面向能源互联网的电力-通信联合仿真平台设计

宋晓健， 喻 洁， 张俊芳，倪 明， 孙 旻

(1. 南京理工大学自动化学院，江苏 南京 210094；2. 东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096；3. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；4. 国网江西省电力科学研究院，江西 南昌 330006)



面向能源互联网的电力-通信联合仿真平台设计

宋晓健1， 喻 洁2， 张俊芳1，倪 明3， 孙 旻4

(1. 南京理工大学自动化学院，江苏 南京 210094；2. 东南大学电气工程学院，江苏 南京 210096；3. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；4. 国网江西省电力科学研究院，江西 南昌 330006)

随着能源互联网概念的提出和发展，电力业务中的通信环节承担起越来越重要的角色，有必要研究通信系统和电力系统的协同作用。在分析了能源互联网通信需求的基础上，提出了电力网和通信网联合仿真平台的总体框架和关键技术，并采用仿真软件Matlab和OPNET设计了电力-通信联合仿真平台，以研究通信对电力系统运行的影响。最后，以能源互联网分布式电源(DER)参与系统调频为仿真算例，验证了联合仿真平台的可行性和有效性。

能源互联网；电网；通信；联合仿真

0 引言

为了应对能源危机，新能源技术得以快速发展，能源互联网应运而生。能源互联网是建立在现有的能源系统与配电网的基础上，通过先进的信息技术和电力电子技术，实现能量和信息双向流动。高速、安全和可靠的信息通信网络将为能源互联网的可行性和可控性提供重要的技术支撑，通信的重要性大大提升[1-4]。因此，电力系统与其通信系统之间的联合仿真具有重要的现实意义。

电力系统和通信仿真领域分别有各自的仿真软件，如今的仿真分析也基本局限于自身框架，对于将通信环节加入到电力系统仿真，并考虑通信中断、延时、误码等情况对电力系统运行影响的研究很少。文献[5]对联立仿真、非实时混合仿真和实时混合仿真3类方案进行了介绍，提出了一种新的基于状态缓存的电力与信息通信混合仿真平台时间同步方法。文献[6]提出了一种面向同步数字体系通信的电网和通信网综合仿真方法，以研究通信对电网稳定系统的影响。文献[7,8]提出了电力信息物理融合系统的基本架构，建立了其稳态与动态模型。但这些文献多偏于理论性研究与信息物理层面上的初步探索，未能具体实施并实际应用。

本文构建了一套基于Cosim接口进行Matlab与OPNET联合仿真系统，实现了电力业务仿真平台与通信网络仿真平台间的数据交互和仿真进度的协同管理。仿真过程中能够根据实验需要灵活调整电力业务数据收发数量和仿真进度推进步长，并借助通信网络的仿真，对电力通信网的相关网络通信协议机理和传输过程进行模拟，考察网络性能指标，最终将相关反馈结果作为衡量电力业务传输效果的预测及评估依据。

1 面向能源互联网的电力-通信联合仿真平台的提出

1.1 能源互联网的电力通信需求

能源互联网各能源节点之间进行信息交互，依照IEC 61850标准，分布式可再生能源入网作为特殊汇聚节点，入网位置比较灵活，考虑入网对电能质量、孤岛问题和继电保护的影响，需要满足非常高的遥控、遥信和遥测要求。

结合各类通信方式的性能和优缺点，能源互联网的通信方式分为有线通信方式和无线通信方式。有线通信方式包括光纤通信、电力线通信(PLC)、以太网无源光网络(EPON)等，无线通信方式包括GPRS、3G/4G、WiMAX等方式[9-13],各种通信方式比较见表1。各能源节点发电系统内部通信业务量小、距离短，优选现场总线、PLC等传统的、经济性较好的通信方式；入网点信息量较大，对传输的实时性和可靠性要求高，优选光纤通信和2G/3G/4G 移动通信方式。

