分布式“源荷储”资源协同互动异构组网方法与仿真实现*

宋彦斌，汪莞乔，张 慧，关璐瑶，丁慧霞，高凯强，姚贤炯，向佳霓

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.国网上海市电力公司，上海 200030）

0 引言

随着新型电力系统的建设，海量分布式“源荷储”资源与数据采集传感设备大量接入[1-3]，分布式“源荷储”参与辅助调峰、调频、需求响应等新兴业务迅猛发展[4-5]。分布式“源荷储”协同互动业务呈现海量异构的特点，且对传输与处理的实时性、可靠性要求高，传统电力系统通信架构已无法满足[6]。云边协同技术作为新形态下工业互联网异构组网的解决方案[7-8]，基于“三层两网”架构，支撑海量异构的分布式“源荷储”互动数据广泛接入，并且打通电网公司内外部与电网公司系统间数据壁垒，实现业务数据安全高效共享[9-10]，实现新型电力系统分布式“源荷储”设备全面感知，通过多层级协同与跨系统调度将电网数据资产变现[11]，显著提升分布式“源荷储”资源互动效率与电网数字化、智能化水平。

针对分布式“源荷储”协同互动业务的上述特点，本文提出基于OMNeT++（Objective Modular Network Testbed in C++）网络仿真平台的分布式“源荷储”网络架构与仿真方法。首先，构建分布式“源荷储”资源协同互动网络架构，并对分布式资源业务的业务控制流程进行介绍；其次，实现基于OMNeT++的分布式资源协同调控模型建模，包括实体设备建模、业务通信建模、通信拓扑建模和分布式“源荷储”资源协同互动网络模型；最后，通过OMNeT++对分布式“源荷储”资源协同互动网络的性能进行仿真。

1 分布式“源荷储”资源协同互动异构组网方法

随着工业互联网及云边协同技术的快速发展，分布式“源荷储”资源设备类型复杂化，且演化为具有一体化采集和控制功能的智能终端[12]。其中，数据传递与信息交互借助分布式“源荷储”协同互动网络的各级通信网和各类通信模块，实现分布式资源的协同可控。基于“三层两网”的分布式“源荷储”资源协同互动网络架构如图1所示。该架构主要包括主站层、边缘网关层、终端层3 层节点，并包括本地通信网、远程通信网两层网络。

图1 基于“三层两网”的分布式“源荷储”资源协同互动网络架构

本地通信网是实现终端层各类采集与控制设备及边缘网关层物联聚合控制网关间数据与指令传输的网络介质。由于终端层包括分布式电源、负荷、储能等多种类型，涉及采集与控制设备数量庞大、分布广泛，且所处环境复杂多变，难以仅采用光纤进行通信。因此，本地通信网需要结合终端特性，融合无源光网络（Passive Optical Network，PON）、高速电力线载波通信（Highspeed Power Line Carrier，HPLC）、高速射频通信（Highspeed Radio Frequency，HRF）、4G/5G、微功率无线等多种通信技术，为海量分布式“源荷储”设备提供灵活、经济、安全的全覆盖接入服务。

远程通信网是位于主站层与边缘网关层之间的网络介质。通常情况下，边缘网关层的物联聚合控制网关和主站层的电网调控中心和聚合商数据平台距离较远，需要通过光纤、5G 公网等省级和省际通信网络与主站平台建立连接，提升通信网络服务质量，保证分布式“源荷储”协同互动网络数据的可靠传输，实现广域网络资源综合管理与灵活调度，满足分布式“源荷储”资源聚合调控业务的灵活、高效、可靠等多样性需求[13]。

2 分布式“源荷储”资源协同互动网络仿真建模需求分析

2.1 分布式“源荷储”资源协同互动业务建模需求

分布式“源荷储”资源参与电网调峰、调频、需求响应是保障电力系统资源共享与能力协同、实现海量资源综合管理与广域调控的3 类重要业务，其业务建模需求、交互过程和发送规律介绍如下。

