一類協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制研究

王繼華 周建章 張惠仙 鐘 旭

(北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司)

一類協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制研究

王繼華 周建章 張惠仙 鐘 旭

(北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司)

為了滿足用戶對(duì)仿真系統(tǒng)提出的新需求，結(jié)合傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)，提出了協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)的概念，并給出了其特征、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用實(shí)例。結(jié)合報(bào)警機(jī)制的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)協(xié)同分布式系統(tǒng)列出了報(bào)警機(jī)制的結(jié)構(gòu)圖、時(shí)空?qǐng)D，并針對(duì)計(jì)算單元端與報(bào)警結(jié)果獲取端的程序模型進(jìn)行了詳細(xì)描述。

報(bào)警機(jī)制 電站仿真系統(tǒng) 協(xié)同分布式 模型

傳統(tǒng)的電站仿真系統(tǒng)[1]數(shù)學(xué)模型運(yùn)行于單臺(tái)獨(dú)立計(jì)算單元上，隨著電站仿真系統(tǒng)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的逐漸拓寬(如主機(jī)與輔網(wǎng)的模型需要分散同步運(yùn)行、電網(wǎng)的暫態(tài)仿真[2]運(yùn)算頻率要遠(yuǎn)高于熱動(dòng)模型等)，使用者對(duì)電站仿真系統(tǒng)健壯性、高精度、高實(shí)時(shí)性的需求日益提升，導(dǎo)致傳統(tǒng)的單機(jī)分散式系統(tǒng)框架已經(jīng)無(wú)法滿足新型需求，進(jìn)而提出了協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)的新概念。

一些學(xué)者針對(duì)電力系統(tǒng)的報(bào)警機(jī)制進(jìn)行了深入研究[3～9]，但均未涉及協(xié)同分布式[10]實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)所具備的特有屬性，比如：分布運(yùn)行的模型需要協(xié)同數(shù)據(jù)采集進(jìn)行報(bào)警分析的問(wèn)題，異步運(yùn)算后的報(bào)警結(jié)果實(shí)時(shí)同步問(wèn)題等。筆者將針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入探討研究。

1 協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)

協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)是在傳統(tǒng)單臺(tái)獨(dú)立計(jì)算單元的實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)引入多個(gè)計(jì)算單元，使得模型計(jì)算分散化、管理集中化的一類仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下特征：

a. 分布性。實(shí)際電站系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型分別運(yùn)行于多個(gè)計(jì)算單元，每個(gè)模型可依據(jù)自身需求采用不同的運(yùn)行策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分布計(jì)算。然而其分布性對(duì)用戶而言是透明的，即用戶完全意識(shí)不到多個(gè)分布式處理單元的存在。

b. 協(xié)同性。各計(jì)算單元(處理器或計(jì)算機(jī))通過(guò)物理連接或者計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，將其運(yùn)行結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)采集端匯集并互相通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步共享和平臺(tái)集中管理。

c. 實(shí)時(shí)性。數(shù)學(xué)模型在處理器或計(jì)算機(jī)上能夠在確定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完畢。嚴(yán)格意義上來(lái)講是指數(shù)學(xué)模型的物理執(zhí)行周期要小于邏輯運(yùn)算步長(zhǎng)周期，確保外部激勵(lì)信號(hào)可以在模型中及時(shí)響應(yīng)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含有多個(gè)運(yùn)算單元和一個(gè)數(shù)據(jù)采集端；同時(shí)包含多個(gè)操作員端；系統(tǒng)中應(yīng)用服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)所需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取與發(fā)送。

圖1 協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

運(yùn)算單元(處理器或計(jì)算機(jī))為數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算環(huán)境，多個(gè)運(yùn)算單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)運(yùn)行結(jié)果通過(guò)物理或網(wǎng)絡(luò)匯總于數(shù)據(jù)采集端；之后數(shù)據(jù)采集端將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)共享。

應(yīng)用服務(wù)器上含有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次管理的相關(guān)軟件，如：系統(tǒng)控制管理軟件、報(bào)警處理軟件及歷史數(shù)據(jù)管理軟件等。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)存放了整個(gè)系統(tǒng)的最終數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以供應(yīng)用服務(wù)器或操作員端直接獲取使用。

