方法，只需为额外的仿真软件匹配中间件即可。

3、一平台多用途；本发明所述分布式电网和通信网联合仿真平台不仅可以用于纯数字联合仿真分析，亦可用于半实物联合仿真分析。

附图说明

图1是本发明中基于多组合软件的电网和通信网纯数字联合仿真平台架构图；

图2是中间件与实物设备连接方式1的结构示意图；

图3是中间件与实物设备连接方式2的结构示意图；

图4是中间件与实物设备连接方式3的结构示意图；

图5是中间件与实物设备连接方式4的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

一种灵活的分布式电网和通信网联合仿真平台架构如图1所示，包括联合仿真控制台、软总线服务器、中间件、电网仿真软件、通信网仿真软件、电力应用仿真软件（或者程序模块），通过网络连接通信。

所述联合仿真控制台包括联合仿真控制人机交互界面、同步控制模块和总线通信接口。联合仿真控制人机交互界面接收人工操作输入，配置联合仿真初始化参数，一键初始化并启动电网仿真软件、通信网仿真软件和电力应用仿真软件；同步控制模块基于事件同步方式协同电网仿真、通信网仿真和电力应用仿真。

所述软总线服务器包括消息中心和基于Socket的网络通信接口。基于Socket的网络通信接口负责软总线服务器与联合仿真控制台及各中间件的消息交互；消息中心包括消息接收模块、接收消息队列、消息调度模块、发送消息队列和消息发送模块，负责调度处理由各中间件和联合仿真控制台发送到软总线服务器上的消息。

所述中间件为动态中间件，包括总线通信接口和仿真软件调用接口。总线通信接口传递仿真软件与软总线服务器间的交互信息；仿真软件调用接口灵活匹配仿真软件，基于C++语言采用固定接口和灵活配置接口两种实现方式，具有统一的事件处理函数，固定接口实现方式基于Socket通信技术并已集成在中间件上，灵活配置接口实现方式基于仿真软件对外接口技术且由用户根据需求基于统一的事件处理函数自行开发。

所述的同步控制模块基于事件同步方式协同电网仿真、通信网仿真和电力应用仿真的机制为：

（1）联合仿真初始化前，以电网仿真时间轴作为联合仿真的时间轴，以电力控制周期为时间步长，将电网的连续时间仿真分割为N个电网仿真事件；

（2）联合仿真初始化前，在联合仿真控制台上基于联合仿真时间轴设置通信网仿真事件；

（3）联合仿真初始化前，分析要仿真的电力应用，将电力应用仿真过程分割为开始电力控制计算和电力控制计算结束两个事件；

（4）联合仿真初始化时，根据时间先后关系，将上述事件进行排序，形成联合仿真事件队列；

（5）当联合仿真开始后，以联合仿真事件队列推进联合仿真。

所述的联合仿真控制人机交互界面接收人工操作输入，配置联合仿真初始化参数，一键初始化并启动各仿真软件的步骤为：

（1）在联合仿真控制台上配置联合仿真基本参数（包括同步控制方式、联合仿真时间和电力的控制周期时间）；

（2）选定事先定义好的电网仿真配置文件（包括电网仿真工程名和场景名、电网节点总数、电网节点与通信网节点映射关系表）、通信网仿真配置文件（包括通信网仿真软件启动方式、通信网仿真场景名，通信网监测变量）和电力应用仿真配置文件（包括电力应用类型、电网节点与通信网节点映射关系表）；

（3）根据本发明所述的同步控制模块基于事件同步方式协同电网仿真、通信网仿真和电力应用仿真的机制，建立联合仿真事件队列；

（4）一键初始化并启动电网仿真软件、通信网仿真软件和电力应用仿真软件。

所述的中间件灵活匹配仿真软件的步骤为：

（1）判断仿真软件侧是否存在实物设备；

（2）判断仿真软件是否可以通过其自身的API接口或其他接口从外部控制；

（3）若仿真软件侧不存在实物设备且仿真软件可以通过其对外接口从外部控制，则采用灵活配置接口实现方式-基于仿真软件的对外接口技术，调用中间件上的统一事件处理函数，实现仿真软件调用接口，编译形成动态链接库，放置于中间件安装目录下，完成仿真软件与中间件的匹配；

（4）若仿真软件侧不存在实物设备且仿真软件不可以通过其对外接口从外部控制，则基于中间件的Socket通信方式开发仿真软件侧的信息交互接口程序，配合中间件上集成的基于Socket通信技术的仿真软件调用接口，完成仿真软件与中间件的匹配；

（5）若仿真软件侧存在实物设备且实物设备与中间件直接连接匹配，则须基于实物设备接口特点、中间件的Socket通信方式和仿真软件接口特点开发或者选取合适的协议转换器，配合中间件上集成的基于Socket通信技术的仿真软件调用接口，完成仿真软件、实物设备与中间件三者的匹配；如果实物设备不与中间件直接连接匹配，则基于实物设备接口特点和仿真软件接口特点开发或者选取合适的协议转换器，完成仿真软件与实物设备的匹配，仿真软件与中间件的匹配参照步骤（4）完成；基于本发明所述的分布式电网和通信网联合仿真架构，中间件与实物的几种连接方式如图2-图5所示。

一种基于电网和通信网联合仿真平台的联合仿真方法，包括以下步骤：

（1）选定联合仿真方式，若为纯数字联合仿真，转入步骤（2），若为半实物联合仿真，转入步骤（3）；

（2）选定参与联合仿真的电网仿真软件、通信网仿真软件和电力应用仿真软件（或者程序模块），根据本发明所述的中间件灵活匹配仿真软件的步骤，完成中间件和仿真软件的匹配；

（3）选定参与联合仿真的电网仿真软件、通信网仿真软件、电力应用仿真软件（或者程序模块）和实物设备，根据本发明所述的中间件灵活匹配仿真软件的步骤，完成中间件、仿真软件和实物设备的匹配；

（4）定义电网仿真配置文件、通信网仿真配置文件和电力应用仿真配置文件，电网仿真配置文件包括电网仿真工程名和场景名、电网节点总数、电网节点与通信网节点映射关系表，通信网仿真配置文件包括通信网仿真软件启动方式、通信网仿真场景名，通信网监测变量，电力应用仿真配置文件包括电力应用类型、电网节点与通信网节点映射关系表；

（5）运行软总线服务器、与各仿真软件匹配的中间件和联合仿真控制台，配置软总线服务器、联合仿真控制台、各仿真软件配对中间件的IP和端口号；

（6）在软总线服务器上启动服务，向软总线服务器注册联合仿真控制台和与各仿真软件匹配的中间件，注册成功后转入步骤（7）；

（7）根据本发明所述的联合仿真控制人机交互界面接收人工操作输入，配置联合仿真初始化参数，一键初始化并启动各仿真软件的步骤，配置联合仿真参数并一键初始化和启动各仿真软件；

（8）由联合仿真控制台发送开始仿真命令，各参与联合仿真的仿真软件与实物设备进入联合仿真状态；

（9）联合仿真结束，对仿真结果进行分析。

上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。