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EPOCHS:一个由商用现货组件构成的基于代理的电力通信同步仿真平台-最终版


EPOCHS: 由商用现货组件构成的基于代理的 电力通信同步仿真平台
摘要: 本文主要论述了在一个分布式仿真环境中, 电力通信同步仿真平台的发展以及后 续的使用。 现有的电力仿真工具能够精确地仿真以往的电力系统, 它是以大区域电力池为单 位进行控制的而且不包含通信元素。 然而, 随着越来越多的电力系统开始利用计算机网络实 现其保护和控制系统,这些仿真工具预测电网行为的能

力也越来越弱。同样的,这些工具在 评价被开发出来的新网络协议和系统时,也没有关注他们可能在电力领域所扮演的角色。 EPOCHS 集成了多个研究和商业现货系统来缩小这个差距。 关键字:代理,集成的商用现货,网络系统,电力系统评估,仿真

一、简介
电力系统的重组,激烈竞争市场的出现,新的监管机制的引入等已经成为既定的趋势。 在这样的趋势下,了解电网是如何运行,特别是如何监听和控制它,是使其达到可靠和公平 必要的先决条件。 然而, 当今的电力系统模拟工具不能对现代电力保护和控制系统中常见的 网络通信模式进行仿真。 作者说明性的东西木有翻?? Manuscript received May 2, 2005; revised September 30, 2005. This work was supported in part by DARPA under AFRL grant RADC F30602-99-1-0532, in part by AFOSR under MURI grant F49620-02-1-0233, in part by FAPESP (Funda??o de Amparo à Pesquisa do Estado de S?o Paulo, Brazil), and in part by CAPES (Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de Nível Superior, Brazil). The views expressed in this document are those of the authors and do not reflect the official policy or position of the United States Air Force, Department of Defense, or the U.S. Government. Paper no. TPWRS-00256-2005. K. Hopkinson is with the Department of Electrical and Computer Engineering, Air Force Institute of Technology, Wright-Patterson AFB, OH 45433 USA (e-mail: kenneth.hopkinson@afit.edu). X. Wang is with the School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China (e-mail: xrwang@home.swjtu. edu.cn). R. Giovanini and D. Coury are with the Department of Electrical Engineering, University of S?o Paulo at S?o Carlos, S?o Carlos, SP 13566-590, Brazil (e-mail: renan@sc.usp.br; coury@sc.usp.br). J. Thorp is with the Department of Electrical and Computer Engineering, Virginia Polytechnic Institute, Blacksburg, VA 24061 USA (e-mail: jsthorp@ vt.edu). K. Birman is with the Department of Computer Science, Cornell University, Ithaca, NY 14853 USA (e-mail: ken@cs.cornell.edu). Digital Object Identifier 10.1109/TPWRS.2006.873129
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传统的保护系统是依据本地测量和采用的控制系统做决定, 这种经营在预测通信系统时 相当缓慢。所以它没有必要通过模拟通信来达到使电力系统模型更精确的目的。然而,在过 去的十年中,电力系统已经开始使其运营接近其传输、产生和稳定的极限,保护和控制系统 相应的面临更大的压力。 电力工程师也开始推断出使用基于互联网标准的网络通信是一个自 然的选择, 以此来满足目前需要保护和控制系统更快收集数据以及在更广的地理区域工作的 需求。 可以断言,更多的数据的电力保护和控制系统,更快捷通信网络,这将会比他们的前身 更高效。然而,互联网不是为安全性和时间紧迫性的应用所设计的,而且通过网络协议分层 所需的机制,比如 TCP/ IP 又是一个不可能完成的任务。能够让电力工程师精确地模拟电力 和通讯状况的新评估工具需要出现。 到目前为止还没有出现一个重要的评估方法, 即通过计 算机通信协议, 在模拟现实网络中面临的现实情况如负载震荡、 电流中断和其他形式的动态 压力时同时能够提供高质量的电力状况的模拟。 现实仿真工具允许电力工程师在实验室中发 现并解决问题,避免该领域潜在的昂贵花费或有损害性事故发生。 本文介绍了电力通信同步仿真平台, 这是一个组件的仿真系统, 或者也叫联合仿真系统, 将电力系统电磁暂态仿真软件 EMTDC/PSCAD, 机电动态仿真软件 PSLF、 网络通信仿真软件 NS2 集成在一起。EPOCHS 允许用户在研究涉及通信的电磁情况时使用 PSCAD/EMTDC 和 NS2,或者涉及通信的机电情况使用 PSLF 和 NS2。EPOCHS 的技术基础说明了非侵入技术是 如何仅仅通过内嵌的应用程序编程接口应用在联合仿真平台的。 基于代理的 EPOCHS 框架也 隐藏了联合仿真系统的复杂性,使用户设计一个包含通信的新的电力情况时更加容易。 本文共分八个部分。第二部分回顾了背景材料。第三部分介绍了系统的体系结构。第四 部分讨论了联合商用以及研究仿真组件的方法。第五部分简要介绍了 EPOCHS 的代理框架。 第六部分展示了一个 EPOCHS 的使用实例。第七部分介绍了这个领域未来的一些工作。总结 性的部分放在了第八部分。

