智能电网是将先进的传感量测技术、信息通信技术、分析决策技术和自动控制技术与能源电力技术以及电网基础设施高度集成而形成的新型现代化电网^[1]，其主要目标是实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全.相比于传统电网^[2-4]，智能电网可以进一步优化各级电网控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系架构，通过集中与分散相结合的模式，灵活变换网络结构、智能重组系统架构、提升电网服务质量，实现与传统电网截然不同的电网运营理念.

随着智能电网的建设与应用推广，电力通信网络贯穿于整个“发电、输电、变电、配电、用电、调度”自动化系统中.然而，由于专业的局限性，电力业务运行人员对智能电网“电力流、信息流、业务流”一体化融合技术的认识不够深入、准确.另外，电网结构复杂化、信息容量扩张化、实时信息传输增大化等也给电力业务的安全可靠运行带来了极大的挑战^[5].因此，通过仿真软件实现电力系统与通信网之间数据交换传输过程的定量仿真变得十分必要和迫切.

此外，随着智能电网仿真需求的不断增多，仿真系统所承担的任务也越来越广，仿真系统构建也越来越复杂，目前单平台的集中式仿真系统无法完全满足智能电网仿真的需求.为提高仿真系统的互操作性和仿真组件的可重用性，研究分布式仿真技术能保证不同类型的仿真应用协同工作，完成复杂的仿真任务，从而形成一个综合的仿真交互环境.

为此，本文设计并实现了一个分布式智能电网半实物通信仿真系统，可用于智能电网真实设备接入仿真，实现了智能电网典型业务的快速配置与仿真，为电网运行和管理人员提供了有效的性能分析与研究评估依据，由此为智能电网规划决策提供了可靠依据.

1 系统整体框架

本文设计的分布式智能电网通信半实物仿真采用高级体系结构(high level architecture, HLA)/运行支撑环境(run time infrastructure, RTI)，其中HLA通过定义仿真中对象、对象属性及对象间信息交互的格式和内容，形成完备且统一的仿真规则，各分布式成员通过访问RTI的接口规范及服务，实现分布式成员之间实时可靠的数据交互.系统由控制台模块、仿真模块和统计显示模块组成，各模块作为HLA体系中的联邦成员，实现功能模块的分布式架构.

1.1 系统功能架构

分布式智能电网通信半实物仿真系统采用HLA/RTI分布式体系作为基本架构，分为控制、仿真、统计显示等3大功能模块，在RTI运行支持环境下，通过标准RTI接口互联，各模块之间进行命令交互和数据交换，如图 1所示.控制功能模块作为系统集中控制单元，用于实现其他功能的全局配置，主要包括统计显示参数与仿真场景参数、各模块在跨机协同工作时的服务器地址、仿真启停命令等.仿真功能模块作为系统运作的核心功能，主要提供实物接入虚拟仿真环境功能，通过对各类业务节点、链路与网络模型库进行建模，同时订阅控制台发布的打开场景/启动仿真命令，形成相关环境文件与批处理文件，来完成对电力通信网的场系统提供简洁的仿真配置界面，业务场景支持智能发电视频监控业务、智能输电线路在线监测业务、智能变电状态监测业务、智能配电自动化业务等.统计显示功能模块通过订阅控制台所发布的仿真配置参数及仿真模块发布的性能指标，将仿真结果存储于本地数据库并进行相关数据处理，以完成按图表形式动态展示仿真结果.

1.2 软件整体架构

分布式智能电网通信半实物仿真系统软件由底层通信、仿真应用和界面展示3部分组成，如图 2所示.底层通信部分主要基于HLA/RTI运行支撑环境完成，提供模块之间协同运行接口.仿真应用层由控制台模块、仿真模块和统计显示模块组成，控制模块发布通过半实物接口接入仿真模块，仿真模块再将仿真数据、统计性能指标等进行发布，供统计显示模块取出部分数据，并以图表形式展示评估结果.最后，所有模块将数据传递到界面展示层，用户通过可视化界面(GUI)使用系统提供的各项功能.

仿真应用层软件模块由以下部分组成：

1) 控制台模块运行于系统后台，设计流程如图 3所示，采用统一的HLA/RTI接口与仿真模块、统计显示模块进行数据交互；并调用RTI接口发布各种参数交互类，以供仿真模块与统计显示模块订阅，具体包括：其他各模块配置信息、仿真场景参数、运行环境配置文件、打开/启动仿真的批处理文件等.

2) 仿真模块包括节点模型、协议模型、半实物仿真接口和仿真场景构建等.节点模型包括：支持变电站层监控主机、间隔层保护控制设备以及过程层合并单元(MU)和智能断路器(ISG)；支持WIFI、路由器、以太网交换机等网络节点模型，具备数据传输、接入、路由/交换等功能；支持视频监控主站、集抄站、负控主站模型，具备网络管理功能；支持各类数据存储的服务器节点模型，具备数据输入、存储功能.链路模型包括以太网、无线局域网、点到点网络及其链路，具备设定链路的传输速率、支持的封包格式及采用哪些管道阶段来描述链路的物理特性等功能.协议模型包括：标准OSI协议栈各层协议，支持以太网链路层协议，支持WIFI等无线传输协议，支持标准MPLS标签分发协议及VPN，支持TCP/IP通信协议栈.