2.1.1 业务建模需求

调峰业务需要对环境数据、运行参数进行实时监测跟踪，进行调峰策略的实时动态优化，承担着平衡发电出力与用电负荷的功能[14]。

调频业务需要实时监测电力系统频率，根据系统频率与额定频率的偏差值变化调整调频策略，承担着维持电力系统频率稳定的功能[15]。需求响应业务需要监测用户数据、计算响应有效性、更新响应资源库，实现需求响应可靠性、再现性、鲁棒性和成本效益的提高，承担着优化用电行为、降低负荷峰谷差、保障电网稳定、抑制电价上升的功能[16]。

2.1.2 业务的控制流程

根据上述业务功能原理描述，各类分布式“源荷储”资源协同互动业务控制流程如图2 所示。

图2 分布式“源荷储”资源协同互动业务控制流程

调峰业务控制流程：电网调控中心根据日前预测数据向聚合商及分布式电源发布需求，提出需求区域、调控量、调控时段和调控价格要求，聚合商综合负荷的可调功率、储能的可充放电量、分布式电源的可出力功率，与10 kV 以上分布式电源机组一同参与调峰竞价。在此基础上，电网调控中心发布调峰策略，分布式“源荷储”资源根据调峰策略进行自治控制。

调频业务控制流程：电网调控中心发布目标响应时段的调频服务需求，聚合商与10 kV 以上分布式电源机组进行调频服务价格与能力申报，充分利用分布式资源的调频能力，构建负荷、储能和220/380 V 分布式电源参与基线调频的优先级。

需求响应业务控制流程：需求响应管理系统根据电网调控中心发布的需求响应项目创建信息，生成需求响应事件信息。电网调控中心和需求响应管理系统分别发布需求响应信息，10 kV 以上分布式电源机组和聚合商确认参与需求响应事件后，接收并执行需求响应调控策略，负荷、储能、220/380 V 分布式电源和10 kV 以上分布式电源机组调整各自用电、放电或出力方案。

2.1.3 业务发送规律

分布式“源荷储”资源协同互动业务运行特性和数据包发送规律如表1 所示。

2.2 分布式“源荷储”资源协同互动业务应用模式

分布式“源荷储”资源协同互动业务的运行特性、发送规律以及业务交互过程决定其基本通信应用模式主要为命令传输过程。具体分析不同分布式“源荷储”资源协同互动业务的命令传输特点，在OMNeT++网络仿真平台中建立符合分布式“源荷储”资源协同互动业务特性的应用层协议。

2.3 分布式“源荷储”资源协同互动业务仿真场景

仿真场景主要包括分布式“源荷储”资源协同互动基础数据采集场景和分布式“源荷储”资源协同互动业务场景两大类。其中分布式“源荷储”资源协同互动网络基础数据采集场景包括电气量监测、开关量状态监测、设备运行状态监测、环境量监测等数据，能够为分布式“源荷储”资源协同互动业务场景分析提供数据支撑。分布式“源荷储”资源协同互动业务场景在基础数据采集场景的基础上，进一步包括调峰、调频、需求响应等业务的交互数据。

3 基于OMNeT++的分布式“源荷储”资源协同互动网络仿真平台架构与对象建模

3.1 分布式“源荷储”资源协同互动网络仿真平台

分布式“源荷储”资源协同互动网络仿真平台的总体设计方案如图3 所示。利用OMNeT++仿真内核库和仿真模型库，根据节点模型定义主站层、边缘网关层和终端层的设备模型；根据网络模型定义远程通信网和本地通信网。在此基础上，建立模型实例和网络连接，并结合分布式“源荷储”资源协同互动业务交互逻辑，进行拓扑配置和交互配置，编译并执行程序，最后进行结果分析。

3.2 实体设备建模

实体设备是电力通信系统的关键组成元件，用于实现业务数据包的发送、接收和处理。分布式“源荷储”资源协同互动网络中的实体设备主要包括分布式电源、负荷、储能设备，以及物联聚合控制网关、聚合商数据平台和电网调控中心等，可通过修改OMNeT++预定义模型及模型自定义的方式实现实体设备建模[17]。