二、背景
构建一个新的组合仿真工具是费时和昂贵的, 这一点尤其是在仿真具有连续和离散事件 组件时表现得更加突出。 另一种方法是连接多个仿真工具使其成一个分布式的环境。 这种在 域间的情况将多个仿真工具结合起来使用的方法现在变得越来越普遍, 甚至有人提议将这种 体系标准化,其中比较著名的是高级体系结构(HLA) 。商用现货仿真系统由于其丰富的功 能集,易用性,和成本效益在许多领域都深受欢迎。然而,源代码是很少被公开的,这对于 联合平台来说是一个障碍。在 EPOCHS 平台中,NS2 是开源的,但 PSCAD 和 PSLF 都不是开 源。 联合的商用现货仿真平台的先决研究包括在 GRIDS 工程上的制造仿真供应链, 图奇和雷 韦特里亚的高级体系结构合规项目,斯特拉斯伯格的 SLX 联合。除此之外,美国国家标准技 术研究所已经开发出了分布式制造系统(DMS)的适配器,这是一个类似于 HLA 的分布式 仿真机制,但有着更易于管理的的复杂程度,目标对准的是整个制造链。尽管取得了这些成 就联合商业仿真系统的使用记录还是比较少见的。普遍关注的是“非正式”建模者可能会发 现在联合仿真中递增的复杂性是难以被管理的。 应该强调的是,存在许多高质量的电力和网络仿真工具,使用哪一个并不是唯一选择。 三种可选的电力系统电磁暂态分析的仿真软件软件包有 EMTP-RV[6], ATP[7], NETOMAC[8], 和 都有能力来仿真机电和电磁暂态。OPNET[9]和 Qualnet[10]这两款商业仿真工具被广泛的应 用于通信仿真。这些工具中的每一个都可能被集成到 EPOCHS 环境中。 存在许多实时电力仿真工具。包括 RTDS[11],HYPERSIM[12],它们集成在 Matlab 和
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Simulink[13]和 ARENE (管理系统模拟软件)中[14]。这些仿真软件不管是在现实电网还是 在虚拟网络仿真时候都可以实时进行操作,使电力网实时仿真测试变得有趣味,比如说 Qualnet 工具[10]。然而,EPOCHS 项目的目标并不是实时仿真。相反,EPOCHS 的焦点是将 电力和网络通信仿真工具整合,这样他们内部仿真时钟才能够无缝运行。 代理的力量被广泛认可, 也因此各式各样的仿真工具都在使用他们。 基于代理的仿真工 具主要有两种。 第一种使用代理是将它作为一种机制来组合仿真工具。 灵活的代理可以更有 效的将仿真工具的各个组件连接起来, 正如威尔逊在一篇论文中阐述的那样。 第二类仿真工 具使用代理来仿真一个模拟世界的实体。Lee 在空中交通控制系统中采用连续和离散混合仿 真的方法,利用代理来模拟关键实体,比如说飞机。EPOCHS 使用了近似于 lee 的这种方法。 电力和通信系统联合仿真的文献是比较少见的。 论文讨论这个课题往往或者关注系统模 型但缺乏仿真案件[17],包括仿真时假设一旦通信到达电力系统的行为就达到一致,[18]这 时关注通信性能;当包含电力系统案例时,或者假设网络延迟是固定的,或者在可预见的专 用线路传输时提供真实数据。唯一的例外是在北卡罗莱纳州立大学完成的一组工作[20]。该 小组在 PSCAD / EMTDC 和用 Java 编写的一个模块之间创建了一个接口,使代理能够通过一 个网络对电力系统的行为进行仿真。用定制开发的 Java 模块进行通信,这是一个被限制在 令牌性网络中的基本仿真。这个技术过去用于桥接模型和 EMTDC 仿真工具,这一点在 EPOCHS 中也是相似的,但是北卡罗来纳州的网络仿真限制了它的功效。

三、EPOCHS A 结构
HLA(高级体系结构)是 IEEE 的标准方法[21],它将单个的仿真工具结合在一起,被称 为联邦,将仿真工具组合在一起被称为联合会。最近联合仿真系统工作都集中在如何使用 HLA(高级体系结构)方面。这样的例子可以在军炮仿真、军用机器人的仿真体系和制造应 用以及制造仿真系统这样的领域找的到。每一个仿真的联邦成员都遵守 HLA 的规则,接口 规范以及文档标准。像胶水一样将 HLA 的各个联邦成员结合在一起的是一个叫运行支撑环 境(RTI )的核心组件。RTI 在仿真组件中传递所有的消息,并且确保在仿真时所有的组件 时间都能同步。 HLA 的一个缺点是,它难以修改现有的模拟以符合其规格。许多领域大量使用现货商用 软件却没有源代码的访问权。 它往往可以给这些仿真工具添加一个包, 以支持其使用在一个 HLA 联邦,随着这些包数量的增加,且都必须符合 HLA 规范,通常情况下都会出问题,再 加上目前许多传统的仿真工具对于输入和输出选项的限制, 很难访问仿真工具内部状态。 此 外,HLA 结合联邦有可能是一个低效率的。该系统是基于发布—订阅机制,任何一个联邦成 员订阅其他任何成员,不论是否需要都将收到该成员所有更新的资讯。

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图表 1 EPOCHS 各组件见的关系。RTI 服务器作为一个各仿真组件与 EPOCHS 的接口。他保 证各组件在仿真时钟保持同步,同时也为这些仿真组件传送消息。