表1 各种通信方式比较Table 1 Comparison of various communication methods

通信方式传输距离/km传输速率/(Mb·s-1)优点局限性光纤通信0.55～100<10传输距离长,速率快,抗干扰建设成本高PLC1～32～3传输距离长依赖于已有电力线路,抗干扰能力差EPON201250传输速率快,组网灵活初期投资高,不易扩散GPRS1～100.17传输距离远,成本低传输速率低,安全性差WiMAX1～5>75建设成本低,覆盖面积广没有广泛应用,信号易受干扰3G/4G移动通信-20速率快,通信质量好结构复杂,费用高

1.2 联合仿真平台的功能和架构的提出

由于能源互联网中的分布式可再生能源出力小、数量多且分布广而不均，基于上文能源互联网的电力通信需求分析，能源互联网各环节之间的通信链路将会错综复杂，通信的安全稳定显得尤为重要。

在电力系统中，各联络线路上的控制信号和数据信息是由通信通道传输，所以通信通道的延时、误码及中断会直接导致电力系统信息的延时、错误甚至中断。因此，根据分布式电源(DER)接入的特点，以及通信通道状态对电力系统控制的影响方式[14-17]，本文提出了电力-通信分布式联合仿真平台的整体框架，如图1所示。

图1 联合仿真平台功能架构Fig.1 Function diagram of the joint simulation platform

该联合仿真平台框架中主要包括电力仿真单元、通信仿真单元、数据交互单元、仿真控制单元以及仿真功能单元，各部分协调运作，实现电力与通信的联合仿真。

其中，电力仿真单元包含电力仿真软件及其用于数据输入、输出的接口设计，以及电力系统运行的状态与事件的设定，如发电机出力、负荷、电压的状况，切机、切负荷情况以及输电线路的通断等。

通信仿真单元包含通信仿真软件及其用于数据输入、输出的接口设计，以及通信状态与事件的设定，如通信延时、中断等。

数据交互单元包含电力仿真接口与通信仿真接口的连接，实现电力仿真软件与通信仿真软件间的数据交互。

仿真控制单元是平台总体的控制部分，包含了电力仿真环境的设定、通信仿真环境的设定、数据交互控制、仿真同步以及时间推进等控制。电力仿真环境的设定包括电力系统故障类型、故障时间、切除时间等。通信仿真环境的设定包括通信网络拓扑结构的构造、通信链路的传输时间设定以及通信故障类型[18]等。

仿真功能单元包含对仿真事件的分析与策略研究，如状态评估、稳态控制、自动发电控制(AGC)等。

2 电力-通信联合仿真平台的实现

研究通信网络性能的方法主要有3种：实测、数学分析和仿真建模。鉴于数字变电站的通信网络复杂且具不确定性，对其实测和进行精确的数学分析非常困难，因此，仿真建模是较为理想的方法。OPNET是一种主流的通信网仿真软件，支持面向对象建模，包含现有的各种网络设备和协议。所以本文选用通信仿真平台OPNET与常用的电力业务仿真软件Matlab构建联合仿真系统，并基于开放式的交互接口实现不同平台间的数据交互和联合仿真。

2.1 联合仿真平台的具体实施

联合仿真平台具体实施的总体框架如图2所示。该平台中，电力通信网络和电力系统业务分别由OPNET平台与Matlab平台来承担相应的仿真任务，其中，OPNET平台用于构建电力系统通信网络模型，并对网络的通信协议、传输流程和网络性能进行仿真。Matlab平台的Simulink模块用于构建生成电力系统的数据业务，通过Simulink模块建立电力业务数学模型，生成电力业务数据。2个平台间的数据交互通过外部C程序控制台实现，外部C程序控制台与Matlab、OPNET分别以开放式接口Socket接口、Cosim接口连通，从而实现Matlab与OPNET数据的双向传输和仿真进度的控制管理。

图2 联合仿真平台总体实施架构Fig.2 General implementation framework of joint simulation platform

其中，Matlab平台与C程序控制台通过“套接字”(Socket)方式互通，如图3所示。Matlab作为服务端，通过调用API接口函数对外发送数据，控制仿真时间进度，等待反馈结果；C程序控制台作为客户端，监听与Matlab通信的Socket端口，接收Matlab通信数据及仿真进度推进指令。