为了实现半实物仿真，仿真模块通过系统在环(simulator in the loop，SITL)将物理设备接入到虚拟环境中，仿真模块可对物理设备接入的真实业务数据进行端到端传输和性能统计，以验证该半实物仿真系统满足实时仿真要求^[8]，为实物接入的电网通信决策提供可靠依据.

为方便电力操作人员更准确直接地选择所需节点、链路与网络模型，仿真模块利用外部模型访问(external model access，EMA)^{[6, 7]}来构建仿真场景.

如图 4所示，电力运行管理人员通过仿真场景设置界面对所需仿真场景进行详细配置，并基于EMA接口生成仿真单元启动仿真所需的相关文件，包括网络模型文件、环境文件、预览网络模型和启动仿真的批处理文件等；接着仿真模块根据界面参数生成建立场景所需xml文件，以供场景快速导入；最后通过RTI接口发送启动仿真和性能指标统计命令至其他模块.

3) 统计显示模块

统计显示模块由通信接口、数据处理、结果输出等模块组成，如图 5所示.其中，与仿真模块通信接口负责接收仿真模块输出的各个指标数据；数据处理模块负责处理接收到的各类数据，包括接收指标体系数据等；结果输出模块负责结果的显示，包括动态曲线显示、文字信息显示等.

统计显示模块首先定义联邦成员文件，其中声明了所需的RTI服务、交互类、对象类等；接着统计了仿真模块发出的数据参数，通过映射文件对应找出需要订阅的交互类数据；之后进行相关参数的数据处理，并将接收到的数据通过曲线图的方式动态呈现在界面上，供电力运行管理人员自行选择所需展示的性能指标，为电力决策提供服务.

1.3 系统工作流程

图 6所示为系统各模块联合工作流程，具体流程如下：

1) 控制台配置仿真模块运行参数，用户通过控制台配置仿真场景，生成仿真场景脚本文件，并发送到仿真模块；在仿真场景配置过程中同时根据用户配置参数生成统计场景参数文件.

2) 控制台发布启动仿真的命令.

3) 控制台配置统计显示模块运行参数，将统计场景参数文件发送给统计显示模块.

4) 仿真模块将仿真得到的网络性能指标值进行发布，统计显示模块订阅这些网络性能指标值，仿真结束后进行整体效能评估，以图形化形式显示评估结果.

2 关键技术 2.1 HLA/RTI分布式体系架构

高级体系结构HLA规范主要由联邦规则、接口协议、对象模型模板(object model templet, OMT)、运行支撑环境RTI等部分构成^[9-12].其中，将用于实现某一特定仿真目的的分布仿真系统称为联邦(federation)，它是由若干相互交互的仿真对象模型(simulation object model，SOM)与共同的联邦对象模型(federation object model，FOM)构成的集合.

系统采用HLA/RTI分布式体系作为智能电网仿真系统的基本架构，将控制台、仿真模块、统计显示模块等3个模块作为HLA体系中的联邦成员，在RTI运行支持环境下，通过标准RTI接口互联，各子模块之间进行命令交互和数据交换，如图 7所示.控制台控制各功能模块，负责发布各单元配置信息、场景参数等；仿真、统计显示模块通过订阅部分信息与控制台单元进行数据交互.在仿真模块中建立了2个联邦成员，一个命名为startOPNET，用于自动启动OPNET软件并预览自定义的仿真场景；另外一个命名为opnet_run_sim，用于运行OPNET仿真以及发布各类性能指标结果，HLA节点提供通用RTI服务，通过额外的进程开发文件和仿真属性配置就能够使仿真过程及行为满足联邦的特定要求。在统计显示模块中，数据处理模块直接调用RTI接口，订阅仿真单元发布的性能指标结果，并将其绘制成图表，在系统联邦运行时成为联邦成员.

2.2 半实物仿真接口

SITL作为OPNET Modeler的半实物仿真模块，可以支持虚拟网络与真实设备之间进行协同仿真，可以测试网络软硬件的原型是否满足可扩展性、互操作性以及对标准的符合程度，也可以在原型网络中加入大量的虚拟节点，评估系统的可扩展性^[13].其实现方式是将仿真单元的物理网络接口与虚拟网络中网络地址映射，通过映射成功的物理网络接口与外部设备相连.SITL模块作为专门用于网络半实物仿真研究的应用模块，支持网络中大部分协议，仿真按实际时间运行，通过网卡就可以实现和物理设备的交互^[14-15].