联合仿真系统的创建是工作在 HLA 的思想上,但它使用了一个传统的接口使实现更加 容易。EPOCHS 的体系架构如图 1 所示。 当创建一个像 EPOCHS 这样的联合的仿真系统时候, 选择合适的仿真工具是非常重要的。 作为 EPOCHS 的组件之一,每一个仿真工具被都被看成在它的那个种类中最好用的。除了它 们的优点,三个仿真组件(PSCAD, PSLF, and NS2)中没有一个是为了交互运行而设计的,这为 本文的演示带来了挑战。 下面是 EPOCHS 组件的描述: PSCAD/EMTDC:PSCAD/EMTDC 是一个电磁暂态仿真软件。EMTDC 是一个有名的电力系 统仿真软件。EMTDC 能够仿真电力系统短时间的响应。PSCAD 是一个图形用户接口,被用 于简化 EMTDC 的状况。PSCAD 是被马尼托巴高压直流研究中心研发成功的。 EMTDC 通过对一系列不同时间跳跃的微分方程进行求解的方式,实时仿真电力系统状 况。它有非常详细的电气模型,研究电磁暂态方非常适合,这方面研究的时间步长经常是微 秒级别,代表性的情况是持续秒或者更少的时间。 PSLF(电力市场预测软件包) :被用作电磁暂态仿真。PSLF 可以仿真成千上万个电力系 统节点, 同时也被电力公司广泛的应用在模拟电磁稳定性情况方面。 它模拟比那些在 PSCAD 中详情少很多的大系统,且更加适合仿真长时间运行的情况。PSLF 仿真电力系统是实时的, 同样是通过解一系列时间跳跃的微分方程的方法,这一点类似于 PSCAD。PSLF 的仿真是更 适合研究那些时间间隔是毫秒级以及总的仿真时间是分钟或者更少的情况。 NS2(网络通信仿真软件) :它是一个离散事件驱动的通信网络仿真软件,是美国加州 大学伯克利分校,劳伦斯伯克利实验室,美国南加州大学,施乐公司帕洛阿尔托研究中心共 同努力得到的成果。NS2 是一个高质量的仿真工具,可以允许仿真各种各样的通信情况。虽 然有很多网络仿真工具,当评估 TCP 的行为、研究人员已经提出的 TCP 的变体以及大网络 UDP 路由的行为时,NS2 是使用最广泛的仿真工具, 。NS2 可以仿真这些协议在各种形式 压力下的行为, 比如说当多个应用程序共享网络、 相同的路由器通信以及通信链路之间可能 引起竞争网络资源,这些故障的影响包括路由器出现故障,链路故障,或拒绝服务攻击等。 它也可以捕捉正常动态, 通过中继多层次的路由器产生的实时数据速率的消息。 自从下一代
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的电力设备行业标准像实用通信体系结构利用 TCP 在以太网上运行后, NS2 关于 TCP 的详细 模型使它与涉及通信的电力系统情况变得特别相关。 必须强调的是, 虽然网络仿真工具能够重播以往网络行为的痕迹, 但运行网络仿真工具 时候使用统计通信模型变得更加普遍。 因为网络模型不是固定而是需要统计的, 所以在从结 果得出结论之前在不同的条件下广泛的进行各种实验是非常重要的。EPOCHS 依据 NS2 仿真 所有关于网络方面的情况,所以这些注意事项适用于从 EPOCHS 得到的结果。 AgentHQ:AgentHQ 给代理提供了一个统一的环境,并且当代理与 EPOCHS 的其他组件 交互时候充当临时代理。 通过它, 代理可以获取和设置电力系统值以及与其他组件进行消息 的收发。AgentHQ 是一个离散事件系统。当事件发生以及路线影响到代理时候将被处理。 RTI(运行支撑环境) RTI 作为所有其他组件之间的 : “胶水” 。负责同步仿真以及 EPOCHS 组件之间的通信路由选择。 任何仿真系统都有一个明确的要求, 当有一个早期的时间戳事件 存在且被完成前其他事件都不能被处理。 在顺序仿真工具中这是很容易做到的, 但在分布式 仿真系统中会出现问题。 在并行和分布式仿真研究界存在很多方法可以处理这个事情。 时间 阶梯模型是组件同步最简单的技术之一,在 EPOCHS 中被使用。在时间阶梯模型中,每一个 联邦组件在预设的仿真时间到达之前都可以被执行。 当所有的联邦成员都已经达到一个同步 点,联邦成员能够彼此通过 RTI 发送消息进行交互。一旦联邦成员交互结束,RTI 选择下一 个同步点时间,然后所有的仿真工具继续执行。在我们的模型中,同步点之间的时间量是固 定的。 时间步长是用户通过给定的案例间隔尺寸可以自行选择的。 仿真可以用很短的时间步 长, 这样可以与解耦仿真方法产生的误差相抵消, 同时也可以为更快的执行速度使用较大的 时间步长。认识到 RTI 是同步仿真时钟而不是实时时钟是重要的。如果仿真工具 A 每1毫秒 的仿真需要用10秒,仿真工具 B 每毫秒需要0.5秒,然而这些差异对于 RTI 并不重要。最重 要的是,如果事件发生在仿真时间后5毫秒,EPOCHS 的所有组件在同一个时间进行仿真。

B 组件交互
仿真工具之间的同步遵循一个简单的算法。首先,网络仿真工具 NS2 和 PSLF 或者 PSCAD/EMTDC 中的一个仿真工具开始被执行。仿真系统时间在时间 0 停止。在任何时间步 长开始,RTI 等待从仿真电力系统和 NS2 的同步消息。然后,RTI 将控制权让给 AgentHQ。 AgentHQ 依次将控制权传递给各个代理直到所有都被执行完毕。在这个周期中,代理能够发 送通信信息以及获取/设置电力系统变量。一旦所有代理都执行完毕,AgentHQ 就将控制权 返回给 RTI。最后,RTI 通知 NS2 和电力仿真系统,当前时间步长已经被执行。最后,这两 个仿真组件运行下一个时间步长。 必须特别注意 NS2。作为一个离散事件的模拟器,消息可被在两个同步点之间接收。这 在连续时间 PSLF 和 PSCAD / EMTDC 中是不可能的,因为这两个仿真工具是在固定的时间步 长求解微分方程。 如果一个消息在两个同步点之间抵达代理, 代理不需要与电力系统进行交 互,这个代理就能够正常进行。如果代理收到一条消息,要求读取或更改电力系统状态,那 么,代理将在队列中保留这个消息,直到下一个同步点到达。在这种方式中,离散事件 NS2 仿真工具和连续时间 PSLF 或 PSCAD / EMTDC 仿真工具之间的相互作用就可能随着时间的推 移导致出现错误。在一个时间间隔内每次错误都需要一个代理通过消息来改变电力系统状 态。 用户在设置 EPOCH 同步点之间的时间步长时会进退两难。同步的时间间隔越长,就会
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实现更快的仿真,但更小的时间间隔将减少累积的系统误差。但在实验运行的时候,已经采 取谨慎措施,为了尽量减少仿真的同步点的消息事件之间的误差都会选择较小的时间步长。

