基于HLA的电力反事故仿真培训系统.pdf

基于H L A 的电力反事故仿真培训系统8 7基于H L A 的电力反事故仿真培训系统+李蔚清1 林昌年2 杨选怀2 吴慧中1 1 南京理工大学计算机科学与技术学院南京2 1 0 0 9 4 2 中国电力科学研究院北京1 0 0 0 8 5摘要：针对大规模电力反事故仿真培训中的数据一致性和互操作需求，遵循I E C6 1 9 7 0 标准，基 于高层体系结构H L A 设计了电力反事故仿真框架论述了基于公共信息模型C I M 的调度员培训仿真 系统的互操作接口和基于R T I 的仿真系统软总线技术实践表明，该仿真框架满足大规模电力反事故 仿真培训的要求，具有很好的工程应用价值 关键阀：高层体系结构( H L A ) 调度员培训仿真( D T S ) I E C6 1 9 7 0 公共信息模型( c I M )1 引言2 0 0 3 年8 月1 4 日，北美地区发生大面积停电事故，造成巨大损失，同时向电力行业敲响了警钟电力系统如何应对在紧急状况下保障设备、线路、网络稳定成为重大课题中国电力系统各部门从各自的角度吸取了很多教训，坚持进行反事故演习，该工作也成为各省电力公司工作重点之一，并已形成惯例。

通过反事故演习，加强和提高电力运行人员的防范意识，检验运维人员对于故障的处理能力和事故指挥人员的协调、组织能力，最终达到在实际工作中缩短事故处理时间、保证电网安全的目的但基于电力调度生产系统的反事故演习受时间、范围、演习方式等各种因素的影响，具有很大的局限性在电力技术飞速发展、网络结构日益复杂和对专业人员维护技能要求越来越高的今天，迫切需要一套在不影响电力网络正常运行的基础上，既能够使操作人员实战演练网络中出现的各种故障，又能够克服人为因素使操作人员业务水平得到真实评价的反事故仿真培训系统，从而能够满足反事故演习和专业培训考核的需要电力系统近年来投入使用的调度员培训仿真系统( D T S ) 在电力运行人员仿真培训中发挥了巨大的作用D T S 是用于培训电网调度员的计算机数字仿真系统，是电力系统仿真和调度自动化的结台，它通过建立实际电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故障前后的系统工况，并将模拟的结果送到仿真的电力系统控制中心，为调度员提供一个不影响实际系统运行的身临其境的调度环境1 1 】D T S 对于电网状态的仿真一般通过求解高阶微分方程实现，复杂度随电网节点数量按几何级数增长。

由于需要实时解算并要求快速收敛，使得D T S 仿真规模受到限制在省网以上规模的联合反事故演习中，D T S 只能为本地演习方提供实时信息，无法为参演各方所共享为了改进D T S 使用的局限性，我们设想在反事故演习中让演习各方包括网调及其下级参演单位可以始终共享D T S 提供的信息即在演习过程中，各方面对的是同一个数据断面，即当时D T S 系统模拟的电网工况，任何一方的操作都能直接作用于该数据断面并使 之相应地变化同时结果为其他各方共享为此我们提出，基于先进分布仿真的高层体系结构( H L A ) ，采用国际电工委员会( I E C ) 的6 1 9 7 0 系列标准，为电网各级单位的D T S 系统建立基于公共信息模型( C I M ) 和组件接口规范( C I S ) 的一致性数据接口，以H L A ／R T I 为基础实现全网一致的组件通信机制，采用地区电网分级分区的外网等值计算方法，实现全网实时联合仿真和反事故分析演练演习前发布初始潮流方式等电网工况信息和演习方案：演习期间实时发布各个时刻的电网工况信息、统计信息和控制信息：演羽过程中各参演单位实现模型和数据的互操作，从而构成大规模、强实时、高度真实感的电力反事故协同仿真演练平台。