图3 使用套接字的连接通信方式Fig.3 Connection communication using socket

C程序控制台与OPNET之间通过后者内部的Cosim接口进行连通，针对该接口模块进行设计建模，主要包括接口交互数据的定义和进程模型的编码。C程序控制台将接收到的Matlab通信数据及仿真进度推进指令进行转换，向Cosim接口模块发送，并监听Cosim接口模块的数据，依次接收OPNET反馈的数据内容；OPNET在其建立的通信网络拓扑中传输接收到数据，并将传输结果通过Cosim接口反馈给C程序控制台。

2.2 联合仿真平台的数据交互

联合仿真平台的数据交互过程如图4所示。

图4 联合仿真平台的数据交互时序Fig.4 Data interaction timing diagram of the joint simulation platform

一次交互的过程如下。

首先，启动C程序，完成初始化。由于C控制台程序与OPNET中对应的网络仿真场景混编在一起，因此，C程序控制台启动后同时启动了OPNET中对应的仿真场景程序，并回显当前场景的初始化结果，包括OPNET内部Cosim接口名称、数量和OPNET内部当前所停滞的仿真时间。

再者，启动Matlab，将台站通信数据送至C控制台，同时C控制台给Matlab发送一个暂停标志。

然后，C控制台将Matlab传来的数据业务传给Cosim接口，通信数据进入到OPNET内部后，在内部进行传输。传输情况如下：(1) OPNET Cosim接口把接收的数据分别派发至对应的源站点；(2) 完成从源站点到目的站点的数据传输模拟和结果计算；(3) 目的站点将接收的通信信息和统计结果发送至OPNET 的Cosim接口。

最后，C控制台接收来自OPNET Cosim接口的反馈数据，并向Matlab发送反馈数据，包括源站点、目的站点ID、通信统计结果(时延等)、数据业务内容。Matlab实时接收反馈数据并在本地显示。

2.3 联合仿真平台仿真进程的协调控制

由于Simulink仿真进程为一个连续性事件，若想做到包含多次迭代的电力仿真与通信的数据交互，则需要实现对Simulink模型仿真进程的控制，即控制其启动与暂停以传出、传入数据。本文以set_param函数来控制模型仿真过程，set_param函数是Simulink模型、模块及参数配置交互设定中非常实用的API函数，可以应用set_param函数进行模型仿真的细微控制，如“start”(启动)、“pause”(暂停)、“step”(单步)、“continue”(继续)和“stop”(停止)。在通信方面，电力的多次迭代只需多次调用cosim接口，无需间断OPNET的时间进程，而在电力仿真时OPNET处于“闲置”状态。实现过程如图5所示。

3 算例仿真与分析

采用本文开发的平台对能源互联网中的分布式电源参与电网调频进行仿真，以验证该平台在电力业务仿真中的有效性。

图5 基于set_param函数的联合仿真协调控制过程Fig.5 Joint simulation coordination control process based on set_param function

图6 分布式电源调频仿真模型Fig.6 Simulation model of distributed power in frequency modulation

算例包括1个调度中心、2台用来模拟系统的发电机和能源互联网中10个用来调节系统频率的分布式电源，当电力系统存在大量功率缺额，以至于超出系统AGC机组的频率调节能力范围时，将通过协调分布式电源共同出力平衡功率。利用该联合仿真平台建立如图6所示的仿真模型，其中，在Matlab的Simulink模块中建立电力系统仿真模型，用以制定调频策略和产生数据信息；在OPNET中构建分布式电源连接网络所对应的通信网络拓扑结构，用以10个分布式电源之间的信息传递。

假设电力系统在某一时刻遇到阶跃扰动强度为ΔPdemand=0.8 p.u. (800 MW)的阶跃扰动，一共有10个分布式电源节点，每个节点的最大调节能力为{300，310，290，400，480，270，200，180，270，300} MW。采用分布式一致性协调控制策略，使得各节点调节量与自身最大调节能力的比率最终趋于一致性的理想结果。