四、联合现用商货组件
斯特拉斯伯格列出了四个方法,使仿真工具符合 RTI,接近仿真联邦。 按照重要程度,如下所示: ?用适当的扩展重新实现工具。 ?用中间代码扩展的仿真工具。 ?使用外部编程接口。 ?通过一个网关程序连接。 在第一种方法中,开发人员修改仿真软件的源代码,以便它可以与 RTI 连接。第二种方 法是如果仿真软件在一个更高层次的语言中生成中间源代码, 就包括一个自定义源模块使其 支持 RTI。有些工具允许用户调用函数中定义的自定义源代码或动态链接库。第三个选项就 是利用此功能来使 RTI 支持。最后,如果没有这些选项的存在,但一个仿真软件有外部通信 设施,如文件,管道,或插口,然后开发人员可以沟通外部网关,将其作为 RTI 的一个代理 来实现。 三个商业和研究系统的联邦被作为一个有趣的案例研究, 因为根据斯特拉斯伯格的 列表他们中的每个都使用了不同的技术。 PSLF 和 PSCAD / EMTDC 都是商业产品, 它们的源代码不是开源的。 NS2 是一个源代码开 放的科研体系,但它会花很大的精力修改 NS2 的 150 万行代码与 RTI 连接。相反,每一个仿 真工具都使用内部的应用编程接口组合。 EPOCHS 同步的方法是一个便利的替代,即在它的仿真组件中修改核心源代码。PSCAD / EMTDC, PSLF 和 NS2 都允许用户自定义扩展。 PSCAD / EMTDC 情况下包括 C 编程语言实现的 用户自定义库,用来添加设备的定义,这在最初的软件中是不存在的。 PSLF 允许用户使用 其专有的 EPCL 语言自定义的设备的型号。 NS2 有一个程序,用 C + +来添加新的通信协议。 新设备存根已经建立,其目的是与 EPOCHS 平台的 RTI 在每个同步点进行交互。PSCAD / EMTDC 和 PSLF 都可自行修改时间步长。这两种系统都允许用户随意修改时间步长,但在第 一个 EPOCHS 版本发布时,时间步长保持不变。事件被添加到 NS2,以确保它在每一个时间 步长中也使用固定的长度。 这个过程是被简化了的,PSCAD / EMTDC,PSLF 和 NS2 都是单线程系统,所以当同步事 件发生时每个系统都会被停止。如果不是这样的性质,将会需要额外的努力来达到目的。 以下是 EPOCH 联合中所用的技术: NS2:这个网络的组件使用的是斯特拉斯伯格的第二种方法。一个新的传输协议添加到 NS2 使其能够链接到 RTI 组件。周期性调用增加仿真脚本,请求新的协议来停止执行,并与 RTI 每次时间步长交互一次。步长虽然是用户自定义的,但也应与电力系统仿真使用的保持 一致。 EPOCHS 充分利用 NS2 的 TCP 应用程序跟踪 TCP / IP 消息。 NS2 的 UDP 实现已经被 扩展,允许通过一个添加的类似 UDP 的应用程序跟踪消息。这些选择使用户可以灵活地选 择通过何种通信协议在何时通过调用 NS2 函数来发送数据。 PSCAD/ EMTDC :PSCAD / EMTDC 使用的是第三种结合方法。 PSCAD / EMTDC 是在 FORTRAN 源代码的基础上以及图形环境中产生的。用户可以通过调用 c 或者 FORTRAN 语言 实现的源代码扩展它的功能。PSCAD/ EMTDC 是一个时间连续的系统。一个库的建立是在每 一次的时间步长都对自定义组件增加一个调用。 PSCAD / EMTDC 组件可能会要求通过读设备 值开始。接着,部件联系 RTI 并通知它已经到达时间步长。当它们执行时,代理可以获取或 设置设备值。执行周期结束时,RTI 将会发送一个完成的消息给电气元件,这个消息包括任
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何在仿真中被更改的设置值。最后,将操作传回到仿真工具,并继续执行。 PSLF 机电动态仿真软件)PSLF 被使用的第四种组合方法。 ( : PSLF 包括其自己的语言 EPCL, 它类似于 C。使用 EPCL,会创建一个存根,通过文件使用开启与 RTI 之间的交互。所有的仿 真都运行在同一台机器上。如果不是这种情况,那么需要一个网关充当代理服务器与 RTI 进 行交互。 PSLF 周期性地停止执行,并等待从 RTI 发来的请求。传入的请求去获取或设置电力仿真 值进行处理,将结果返回到 RTI。当所有的请求都得到满足,最后一个信息发送到 PSLF,允 许其继续执行。

五、代理体系结构
前面一节描述 EPOCHS 组建联合仿真工具所采用的方法。 从这些讨论中看出一个关键部 分缺失了,这就是对提供给系统用户与 EPOCHS 进行交互的描述。在 EPOCHS 中,用户通过 使用代理与系统交互。本节介绍 EPOCHS 的代理、他们的能力以及该系统为用户提供应用编 程接口。