系统在进行半实物仿真时，真实网络设备与运行仿真的计算机之间通过以太网接口进行数据交互，一个仿真网络可以连接多个真实网络设备.SITL存在于仿真单元中，在搭建电网拓扑时使用SITL网关(sitl_virtual_gateway_to_real_world)，并通过SITL链路(sitl_virtual_eth_link)将其与下一跳节点相连，此时需保证SITL节点的MAC地址与其映射的真实网卡的MAC地址匹配，SITL节点的下一跳节点与SITL在同一子网内.SITL对数据包的处理过程如图 8所示，由SITL链路和SITL网关两个部件构成，SITL链路用于将SITL网关与其他仿真节点模型相连；SITL网关用来连接外部设备，并将真实的数据包与仿真数据包进行格式转换，从而使真实网络设备产生的数据顺利接入虚拟仿真系统.

2.3 仿真配置外部访问接口

仿真模块基于OPNET仿真环境进行开发设计，由于OPNET图形界面编辑器中仿真模型过多，且并不完全适用于智能电网各项业务，因此必须使用自动化的模型构造过程，以便进行协同仿真或模型校验.系统采用EMA这一外部访问接口，针对智能电网，分别从EMA模型、EMA对象、EMA属性等3个层级结构进行模型编程设计.EMA模型由一组描述模型文件内容的对象组成，EMA对象由一组属性组成，各类不同模型的不同成分都具有不同属性值，这些属性可默认设定，也可通过本系统配置界面进行修改.外部访问接口开发主要有两类流程：读取与修改已有模型文件流程、创建新模型文件流程，详细流程如图 9所示.

3 仿真实例与结果 3.1 光伏发电监控业务仿真实例

以光伏发电监控业务为例，监控中心包括监控工作站、各功能工作站、远程工作站、远程通信设备、打印设备、报警设备等；网络传输层包括网络交换设备、接口设备和网络连线、电缆等；前段设备则包括逆变器、环境监测仪及其通信装置、可选视频采集及其通信装置等.该业务的主要流程如下：逆变器、直流屏以及电能量采集等装置中的智能监控模块，将相应装置的开关情况、充放电等工作状态转变为数据流通过局域网上传至数据采集器；环境监测仪采集的环境参数、视频监控单元采集的视频图像将同时上传；各类数据在数据采集器中汇总传送到对应的以太网交换机，再传送至储能站监控管理系统.储能站监控系统对数据信息进行采样和综合分析，制定合适的控制策略，对各子系统运行参数进行优化设置，再将控制信息发送至各个终端设备.

仿真单元配置流程中，首先根据业务场景添加子网或节点对象，并装载相应业务库对提供的传感器节点类型进行更换；接着对子网对象进行详细配置，包括子网内部节点类型及网络拓扑结构等.以上节点配置完成后，场景中的各个对象显示在树控件中，进而选择其中合适的节点，建立跨子网的外部链路；最后自定义仿真时间与文件名，生成可供打开并启动的nt.m网络模型文件.此外，本单元还提供删除节点、更新节点、查看配置、重置参数等功能.

启动该仿真系统，在控制台界面打开仿真单元界面对光伏发电监控业务场景进行详细配置，配置3个固定子网、1个中心服务器和1个汇聚路由器，并装载光伏发电监控业务库，统计显示模块读取配置参数后，显示该业务场景拓扑.统计显示模块对全网吞吐量、业务时延进行动态曲线显示，如图 10所示.仿真中可以结合当地的实际情况对链路的时延、误码率以及交换设备端口数据传输速率进行调整，统计得到的网络状态信息可对真实智能电网的规划决策提供参考.

3.2 电力系统安全稳定控制业务仿真实例

本节以电力系统安全稳定控制通信业务为示例，部署示意图如图 11所示，主要包括安稳控制系统PMU子站、路由设备、半实物仿真接口、仿真模块、控制模块、显示模块.该业务的主要流程如下：相量测量装置(PMU)以及安稳控制装置将数据传送给路由器，再通过半实物仿真接口映射到仿真网络中的节点，仿真网络中数据通过OPNET搭建PMU传输的虚拟网络场景传输，最终输出到由另一台PC机模拟的PMU主站.控制模块对相应的仿真场景进行详细配置，并通过统计显示模块展示场景参数及业务时延、丢包率等统计结果.

其中，PC机通过simpmufep程序来模拟PMU主站进程，图 12为主站通过仿真网络接收到的PMU子站数据，由于仿真过程中PMU子站并未接入实际测试，故得到的数据均为0.表 1为电力系统安稳控制业务的半实物仿真测试数据，仿真中可对网络拓扑、链路、协议、节点模型进行调整，统计得到的信息可对现网络规划进行评估论证，具有一定的指导作用.

4 结语

随着智能电网的快速发展，电力通信网的可靠仿真对智能电网建设决策具有非常重要的意义.本文设计并实现了一个分布式智能电网通信半实物仿真系统，此系统实现了控制、仿真、统计、显示等多模块信息高度集成、共享、仿真动态可视化，操作灵活、设置方便且运行稳定可靠，从根本上提高了电力业务操作人员的工作效率和技术水平，为智能电网的安全可靠运行提供了一种便利的工具，具有良好的社会效益和经济效益.