仿真中电力与通信的数据交互过程如图7、图8。图7和图8为该仿真中数据在联合仿真平台上交互的部分截图，以其中某一次迭代、节点1与节点2的通信连接为例，二者分别展示了电力数据进入OPNET通信与OPNET通信结束后向外部控制台反馈结果的过程。

图7 电力数据传入到OPNET通信Fig.7 Introduction of power data to OPNET

图8 OPNET向外传出反馈结果Fig.8 OPNET outgoing feedback results

仿真结果如图9，实线代表DER不参与调频的系统频率变化，虚线代表DER参与调频的系统频率变化，由此对比可以看出：基于本文所提出的电力-通信分布式联合仿真平台，DER通过分布式控制参与调频可以有效减小系统的频率波动，同时也验证了该平台的可行性。

图9 DERs参与调频与不参与调频的频率变化对比Fig.9 Comparison of the frequency variation with or without DERs in frequency modulation

此外，基于该联合仿真平台，还可在OPNET中设置改变通信线路的时延或断开某通信线路，研究通信延时、中断对电力仿真的影响，这相对于非电力-通信联合仿真而言，具有实际应用上的优势。

4 结语

在论述能源互联网的发展过程中信息通信对于电力系统越发重要的基础上，提出了一种电力-通信联合仿真平台的总体架构，构建了一套基于Cosim接口进行Matlab与OPNET联合仿真的系统，为电力系统中考虑通信传输环节的仿真研究提供了一个平台，有利于能源互联网的发展。在该平台的实现过程中，主要克服了MATALB与OPNET的接口设计、电力仿真软件与通信仿真软件间总体进程的控制协调2个难点。但该平台尚不可仿真通信误码的情况，有待以后进一步研究。

[1] 邬捷龙，杨 健. 能源互联网技术的现状及发展趋势研究[J]. 电网与清洁能源，2016，32(3)：8-12. WU Jielong，YANG Jian.Research on the current situation and development trend of the technology of energy internet[J]. Power System and Clean Energy，2016，32(3)：8-12.

[2] 邹 宁，方存洋，刘育鑫，等. PSCAD/EMTDC-MATLAB 联合仿真技术在SVC控制系统仿真建模中的应用[J]. 江苏电机工程，2012，31(5)：40-44. ZOU Ning，FANG Cunyang，LIU Yuxin， et al. Application of PSCAD/EMTDC-MATLAB co-simulation technology in SVC control system simulation modeling [J]. Jiangsu Electrical Engineering，2012，31(5)：40-44.

[3] HUANG A Q. The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system：the energy internet[J]. Proceedings of the IEEE，2011，99(1)：133-148.

[4] KATZ R H. An information centric energy infrastructure：the berkeley view[J]. Sustainable Computing：Informatics and Systems，2011，1(1)：7-22.

[5] 汤 奕. 电力和信息通信系统混合仿真方法综述[J]. 电力系统自动化，2015，39(23)：33-39. TANG Yi. Power and information communication system simulation method on [J]. Automation of Electric Power Systems， 2015， 39 (23)：33-39.

[6] 童和钦. 电网和通信综合仿真研究[J]. 南方电网技术，2016，10(5)：117-122. TONG Heqin. Research on the integrated simulation of power system and communication [J]. China Southern Power Grid Technology， 2016， 10 (5)：117-122.

[7] 赵俊华，文福栓，薛禹胜，等. 电力信息物理融合系统的建模分析与控制研究框架[J]. 电力系统自动化，2011，35(16)：1-7. ZHAO Junhua，WEN Fushuan，XUE Yusheng，et al． Modeling analysis and control research framework of cyber physical power systems[J]． Automation of Electric Power Systems，2011，35(16)： 1-7.

[8] 盛成玉，高海翔，陈 颖，等． 信息物理电力系统耦合网络仿真综述及展望[J]． 电网技术，2012，36(12)： 100-105. SHENG Chengyu， GAO HaiXiang， CHEN Ying， et al. Review and prospect of the coupling network simulation of the physical power system[J]. Power System Technology， 2012，36 (12)： 100-105.