1.2 系統(tǒng)實(shí)例應(yīng)用

與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，分布式的結(jié)構(gòu)使得協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)可以在以下實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)：

a. 運(yùn)算獨(dú)立。傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在一個(gè)計(jì)算單元內(nèi)運(yùn)行時(shí)常遇到計(jì)算實(shí)時(shí)性和計(jì)算準(zhǔn)確性的沖突，因此需要將不同模型區(qū)別對(duì)待。分布式的結(jié)構(gòu)可以將對(duì)運(yùn)算頻率要求較高的數(shù)學(xué)模型提取出來(lái)獨(dú)立運(yùn)行，使得上述兩種性能可以同時(shí)滿足，如電網(wǎng)暫態(tài)部分的計(jì)算頻率要遠(yuǎn)高于熱機(jī)模型所需的計(jì)算頻率。

b. 提升加速規(guī)模。傳統(tǒng)的系統(tǒng)運(yùn)行于同一計(jì)算單元時(shí)，成倍的加速會(huì)將計(jì)算單元的資源耗盡而無(wú)法繼續(xù)加速。分布式的運(yùn)算結(jié)構(gòu)可以為局部模型爭(zhēng)取到更多的運(yùn)算資源，從而為仿真系統(tǒng)的進(jìn)一步加速運(yùn)行提供技術(shù)支持。

c. 逼真的結(jié)構(gòu)仿真。傳統(tǒng)的系統(tǒng)將數(shù)學(xué)模型統(tǒng)一在一起同時(shí)運(yùn)行，使得物理結(jié)構(gòu)上原本分開運(yùn)行的模塊混在一起。分布式的結(jié)構(gòu)可以使電站不同的數(shù)學(xué)模型(如主機(jī)輔網(wǎng)和不同的DPU站)分散運(yùn)行，進(jìn)而更真實(shí)地反映出現(xiàn)場(chǎng)的組織結(jié)構(gòu)。

2 報(bào)警機(jī)制的數(shù)學(xué)模型

文獻(xiàn)[11]結(jié)合康托爾集合理論為報(bào)警機(jī)制建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

仿真系統(tǒng)的報(bào)警機(jī)制就是在數(shù)學(xué)模型的實(shí)時(shí)運(yùn)算過(guò)程中，依據(jù)報(bào)警規(guī)則對(duì)當(dāng)下數(shù)據(jù)周期性判斷，針對(duì)報(bào)警信息條目所表示的有序多重集合進(jìn)行查找、插入、更新、刪除和備份的過(guò)程。

3 報(bào)警機(jī)制協(xié)同設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電站仿真系統(tǒng)的模型運(yùn)行環(huán)境為單個(gè)計(jì)算單元，報(bào)警應(yīng)用程序可以頻繁采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷最終輸出報(bào)警結(jié)果。但分布式的系統(tǒng)倘若仍采取此方法進(jìn)行配置，則需要將報(bào)警應(yīng)用程序放置于應(yīng)用服務(wù)器端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)然后再進(jìn)行規(guī)則判斷。

采用該策略在實(shí)際仿真系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算單元計(jì)算頻率過(guò)大或者多個(gè)故障密集觸發(fā)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的丟包現(xiàn)象，從而使得報(bào)警系統(tǒng)得到的報(bào)警信息失真。因此需要針對(duì)分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)不同的報(bào)警運(yùn)行機(jī)制。

為了實(shí)現(xiàn)分布式仿真系統(tǒng)的報(bào)警協(xié)同運(yùn)行效果，筆者設(shè)計(jì)了推送應(yīng)用程序和報(bào)警結(jié)果獲取模塊兩部分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息的同步。

3.1 協(xié)同結(jié)構(gòu)

如圖2所示，計(jì)算單元分為引擎部分、模型代碼區(qū)、內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)、應(yīng)用代碼區(qū)和外存數(shù)據(jù)區(qū)。其中引擎部分是計(jì)算單元的驅(qū)動(dòng)；模型代碼區(qū)存放了仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型指令流；內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)是模型運(yùn)算時(shí)可以實(shí)時(shí)快速讀取的數(shù)據(jù)存放區(qū)域；應(yīng)用代碼區(qū)與外存數(shù)據(jù)區(qū)是計(jì)算單元完成特殊任務(wù)的應(yīng)用程序代碼指令流和數(shù)據(jù)的存放區(qū)域。

圖2 協(xié)同仿真系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制結(jié)構(gòu)