A.代理的定义
“代理”的概念被广泛使用,但这个属于没有公认的定义。代理几乎都有自主权(采取 独立行动的能力)和交互(感知周围环境的能力,并对其进行改变)的属性。此外,代理可 能会展现出流动性,智能化,适应性和通信的属性。在本文中,代理这个术语将被用来指计 算机程序,它自主,互动,具有通过网络进行沟通的能力。代理可能也具有除此以上的其他 属性。

B.电力保护和控制中的代理
传统的电网中包括了大量的保护和控制装置, 用来对本地信息出现的问题作出回应。 在 某些情况下此方法很有用, 但也有许多情况信息不是随时可用的, 如本地传感器或本地数据 库将需要规划,或者保护电网,或有效地控制它。由于缺乏这样的数据,网络必须在一个非 常传统的和潜在的低效率的方式运作, 而且可能无法支持所需的行为。 代理已经开始被认可 为一种自然的方式介绍并扩展进入电网, 不需要彻底改变传统的电力系统架构, 也因此在电 力研究领域获得认可。其自主性,共享信息性,协调行动的能力,易升级性以及远程位置控 制等特征都吸引电网运营商和协议设计者的目光。

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图表 2 基于代理的智能电子设备在应用程序专用网的内部

保护和控制方案中使我们有兴趣的是, 利用地理上的分布式代理找出一些数量的智能电 子设备,如图2所示。每一个智能电子设备都是一个硬件环境,有必要的计算,通信和输入 输出能力,需要支持软件代理。一个 IED 可以被代理加载,执行控制或者保护的功能。这些 基于代理的 IED 以自主的方式工作,与他们的环境和其它 IED 交互。例如,一个数字继电器 可以用其自己本地控制的线程作为一个代理, 但必须具有添加的能力, 即在任何网络中能监 听情况,这样就可以响应非本地事件。代理与其他代理通信,也许通过局域网络(局域网) 也许是通过广域网(WAN) 。这些 IED 目前比较少见,但很多已经上市可用,而且伴随时间 的推移以及电力设备的互操性的 IEC 61850标准的完善,人们预计它们的使用将会增加。 IEC 61850标准[30]建立在实用通信体系结构(UCA)[28]之后,是为了电力变电站,IED 和其他设备彼此沟通而创建的一个方法。 61850规定了可用数据的类型和名字以及访问和 IEC 交换数据的方法,还有电力设备和通信网络之间的接口。IEC 61850分为14个部分,其中10 个部分在写这篇文章的时候已经发布。自2000年以来,符合 UCA 2.0的设备已经可以使用。 可以预计符合 IEC 61850的设备在整个标准被批准时候就可会可用。重要的是要注意这个标 准指定的电力设备,特别是 IED,包括微处理器,存储器和通信系统。这些 IED 允许代理和 其他软件如它们在在先前定义的代理中预想的那样加载到设备中。

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图表 3 基于代理的 IED 的结构

基于代理的 IED 的结构如图3所示。代理内存中存在 IED 就可以通过本地传感器和 IED 的致动器采取行动来感知环境。传感器输入的例子可能包括本地测量的电流,电压,和断路 器的状态。 执行器输出可能包括利用信号来启动断路器跳闸、 变压器分接开关的设置调整以 及电容器组的选择。代理甚至可能连接遗留系统,如监控和数据采集(SCADA)系统。图2 中所示的主机计算机在这种情况下可以作为新老系统之间的桥梁。 内部的代理可能被多层次 的功能和控制组成,或者可以被单一的层包含,这都取决于设计者的规范说明。如图2中所 示,代理商为了与其他代理商交互,拥有通过一个 WAN 进行通信的能力,这个 WAN 可以 直接位于同一个 LAN 上,也可以通过信息传递给一个 WAN,如公用事业内部网,最终实现 与较偏远的 IED 通信的功能。 随着 IED 中越来越多地使用代理,使得基于代理的框架体系成为一个自然的选择。保护 和控制工程师可以为了在实际情况中使用而创建代理, 并且在 EPOCHS 环境中稍作改动来测 试他们。代理还可以模仿传统系统的行为。EPOCHS 早期采用者已经较直观的找到了代理的 概念。

C.电力通信网络的结构
网络计算系统已经无处不在, 在电力公司系统内将有可能更广泛的。 技术是不断革新的, 但它可以让受教育者猜测电力通信系统以后将会成为什么样子。 首先, 网络系统几乎肯定从 标准的现货商业组件建立。 如果不这样做, 无论是在初始成本费用还是在系统维护都将是昂 贵的。因此,这些网络将基于互联网标准,甚至系统将会保持独立的全球网络聚集。种种迹 象表明这种变化已经发生,已经显示出在这方面所付出了努力,如基于 TCP 的 UCA(电力企 业通信体系)的发展[28]。

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D.在 EPOCHS 中代理的应用程序编程接口
EPOCHS 的代理应用程序编程接口旨在最大限度地减少仿真系统与他们在真实世界之间 的差异,同时也为 EPOCHS 的用户简化实现。基本功能如图4所示。功能已被分解成两个主 要的类别。在 AgentHQ 子系统中发生事件,发送通知传递给适当的代理。代理通过使用方 法调用获取和设置他们环境状态来与周围的事物进行交互,同时也与其他的代理交换信息。 AgentHQ 通过每一个同步点触发, 并且在代理和网络通信仿真软件以及起作用的电力仿 真软件之间充当代理。在那时,AgentHQ 调用每个代理的请求和操作方法,让他们有机会为 下一个时间步长计算自己的一套操作。