[9] 沈 洲. 能源互联网的发展现状[J]. 江苏电机工程，2014，33(1)：82-83. SHEN Zhou. Development and suggestion of the energy-internet[J]. Jiangsu Electrical Engineering，2014，33(1)：82-83.

[10] 李国清. 分布式电源接入配电网的通信方式研究[J]. 现代电力，2011，28(2)：79-83. LI Guoqing. Research on communication modes for distributed generation access to distribution network[J]. Modern Electric Power，2011，28(2)：79-83.

[11] 曹建权.电力系统通信技术的发展[J]. 江苏电机工程，2004，23(4)：68-70. CAO Jianquan. Development of communication technology in the electric power system[J]. Jiangsu Electrical Engineering，2004，23(4)：68-70.

[12] 陈树勇. 智能电网技术综述[J]. 电网技术，2009，33(8)：1-7. CHEN Shuyong. Overview of smart grid technology [J]. Power System Technology，2009，33 (8)：1-7.

[13] 王欣宇. 含分布式电源的配电通信方案与评价模型研究[D]. 北京: 华北电力大学，2014，42-49. Wang Xinyu. Study on the communcation scheme and evaluation model of DER connected distributed grid[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2014.

[14] YU Hang， SUN Ying， NIU Xiaona， et al. Energy internet system based on distributed renewable energy generation [J]. Electric Power Automation Equipment， 2010，30 (5)：104-108.

[15] VERMESAN O. Internet of energy-connecting energy anywhere anytime[C]∥Advanced Microsystem for Automotive Applications. Berlin Germany, 2011: 33-48.

[16] 梁有伟，胡志坚，陈允平. 分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J]. 电网技术，2003，27(12)：71-75，88. LIANG Youwei， HU Zhijian， CHEN Yunping. A survey of distributed generation and its application in power system [J]. Power System Technology， 2003，27 (12)：71-75，88.

[17] SCHNEIDER K，LIU Chenching，PAUL J P．Assessment of interactions between power and telecommunications infrastructures[J]． IEEE Transactions on Power Systems，2006, 21(3): 1123-1130.

[18] LIN Hua，VEDA S S，SHUKLA S S，et al． GECO： global event-driven co-simulation framework for interconnected power system and communication network[J]. IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(3)：1444-1456.

倪 明(1969 —)，男，江苏南京人，高级工程师，从事电力系统规划、电力系统稳定控制、电力物理信息系统等研究工作;

孙 旻(1970 —)，男，江西南昌人，高级工程师，从事配电网技术工作。

(编辑 刘晓燕)

Design of Power Communication Simulation Platform for Energy Internet

SONG Xiaojian1，YU Jie2，ZHANG Junfang1，NI Ming3，SUN Min4

(1. School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2. School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China；3. NARI TechnologyIncorporation，Nanjing 211106，China；4. State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute，Nanchang 330006，China)

With the emergence and development of the concept of energy Internet,the communication is playing an increasingly important role in the power system. It is necessary to study the synergy of communication system and power system. Based on the analysis of the demand of energy Internet communication, the general framework and key technologies of the simulation platform of power grid and communication network are put forward.The co-simulation platform of power grid and communication network is designed by using Matlab and OPNET to study the influence of communication on the operation of power system. Finally, a simulation example that distributed powers in energy Internet participate in the frequency modulation of power system is given to demonstrate the feasibility and effectiveness of the co-simulation platform.

energy internet; power grid; communication; co-simulation

2017-01-05；

2017-02-22

国家自然科学基金资助项目(51407030)

TM73

A

2096-3203(2017)03-0044-06

宋晓健

宋晓健(1991 —)，男，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向为电力系统分析、运行与控制；

喻 洁(1975 —)，女，江苏南京人，博士，副教授，研究方向为电力系统运行分析与技术支持；

张俊芳(1965 —)，女，江苏南京人，副教授，研究方向为电力系统分析、运行与控制;