將原本位于應(yīng)用服務(wù)器端的報(bào)警算法推送至各個(gè)運(yùn)算單元的應(yīng)用代碼區(qū)，在運(yùn)算單元內(nèi)計(jì)算完成的數(shù)據(jù)直接經(jīng)過(guò)報(bào)警算法判斷是否生成報(bào)警信息，將產(chǎn)生的報(bào)警信息放置于本運(yùn)算單元的外存區(qū)內(nèi)。

應(yīng)用服務(wù)器上的報(bào)警結(jié)果獲取端周期性地從各個(gè)運(yùn)算單元獲取報(bào)警結(jié)果進(jìn)行匯總，從而大幅減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量，避免了數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了分布系統(tǒng)的報(bào)警協(xié)同功能。

3.2 協(xié)同機(jī)制時(shí)空視圖

如圖3所示，某仿真任務(wù)由S1…Sm組成，分別在各自運(yùn)算單元上以步長(zhǎng)為T1…Tm的周期執(zhí)行，當(dāng)共同推進(jìn)時(shí)間T后(T為T1,…，Tm的最小公倍數(shù))(即S1…Sm分別進(jìn)行了T/T1…T/Tm次迭代)，各運(yùn)算單元在每個(gè)執(zhí)行周期進(jìn)行一次報(bào)警判斷(圖3中的●處)，在周期T到達(dá)時(shí)(圖3中的▲處)，報(bào)警獲取端分別從各自的外存數(shù)據(jù)區(qū)中將數(shù)據(jù)匯總，從而得到全部的報(bào)警信息。

圖3 協(xié)同仿真系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制時(shí)空?qǐng)D

報(bào)警結(jié)果獲取端對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)器上的報(bào)警庫(kù)與各個(gè)子計(jì)算單元的報(bào)警數(shù)據(jù)同步。

3.3 計(jì)算單元端程序模型

報(bào)警機(jī)制的主要處理模型流程如下：

STEP 0(事件處理) 事件響應(yīng)周期性地被系統(tǒng)調(diào)用，從事件消息結(jié)構(gòu)中提取信息。如果是報(bào)警上傳消息則轉(zhuǎn)入STEP 1，如果是變量更新消息則轉(zhuǎn)入STEP 2，否則轉(zhuǎn)入END。

STEP 1(報(bào)警上傳) 將數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的不包含已發(fā)送標(biāo)記的報(bào)警信息打包后發(fā)送給服務(wù)器，同時(shí)對(duì)本次發(fā)送的報(bào)警信息打“已發(fā)送”標(biāo)記戳，清空數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)已經(jīng)恢復(fù)的報(bào)警信息，返回END。

STEP 2(變量分流) 在報(bào)警監(jiān)控點(diǎn)集合P中搜索pi，如果搜索成功則轉(zhuǎn)入STEP 3,否則轉(zhuǎn)入END(P等字母所示含義詳見文獻(xiàn)[11]中的數(shù)學(xué)模型)。

STEP 3(規(guī)則判斷) 更新pi信息，循環(huán)搜索pi所對(duì)應(yīng)的規(guī)則判定條件ti,j并執(zhí)行判定。循環(huán)完畢后轉(zhuǎn)入END。循環(huán)過(guò)程中若ti,j觸發(fā)了報(bào)警則轉(zhuǎn)入STEP 4，若ti,j沒(méi)有觸發(fā)報(bào)警則轉(zhuǎn)入STEP 5。

STEP 4(觸發(fā)處理) 生成報(bào)警ai,j。在報(bào)警信息條目集合A中搜索未復(fù)位的ai,j，若沒(méi)有搜索成功則將(as,ts)和報(bào)警標(biāo)志插入集合A；返回STEP 3。

STEP 5(復(fù)位處理) 生成報(bào)警ai,j。在報(bào)警信息條目集合A中搜索未復(fù)位的ai,j，若搜索成功則將(as,ts)和復(fù)位標(biāo)志插入集合A；返回STEP 3。

END(結(jié)束處理) 等待下次事件調(diào)用。

3.4 報(bào)警結(jié)果獲取端程序模型

報(bào)警機(jī)制的協(xié)同處理模型流程包括時(shí)間驅(qū)動(dòng)的獲取報(bào)警部分，以及事件驅(qū)動(dòng)的報(bào)警更新部分。