图表 4 代码接口

这些代理保持休眠状态, 直到他们中的事件之一被调用。 电力系统的代理通过定期查询 他们的环境,来仿真现实中的保护和控制系统。时间间隔在开始时,每个代理被赋予一个机 会,通过发送 send_power_msg 以及接收 recv_power_msg 事件通知的结果请求它的电力系 统状态。所有代理的初始请求都被发送,并在一个块中收到答复。这是一个优化,去帮助弥 补在 AgentHQ 和电力仿真系统之间交换信息时文件的使用。 当所有代理都获得运行的机会, AgentHQ 允许每一个代理对他们目前的状态用相应的操作方法做出反应,他们可以用 send_comm_msg 方法发送通信信息,或者也可以让更多的电力系统通过 send_power_msg 方法发送获取和设置的请求。 除了这些常规的活动间隔, 单个代理人可能会在任何时候通过 recv_comm_msg 方法收到通信信息,他们可以在响应中采取更多的行动。

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六、实验结果
本节将详细介绍一个案例, 在这个案例中 EPOCHS 已被用来证明使用基于代理的特殊保 护系统通信的优缺点。 同时也简短描述了一个使用 PSCAD / EMTDC 和 NS2的后备保护系统的 例子。另外一个测试案例,由于空间的考虑没有介绍,它使用 PSLF 和 NS2,且为 EPOCHS 被创建,它监控电力系统,防止电压崩溃造成停电。所有案例的详情都可以在[31]找到。这 些实验描绘了这样一个未来,系统在被部署之前就可以通过测试发现问题。 必须强调的是,EPOCHS 允许用户使用 PSCAD / EMTDC 电磁仿真软件结合 NS2网络仿真 软件去测试电力保护和控制方案,也可以在机电仿真时使用 PSLF 和 NS2。EPOCHS 从来没有 同时使用 PSLF, PSCAD/ EMTDC 和 NS2。 电磁和机电仿真中涉及的时间步长存在很大的不同, 如果模型不合适的话会使得他们之间的组合变得困难。

图表 5 400-kV 电力系统,包含一个基于代理的备份保护系统

A.后备保护案例
继电器误操作,如一个正常的电路异常跳闸,隔离跳闸线路失败,这些都是电力系统中 涉及的主要扰动[32]。当主继电器发生故障时,区域3的备份继电器需要清除故障。后备保 护系统有许多挑战需要克服。首先,他们隔离的区域往往是比它需要隔离的范围大。其次, 它们传统的操作中不需要清晰的通信。对于区域3的继电器,小型的且被孤立的地区需要很 长的滞后时间, 这也是电力系统不稳定的主要原因之一。 本节叙述了后备保护系统通过使用 明确的基于网络的通信改善传统系统。 作为区域3的备份保护继电器,一个新的基于代理的设计已经被创建,用以改善传统的 继电器。基于代理的继电器能够使用通信发送中继状态信息、断路器跳闸信号事件,以及当 主保护事件发生时局部的测量值。

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图表 6 (a)主继电器在时间0.2通过设置跳闸信号导致误操作。 (b)传统的备份保护系统将会允许断路器跳闸,切断电源线。 (c)基于代理的保护系统通过与邻居沟通,确定相应的跳闸信号需要被停止。 (d)基于代理的系统停止假跳闸信号。

基于代理的保护系统与传统系统相比有很多好处。区域3继电器可以被监听,以允许修 正,防止断路器虚假跳闸。这些校正在负载很重的情况下,有可能大大降低不正确的跳闸的 数量。此外,在主继电器和本地备份继电器都故障的情况下,代理可以通过通知消息定位故 障线路的位置,同时也可以发送跳闸信号,仅清除出故障的线路。传统的备份系统清除这样 的错误是通过使用远程备份继电器, 需要一个更大的隔离区和更长的延迟时间。 如果代理发 现主继电器异常跳闸,一组信号就会被发送,来停止不必要的断路器跳闸。断路器保护失灵 会导致连接在同一总线以及这一总线范围的断路器跳闸并且引起更大的干扰, 导致整体可靠 性变差。在这些情况下,增强可靠性是很重要的。作为一个例子,图5显示了一个400千伏的 电力系统。图6显示的是一个主继电器误操作产生的结果。传统继电器不能明确的沟通,图6 (a)和(b)表示的是当它们被使用时候,主继电器误操作。如图图6(c)和(d)所示, 代理能够协调行动,及时发现并终止一个异常的断路器信号。 备份保护的示例演示表明 EPOCHS 在仿真电磁案例时候的功效,这些功效依赖所使用 PSCAD / EMTDC 和 NS2的通信。图6显示,通过与备份保护系统沟通合作可能产生的利益。 在下一节中介绍的是一个 SPS 例子,这是一个在机电情况下使用 PSLF 和 NS2。这些例子的 全部细节可以在[31]中找到。

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B. SPS(特别保护计划)案例概述
电力系统的不稳定通常可以影响大量的地区并产生可怕的后果。 为单个或一组发电机组 而失去同步的发电机, 相对于另一组发电机就是一个短暂的不稳定, 这可能会导致代价极高 的停电事故。稳定性问题涉及到的干扰通常包括发电量的耗损、负载或联络线。这些干扰刺 激电力系统机电动态特性。系统的响应通常包括频率,电压以及发电机相位角的偏差等。特 别保护计划(SPSS)就是为了抵消电力系统不稳定性而设计的一个机制。最常见的特别保护 计划是根据 SPS 闻名世界各地的一篇报告设计的, 采用出现故障时切换机组自动选择程序和 甩负荷的措施[33]。 本节设计的是在同一个通道已经发生中断的情况下,SPS 对于一个主要的超高压输电线 路也发生严重故障时的做出的反应。 目的是使系统在一个安全的工作频率范围内, 保持系统 的稳定性和完整性。SPS 系统采用一种算法来确定甩负载的合适数量,以此来保持系统的频 率高于基于广域测量预先设定的电平值。SPS 是专为广域保护设计的,并且通过面向系统的 方式。SPS 通过系统周期性的对同步信息进行采样,并且主要是依赖底层的通信基础设施。 广域保护系统依靠通信,要求一个仿真系统能够集成网络通信和电力系统的详细模型。 EPOCHS 是唯一提供这些综合能力的平台。被提议的 SPS 系统已经与一个版本被修正的 IEEE 50 -发电机测试案例完成测试。将来像在这里所描述的那样使用 SPS 是有可能的。SPS 实验 也同时证明了 EPOCHS 在利用网络通信评估机电系统的功效。