3.2.1 业务数据源模型

业务数据源模型使用OMNeT++开源库INET 提供的UdpBasicApp 模块，可以模拟终端层各类业务数据的产生和传输过程。对UdpBasicApp 模块进行参数和功能整定的流程如下：首先，根部不同类型业务特点设定参数，包括业务数据包大小、数据包类型和发送频率等；其次，通过编辑.ini 文件里的typename 来设定数据源模拟的业务类型，业务交互逻辑则通过编辑.cc 文件中相应功能函数来实现。

3.2.2 聚合商模型

聚合商模型通过自定义复合模块Aggregator 来表征，该模块一方面能够实现分布式“源荷储”资源终端业务数据聚合，并将其上传至电网调控中心；另一方面可以接收电网调控中心调控指令，并下发给各类分布式资源终端。Aggregator 模块包括一个路由器模型和两个服务器模型，其服务器配置能够支持配电网调峰、调频和需求响应等业务，可以实现模拟多业务数据聚合和电网调控中心指令下发过程。

3.2.3 分布式“源荷储”资源终端模型

分布式“源荷储”资源终端通过自定义复合模块xLoad 来表征，该模块能够采集各类分布式“源荷储”资源产生的业务数据，并对其进行简单的处理分析，上传至电网调控中心。xLoad 模块包括一个路由器模型和一个服务器模型，其服务器的配置能够支持配电网调峰、调频和需求响应等业务，可以实现模拟多业务数据的采集转发与处理过程。

3.2.4 电网调控中心模型

电网调控中心模型通过自定义复合模块MainStation 来表征，该模块采集终端上传的多业务数据，并且能够下达相应的业务调控指令，比如调峰、调频需求。MainStation 模块包括1 个路由器模型、4 个服务器模型和1 个数据源模型，实现电网调控中心的功能。

3.3 业务通信建模

业务通信建模是根据分布式“源荷储”资源协同互动业务中各种应用模式的通信特征以及信息发送特点，实现业务数据包基本参数与发送规律设置，进而实现关键业务与基本应用模式的相互映射，最终实现关键业务通信建模。

基于OMNeT++的业务建模能够在3 个协议阶层实现，对数据包的大小、发包周期、传输方向等数据包特性进行配置，进一步将业务分别加载到服务器和电网调控中心中，并在其中配置包括初次触发的时间、业务重复的次数、间隔和顺序等运行规律以实现电网调度中心业务建模。首先，对于从应用层开始的精确模拟，OMNeT++提供了一些相应配置端对端业务和自定义多端业务的方法。其次，对于数据量特别大的业务，例如语音和视频，若是采用这种精确业务模拟的方法会导致网络仿真速度变慢，OMNeT++可采用流分析方式在适当降低仿真精度的情况下提升仿真速度[18]。

3.4 通信拓扑建模

本地通信网络采用HPLC、HRF、WiFi 等多媒介通信方式，需要将分布式“源荷储”资源的本地通信数据与物联聚合控制网关间通信设置相应的有线和无线管道，模拟数据包在有线和无线通信环境中传输从而模拟其传播特性。远程通信网络采用光纤通信、5G 公网等省级通信网络建立连接，需要将分布式“源荷储”资源的远程通信数据与分布式资源广域聚合，构建边缘聚合网关和电网调控中心之间的数据传输通道，模拟远程通信数据在光纤通信网、5G 公网中传输的过程。

4 分布式“源荷储”资源协同互动网络仿真分析

4.1 仿真场景及参数设置

本文根据3.3 节所述的通信拓扑模型设计分布式“源荷储”资源协同互动网络仿真场景，并以需求响应为例，验证所建模型与预期结果是否吻合。各业务具体参数如表2 所示。

4.2 分布式“源荷储”资源协同互动网络性能分析

本仿真主要考察协同互动网络正常运行时的网络性能特征，包含初始化业务、信息监测业务和需求响应业务。基于上述所建模型，仿真分析不同场景下网络性能特点，如表3 所示。其中，场景1 是指分布式“源荷储”资源协同互动网络基础数据采集场景；场景2 是在场景1 基础上考虑电网调控中心下发需求响应业务需求的场景。