獲取報(bào)警部分的主要處理模型流程如下：

STEP 0(發(fā)送獲取請(qǐng)求) 向各個(gè)運(yùn)算單元發(fā)起獲取報(bào)警信息的消息，等待數(shù)據(jù)返回。

STEP 1(匯總數(shù)據(jù)) 將返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，依據(jù)生成時(shí)間對(duì)它進(jìn)行排序。

STEP 2(插入報(bào)警) 將整體信息放置在報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)中，并觸發(fā)報(bào)警更新部分算法。

報(bào)警更新部分的主要處理模型流程如下：

STEP 0(事件處理) 事件響應(yīng)系統(tǒng)被調(diào)用，從事件消息結(jié)構(gòu)中提取信息。如果是報(bào)警確認(rèn)消息則轉(zhuǎn)入STEP 1，如果是報(bào)警信息消息則轉(zhuǎn)入STEP 3，否則轉(zhuǎn)入END。

STEP 1(確認(rèn)分流) 在報(bào)警信息條目集合A中搜索ai,j，如果搜索成功則轉(zhuǎn)入STEP 2，否則轉(zhuǎn)入END。

STEP 2(確認(rèn)處理) 將搜索到的集合元素置確認(rèn)標(biāo)志，返回END。

STEP 3(標(biāo)記分流) 循環(huán)所有報(bào)警信息，如果是帶有插入標(biāo)記的報(bào)警信息消息則轉(zhuǎn)入STEP 4，如果是帶有復(fù)位標(biāo)記的報(bào)警信息消息則轉(zhuǎn)入STEP 5，循環(huán)完畢則轉(zhuǎn)入END。

STEP 4(觸發(fā)處理) 在報(bào)警信息條目集合A中搜索未復(fù)位的ai,j，若沒(méi)有搜索成功則將ai,j插入集合A；返回STEP 3。

STEP 5(復(fù)位處理) 在報(bào)警信息條目集合A中搜索未復(fù)位的ai,j，若搜索成功則將搜索到的對(duì)象置復(fù)位標(biāo)志；返回STEP 3。

END(結(jié)束處理) 等待下次事件調(diào)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的新需求，提出協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)的概念；該系統(tǒng)為傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)常遇到的若干問(wèn)題的改進(jìn)提供了技術(shù)支持。同時(shí)從理論角度，給出了電站仿真系統(tǒng)報(bào)警機(jī)制的數(shù)學(xué)模型；依據(jù)協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)列出了報(bào)警機(jī)制的結(jié)構(gòu)；并對(duì)結(jié)構(gòu)中涉及的計(jì)算單元端和報(bào)警結(jié)果獲取端的程序模型進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該模型為協(xié)同分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)了報(bào)警機(jī)制的解決方案，同時(shí)也為該系統(tǒng)的其他協(xié)同分布問(wèn)題提供了一些借鑒。

協(xié)同分布式實(shí)時(shí)電站仿真系統(tǒng)必將促使仿真系統(tǒng)得到更廣泛的應(yīng)用，為電站運(yùn)行人員實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)的積累創(chuàng)造更有利的條件。

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注：①著者姓名應(yīng)列全(3個(gè)以上的只列3個(gè)，并在第3個(gè)著者名后加“等”)；

②國(guó)外作者名應(yīng)將“姓”排前，“名”排后。

StudyonAlarmMechanismforCollaboratively-distributedReal-timePowerPlantSimulators

WANG Ji-hua, ZHOU Jian-zhang, ZHANG Hui-xian, ZHONG Xu

(Beijing Sifang Automation Co., Ltd.)

In order to meet the consumer’s demands for simulation system, having traditional real-time simulation system for power plants considered to propose the concept of collaborative distributed real-time simulation system was implemented, including the presentation of its characteristics, structure and application cases. Combinding with the mathematical model of alarm mechanism, the structure diagram and space-time diagram for the alarm mechanism which are designed for collaborative distributed system specially were listed and the program models for the calculating unit and the collecting unit of alarm results were described in detail.

alarm mechanism,power plant simulator, collaboratively-distributed,model

TH862+.7

A

1000-3932(2017)05-0478-04

王繼華(1986-)，碩士研究生，從事電站仿真系統(tǒng)開發(fā)研究，wangjihua@ncepu.edu.cn。

2016-10-10)