C、利用算法估算一个系统干扰大小
本节简述在紧急情况下面临的机电动态, 如何估计干扰的大小的一个算法。 该方法允许 在扰动后计算后稳态频率, 以及保持预先设定的频率水平值需要的甩负荷大小, 并且将发电 机调速器的影响考虑进去。通过 C 节中实验的描述和 D 节的实验结果可以发现,在现实的 测试环境中利用 EPOCHS,能够证明这种技术的可行性。 被提议的 SPS 的目标是甩掉足够的负荷, 以保持当遇到电量损失后系统的频率可以在预 设值之上。这样做的关键是在发生扰动时,精确的确定电量的不足之数。系统的短缺量可以 用下面的公式计算:

式(1)表明:扰动大小 Pd 等于系统的加速功率,Pa 与系统频率的变化成比例,由于 频率和电压的也发生改变,所以在加上电力需求变化量△Pe。Pd 是已丢失的,是确定发电 量多少的关键。需要注意的是记录 O- 和 O+是很重要的,这两个量分别表示扰动那一时刻 前后系统的频率。Pa 和△Pe 的都可以从基于广域测量中通过发电机的运行状态和系统扰动 前后的采样频率获得, 但测量点必须同步的在整个区域中采取。 数据点必须从该区域的发电 机和关键负载发送到 SPS,并且这些操作必须是在半秒内采取才有效果。在部署 SPS 时候产 生的费用和条件,使该系统经过彻底的测试变得至关重要,只有这样,在部署前,它的操作
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才能被充分了解。这些因素使 SPS 系统在 EPOCHS 的评估中充当一个很好的候选人。

D.系统研究和基于代理的 SPS
1) 系统研究:利用 IEEE145总线的50发电机系统进行实验仿真[34]。50发电机测试案 例具有相当大的电量份额,尤其集中在东北部和西南部的高负载系统中。 IEEE145总线50-发电机试验案例情况已被修改,以便能够更典型的体现出电力系统中需 要SPS保护。六台设备将总线设置为93,104,105,106,110和111都代表配有IEEE-型AC4励 磁的两轴机器模型。其他发电机代表的是经典机模型。所有发电机都配备了基本的汽轮机, 并采用压降设置为5%的调速器。在调速器响应后,以及新的负载参考点通过AGC子系统设 定之前, 系统已经完成了分析。 该系统已经被修改, 从总线1至25总线都加入了500千伏线路。 随着线路的增加, 系统的分支机构的数量从453也增加至454。 这样做的目的是创建一个为了 保持系统的稳定性,需要使用SPS的案例。电力系统一般可以承受一根线路发生故障,但如 果第二根线路也发生故障,并且不能够迅速的清除故障,则需要采取行动。接着,系统总容 量已减少到30050.00兆瓦。这降低容量的系统使4277兆瓦的功率能够沿500千伏输电通道流 动,这比它在原来的系统中更重要。上述变化引起的准入负载异常高。145总线的IEEE系统 已经重新调整, 通过将准入负载的百分比设置为5.02%来解决这个问题。 剩余94.98%的系统 负载已经被设置为恒定的有功功率和无功功率。 2) SPS 体系结构的概述:

被建议的SPS需要能够可靠又迅速地对机电系统的不稳定性做出反应。与传统的SCADA (数据采集与监视控制系统) 的通信要求不同, 因为在出现故障时切换机组自动选择程序和 甩负荷时候需要快速的信息更新和响应。代理被分成三种类型:主SPS代理,发电机代理, 和负载代理。 在IEEE 50-发电机的例子中, 主要的SPS代理位于总线1, 一个500千伏的变电站。 主代理识别极端突发事件, 如两条线路故障、 利用预设的单元值在出现故障时切换机组自动 选择程序以及在实时测量的基础上甩负荷的任务。 发电机是可以被拒绝的, 这是在仿真研究 的基础上选定的。主SPS代理与发电量以及负载代理通信,以此来收集数据值,包括发电机 的连接状态、 有功功率输出、 角频率和频率的导数。 它也与位于主要系统上的代理进行通信, 或者通过总线负载来采集电压和频率测量,也包括可用做甩负载的负荷。 发电机代理位于发电厂,他们将测量结果通过请求发送给主SPS代理。当主SPS代理下令 这样做的时候,发电机代理也可以拒绝产生。负荷代理主要位于配电变电所。当主SPS代理 下令这样做的时候,这些代理就会甩负荷。它们也在本地执行低频减载(UFLS) 。如果频率 达到57—58.5赫兹的阈值时,即在远程甩负荷后,计划将频率预设为58.8赫兹,且未能维持 其频率在58.5赫兹以上时候,低频减载就会发生。

E.仿真结果
最初,在基于EPOCHS仿真的电气部分,从总线1至6,1至25的500千伏输电线路,以及1 至2的线路,分别承载了722.2,1106.5和2X361.1兆瓦的负荷。1-6线路的使系统在有压力的 环境下运行。在电线1-25和1-2中的电力,分别都增加至1384和2515.7兆瓦。当1-6已经跳闸 时,如果三相故障在1总线附近发生,去开启1-25线路的重要故障清除时间大约是0.065秒。 通信网络建立在每个总线的一个节点上以及一个或多个传输线节点间的边缘上, 。链路
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延时设置为0.5秒。每个链路的带宽设置为150 MB/ s,这样就没有数据包会因为网络拥塞而 丢失。每链路丢失率首先被设定为0%,然后,实验用5%的丢失率重新运行。完成对5%的 链路丢失率的仿真是为了得到一个基本的想法,即SPS系统对于有损通信将如何反应。所有 消息都使用UDP发送。