’作者简介：李蔚清，( 1 9 7 4 一) ．男，博士研究生，南京理工大学计算机科学与技术学院．主要研究方向为系统仿真和虚拟 现实技术8 8计算机技术与应用进展·2 0 0 62H L A 先进分布仿真技术2 ．1 H L A 简介在分布交互仿真领域，仿真协议经历了分布交互仿真( D I S ) 、聚合级仿真( A L S P ) 和高层体系结构( H i g hL e v e l A r c h i t e c t u r e ，H L A ) 三个阶段美国国防部建模与仿真办公室( D O D ／D M S O ) 在1 9 9 5 年提出了H L A 的概念H L A 作为新一代的先进分布仿真标准，与D I S 和A L S P 相比，最本质的不同在于：①具有标准化的技术规范：②面向不同领域前者使H L A 所实现的功能与具体应用系统无关，具有通用性、开放性和可扩展性等特点；后者则实现了不同类型、不同时间推进机制的仿真系统间的互操作I z j 运行时间框架( R u nT i m eI n f r a s t r u c t u r e ，R T I ) 作为H L A 的软件实现，将应用层的仿真操作与底层通讯功能加以分离，并针对不同的用户需求和应用目的，实现了联邦快速、灵活的组合和重配置，促进了仿真应用的互操作和重用，是复杂分布仿真互操作的支撑环境。

我国军用仿真领域在“九五”期间开始进行H L A 体系结构和R T I 的研究，在此基础上，“十五”期问开发完成了具有自主知识产权的多个R T I 实现版本2 ．2 H L A 与C O l i b A 的比较H L A 具有分布对象技术的特征，即基于面向对象技术的中间件，用以屏蔽网络硬件平台的差异性和操作系统与网络协议的异构性，实现分布环境中对象模型的交互目前的分布对象技术主要有C O R B A 、分布组 件对象模型D C O M 和J a v aR M I ／E J B ，其中只有C O R B A 是真正跨平台的、与语言无关的对象互操作模型C O R B A 与H L A 既有相似之处，又有所不同”J 相同点包括：①都是技术规范而非软件实现，C O R B A 通过对象请求代理( O b j e c tR e q u e s tB r o k e r ，O R B l来实现．H L A 通过R T I 来实现；②都是中间件，处于系统与应用之间；③都是客户机朋＆务器结构，通过接 口申请服务，运行时通过代理来实现服务功能；④支持应用系统的互操作与可重用不同点包括：@ C O R B A 可以实现网络层的互操作，而H L A 则很难实现不同R T I 间的互操作；厘) C O R B A面向各种应用领域，更强调功能的完备性，而H L A 主要面向仿真应用领域，更强调仿真的运行性能，如同步机制、实时性等；@ H L A 中具有属性迁移特性以及不同的时间推进机制。

C O R B A 面临的最大问题是实时性和复杂性，但它在技术上的成熟性以及良好的互操作性仍值得借鉴 3 基于甩A 的电力反事故仿真框架3 ．1 仿真框架的功能定义依托先进成熟的H L A 仿真体系结构，设计开发～个满足电力反事故演习和培训需求的电力仿真集成环境该集成环境的作用是模拟一个典型的电力网络，在这个仿真网络环境里，能够模拟各种线路、设备而降低开发成本：可以设置各类典型故障和事故，可以真实地模拟出现实环境中的各种应急场景，使得反事故演练更具真实性；通过分析在试验结果，决策者可以不断改进反事故预案考虑到电力网络的复杂性，遵循I E C6 1 9 7 0 标准，使应用软件接口标准化，实现即插即用，设计实现针对各层次仿真实体的仿真逻辑，以内在的”神似”追求外在的”形似”，从而构建一个电力系统反事故演练平台平台功能应与正在运行的电力网络和设备相同，摸拟演练时，能够仿照运行管理规定的程序和步骤进行操作( 如：判断、通知、处理等) ，演练平台的动作应与实际网络或设各的动作完全一致，并能够分析故障原因和导致的结果，具有自动考核和评价功能整个系统遵循开放式标准，能够实现不同厂家不同设备的统一仿真引擎和反故障分析。