表3 协同互动网络性能

在两种场景下，终端层到边缘网关层以及边缘网关层到主站层都在业务初始化阶段达到流量最大值，符合在初始阶段对所有业务进行第一次触发的场景特征。在场景1 中，终端层到边缘网关层数据业务流量峰值达到了34.72 Mb/s，而在边缘网关层进行了一定的数据处理及汇聚后，边缘网关层到主站层数据采集业务流量峰值达到了27.76 Mb/s，整体时延为519 ms。场景2 是在场景1 的基础上运行需求响应业务的情况，终端层到边缘网关层的业务数据流量峰值达到了38.21 Mb/s，而在边缘网关层进行了一定的数据处理及汇聚后，边缘网关层到主站层的业务数据流量峰值达到了31.12 Mb/s，整体时延为613 ms。带宽利用率在两种场景下分别为28.9%和29.2%。

从仿真结果可以看出，在考虑了分布式“源荷储”资源协同互动业务中的需求响应业务后，相较于仅考虑基础数据采集业务而言，通信网络性能在业务流量峰值、时延、带宽利用率、丢包率方面的数据均增大，体现了分布式“源荷储”资源协同互动网络对通信资源需求更大。随着基础数据采集业务的不断增加，终端层到边缘网关层的通信资源会最早到达瓶颈。

场景2 用于仿真出现需求响应事件时分布式“源荷储”资源协同互动的网络性能动态变化特性。具体设置场景为：场景包括50 个分布式电源、50 个分布式储能单元、100 个分布式负荷单元，需求响应事件发生在10 min，在电网调控中心发布需求响应信息后，聚合商和10 kV 以上分布式电源机组分别向需求响应管理系统和电网调控中心发送参与需求响应事件信息和响应价格及能力申报信息，并在执行需求响应调控策略后，及时反馈响应效果信息。网络性能变化情况如图4 和图5所示。

图4 不同场景流量变化曲线

图5 不同场景传输时延变化曲线

如图4 所示，在需求响应事件发生时，分布式“源荷储”资源协同互动网络的峰值流量出现了3 次较大突增。在场景2 中，主站层的入站峰值流量达到了31.12 Mb/s，相较于场景1 增加了11.19%；边缘层入站峰值流量达到了38.21 Mb/s，相较于场景1 增加了9.86%。在场景2中，分布式“源荷储”资源协同互动网络无论在远程通信网还是本地通信网，通信网络流量均有所增加，这是由于此时需求响应业务在分布式“源荷储”资源协同互动网络中短时间多次频繁流动。

从图5 中可以看出，分布式“源荷储”资源协同互动网络在初始阶段时延最高，这是所有业务在初始化阶段同时触发所导致的。场景2 中，远程通信网的传输时延峰值达到557 ms，相较于场景1 增加了7.05%；终端层到边缘层传输时延峰值达到了674 ms，相较于场景1 增加了7.18%。从上述结果可以看出，本地通信网在场景2中传输时延要大于远程通信网。在两种场景中本地通信网的传输时延变化幅度更大，可以作为本地通信网的通信资源后备方案设计依据。

5 结论

为了准确有效地分析新型电力系统背景下分布式“源荷储”资源协同互动网络性能，提供通信网络性能定量化分析工具，本文提出了基于OMNeT++的分布式“源荷储”资源协同互动网络建模与仿真方法。通过充分分析分布式“源荷储”资源协同互动业务仿真建模需求，基于OMNeT++建立分布式“源荷储”资源协同互动网络关键对象，搭建与实际运行情况一致的OMNeT++仿真平台。针对不同分布式“源荷储”协同互动业务场景，验证所提模型的有效性。仿真结果表明该网络能够真实模拟分布式“源荷储”资源协同互动网络实际运行情况，支撑多类型终端设备、多种业务场景的性能分析需求，为分布式“源荷储”资源协同互动网络技术选型、网络规划、设备应用等提供科学决策依据。