图表 7 被一个干扰引起的短暂不稳定时的转子角度的变化

通信网络中配置的所做假设,都有助于SPS系统能够正常运行,并能从EPOCHS获得正确 的结果。 实际的网络通信由于传播延迟、 路由器的排队延迟以及机器内部的缓冲发送和接收 等原因,是存在延迟的。排队延迟依赖被通信竞争创建的网络拥塞程度,随着时间的推移有 改变的倾向。EPOCHS有模拟这些复杂状况的能力,但早期的实验为了帮助验证EPOCHS以及 SPS系统的研究,已经将模型简化。 在SPS的实验中,故障发生在0时刻的1-25线路。0.07 s故障被清除,并在0.1 s时给发电机 93发送了一个跳闸命令。 由于故障在关键故障清除时间点后被清除, 系统变得短暂间不稳定, 一个17台的发电机组与另一个33台发电机组失去同步。图7表示一个具有代表性的样本发电 机相对于发电机备用总线145的转子角度。 主要SPS代理在总线1意识到情况,并开始与其他系统代理进行通信来收集数据值,包括 发电机的连接状态, 有源功率输出和角速度。 主代理也对在总线93的代理发出一个出现故障 时切换机组自动选择程序的命令。 总线93是基于离线仿真研究选择的。 出现故障时切换机组 自动选择程序是系统保持稳定,如图8(a) ,但频率下降到57.5赫兹附近,如图8(b)所示。 主代理检测“干扰”是被总线93上出现故障时切换机组自动选择程序创建的。它开始估 计干扰大小,并发现它是1862兆瓦。主代理计算出存在2090 MW的电量遗留,并且预测说在 这种干扰发生后的稳态系统频率为57.45赫兹。预测的频率值如图8(b)所示,非常接近仿 真结果。

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图表 8

(a) 在出现故障时切换机组自动选择程序后系统保持稳定 (b) 系统经历了一个无法接受的频率降低

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图表 9 远程甩负荷以保证频率在预设值之上

图表 10 比较SPS运行在不同的损失率状况

由于在测试系统中预先设定的频率是58.8赫兹,远程甩负荷是必需的。甩负荷量估计为 886兆瓦,以保持系统频率高于预设值。总的甩负载量会在总线14,25,27,63,和69中以 相同的百分比分配给每个负载。各个总线需要的甩负载量分别是85.97,293.29,182.25, 157.16和167.92兆瓦。该系统的频率响应如图9所示,证明了被建议SPS系统的优点。 SPS实验也验证了EPOCHS的准确性。代理的日志网络通信,电力请求,EPOCHS的组件之 间传送的信息都显示EPOCHS是正常运行的。实验如预测那样运行,也证实了EPOCHS的仿真

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环境。 EPOCHS也有助于系统的开发商阐述在SPS系统中潜在的还没有被预料到的问题。 图10显示出SPS运行在一个每个链路都有5%的丢失率和一个没有通信损失的情况是不 同的。SPS代理使用算法,根据同步的在每一个负载获取的和在该地区的发电量代理的测量 值确定甩负载的量。 测量时必须采取接近干扰的点才会有效的。 造成0%的损失率和5%的损 失率两个案例之间不同的原因可能是,过去经常用于计算扰动的大小和甩负荷量的信息不 同。 如果有太多的通信数据包丢失, 那么可能在扰动开始和扰动的计算点之间有大量的时间 滞后。在发生扰动后,系统频率将会持续下降。SPS算法暗中依赖接收到的测量值为接近故 障发生的时间,但没有明确的机制被创建来证明实验中的描述。图9中所显示的结果作为一 个像EPOCHS的仿真平台的功效的图解,同时也表明如果不提供逼真的仿真设备可能会有隐 藏的缺陷,产生消极的后果。 实验结果论证了被提议的SPS系统的功效。更普遍的是,通过这个实验也验证了EPOCHS 平台,并且举例论证了基于网络通信的电力保护和控制系统能够有效地进行仿真。

七、未来的工作
EPOCHS 和它的应用为今后的工作开启了许多可能性。首先,大型的应用程序需要被开 发,用来仿真复杂的发生在实际电力系统中的交互。其次,内部网的功效有可能会在各种设 备上实现共享,产生广泛的网络流量,用于支持下一代的保护和控制系统。背景流量的类型 模型可以预料在这些企业内部网已经被开发[31],并正在集成到 EPOCHS 中。最后,项目研 究小组的目标是使用 EPOCHS 来仿真一个真正的电力中断,如2003年8月的大停电。

八、结论
本文介绍了 EPOCHS 平台,一个仿真引擎,它将 PSCAD / EMTDC、PSLF 和 NS2的功能通 过一个代理组件结合在一起。本文有三个主要贡献。 ?仿真工具是第一次与电力系统组件和实际的网络通信相结合。 ?EPOCHS 通过桥接无关的仿真引擎的方法,无需修改任何系统中的源代码 ?EPOCHS 的平台使用一个简单但功能强大的代理框架,仿真建模人员很容易使用。 在涉及通信的电力的情况中 EPOCHS 的效用已被证明,包括备份保护,特殊保护系统, 电压崩溃等。

REFERENCES(未翻……)
如果你是自己看的话 就不翻了哈%?? 水平有限,(*^__^*) 嘻嘻??有些话如果出错了误导你不负责 O(∩_∩)O 哈!

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