着眼于省网的反事故演练，依托大规模并行离散事件仿真工具，实现一个支持大规模分布式仿真的演练平台基于先进分布仿真协议的智能代理，实现对传统D T S 系统的封装，在仿真数据协议层次上构造出 一个H L A 仿真网络，从而使传统仿真系统获得更大规模、更高实时性的应用基于H L A 的电力反事故仿真培训系统8 93 ．2 仿真框架的总体结构电力反事故仿真框架体系结构如图I图l电力反事故仿真框架的体系结构图2 动态仿真框架的结构在该框架的分层结构中，虽底层的联邦仿真开发工具( F D K 川) 负责协调大规模分布式仿真的通讯协议接口H L A 通过相对独立和通用的底层R T I 将联邦应用层同底层支撑环境相分离应用层主要负责联邦成员的运行和计算，实现仿真模型的主要功能，而底层支撑环境则负责提供时间管理、数据分发和通信机制等功能经过验证，基于H L A 体系结构和R T I 运行环境的联邦仿真开发工具( F D K ) ，满足构建省级电网或者更大规模网络并进行实时实时通信的需求在联邦仿真开发工具( F D K ) 上一层，是基于大规模并行仿真工具( 如潮流计算B P A ／E M T P 工具、电网S C A D A ／E M S 仿真工具、离散事件仿真工具O M n e t + + 等) 实现的动态仿真框架( D y n a m i cE m u l 撕o nB a c k p l a n e ) 层。

这一层的主要功能是基于各类仿真工具，提供各种具有标准接口的仿真逻辑和仿真服务模 块动态仿真框架D E B 的结构如图2 其中，各类仿真工具( B P A 但M 仲，s c A D A ，O M n e t + + 等) 通过动态仿真框架接口，访问R T I 三大类服务一时间同步、属性更新、数据分发，底层的通信可以通过各种机制( 高 速网络、共享内存或者T c 肌P ) 来实现在动态仿真框架D E B 层上，是由设备仿真器( N e t w o r kS i m u l a t o r ) 构成的虚拟设备和由虚拟设备组成的虚拟网络( V i r t u a lN e t w o r k ) 设备仿真器实现设备级的仿真逻辑通过网络仿真工具( E M T P ／S C A D A／O M n e t + + ) 形成仿真线路和拓扑，把设备级仿真节点，连接成虚拟网络( V i r t u a lN e t w o r k ) 设备仿真器在仿真过程中，以超实时或者实时的速度进行设备级仿真，在网络拓扑仿真模型( A p p l i c a t i o n ) 的协调机制下，以实时的速度仿真整个网络的行为。

引入动态仿真框架( D E B ) 层，可以基于动态仿真框架的公共接口实现异构网络的协同仿真异构网络( H e t e r o g e n e o u sN e t w o r k ) 可以是网络拓扑或协议上的异构，也可以是使用不同的仿真工具开发的仿真应用( 如不同，一家开发的D T S 系统) 所有的异构网络，通过公共的D E B 层仿真服务，在时间推进、数据分发、实体通信等方面具有公共接口和互操作机制在完成设备级和网络级的仿真后，又在D E B 层上引入了”网络协议代理”一v e i l 网络协议代理( V e i l )实现协议数据的捕获、再现、收集和回放，在数据驱动的层次上构造出一个虚拟设备，从而使虚拟设备可以与真实物理效应器实现无缝集成和嵌入式仿真一个运行中的虚拟电网，设备仿真器根据各自的状态维护各自的属性，每个设备仿真器对应一个网络协议代理( V e i l ) ，网络协议代理根据设备属性维护当前的H L A 联邦成员状态信息D T S 系统根据这些状态信息，进行设备管理如果虚拟电网中出现故障，设备仿真器改变自已的某些属性，而网络协议代t 里( V e i l )修改相应的状态信息，从而反应到D T S 系统中。

也就是说，通过网络协议代理( V e i l ) ，使得D T S 系统不能分辨出当前管理的。