基于OPC的電力信息物理系統仿真平臺研究

孫正龍，趙靖博，莊鈞植，蔡國偉

（現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室（東北電力大學），吉林 132012）

隨著智能電網新技術的發展，并在緩解能源與環境壓力的推動下，信息通信技術已滲透到電網基礎設施和應用調控的各個方面，不僅有利于增強電網監測和調控能力，也有利于實現電網與用戶互動來優化資源配置[1-4]。信息網和物理電網的融合與協作是未來智能電網的重要特征之一，構成了典型的信息物理系統CPS（cyber-physical system）[5]。基于物理系統和信息系統融合的新一代電力系統的穩定運行控制研究在理論研究和工程應用兩方面均具有重大意義[6-7]。

目前，國內外的一些學者對電力信息物理系統進行了許多相關內容的研究。文獻[8-11]提出了電力信息物理融合系統的基本架構以及未來可能會面臨的技術挑戰，并討論了對通信系統的建模方法。文獻[12-13]從工程實際出發，利用電力系統自動化通用標準IEC61850，對信息系統進行了詳細建模，但并未充分考慮物理系統的建模。但在電力信息物理系統的研究中，面臨著一個嚴峻的挑戰，電力系統是一個時變連續的系統，主要是對功角、功率、電壓等電氣量進行計算分析的。而信息系統是一個離散系統，主要是由通信事件觸發的，電力系統和信息系統在理論方面和研究方法上是有所割裂的，已有的融合模型雖然可以在一定程度上描述物理電網與信息系統間的耦合關系，但卻無法定量地描述兩者在機電時間尺度上的動態耦合。在現有理論和方法框架下難以將兩者融合統一，而且現有的電力系統很難獨自反應信息系統中通信網絡對其的影響。所以面對這一個嚴峻的挑戰，需要搭建一個能夠模擬電力信息物理系統的仿真平臺，進而能夠實現對物理系統和信息系統之間耦合關系的分析。

目前，針對此問題國內外研究學者提出了許多種不同架構的聯合仿真平臺方案，主要分為兩類。第一類方法是擴展單個模擬器的功能，以實現電力系統和通信網絡的模擬，文獻[14-15]分別對OPNET通信軟件擴展模擬電力系統一部分功能和對PSASP電力系統軟件擴展模擬通信網絡一部分功能，然而單一工具只能模擬簡單的場景，如果電力系統或通信網絡變得過于復雜，它們就不再有效，無法實現聯合仿真功能；文獻[16]將電力仿真和信息仿真其中之一進行模塊化，從而使得一個仿真模塊可以插入到另一個仿真平臺，進而實現電力和信息模型能夠進行同步仿真，但此種方案雖然采用模塊調用的方式，無需額外的時間同步和數據交互環節，而需要對電力系統或者通信系統其中之一進行很大意義上的簡化建模，犧牲了系統的一部分功能。第二類方法是電力系統和通信系統采用在各自方面的專業仿真軟件，兩個軟件共同形成協同仿真工具，文獻[17]中電力系統和通信系統采用在各自方面的專業仿真軟件，雖然軟件十分復雜但是可以插入或者引入一個能夠實現管理和數據交互的模塊，來完成對時間的同步。該方法能夠保持兩個系統的動態特性，最大程度地保持系統的全面性和準確性，但是結構復雜，實現難度很大。也有學者用實際設備代替仿真模型，組成了一個半實物仿真系統，提供了更多的精度。文獻[18]建立了基于實際以太網的半實物仿真系統，以說明通過以太網傳輸電力系統數據的通信延遲如何影響實時可觀測性的準確性；文獻[19-20]分別提出了基于OPAL-RT和OPNET、OPAL-RT，DSP控制器，OPNET和主站的半實物仿真架構，這類仿真平臺能夠對系統動態性能進行高精度模擬，但是設備價格昂貴，平臺建設較為復雜。

鑒于上述研究背景，本文使用應用于過程控制對象鏈接與嵌入OPC[21]（object linking and embedding for process control）技術來與DIgSILENT Power-Factory和Matlab-Simulink通信，DIgSILENT中模擬電力系統，Matlab中模擬信息系統，進而搭建了一個電力信息物理融合系統的仿真平臺，從而實現了通信系統和電力系統之間的數據信息傳輸。

1 電力信息物理系統仿真平臺架構

本文主要描述電力信息物理系統仿真平臺組成部分，其結構如圖1所示。采用DIgSILENT和Matlab搭建仿真平臺，分別仿真電力系統動態行為和信息通信系統的監測與控制功能，并通過OPC服務器分別與之連接，實現數據之間的傳輸。

圖1 電力信息物理系統仿真平臺架構Fig.1 Architecture of simulation platform for cyberphysical power system

1.1 OPC技術

OPC是為了不同供應廠商的設備和應用程序之間的軟件接口標準化，使其間的數據交換更加簡單化的目的而提出的，從而可以向用戶提供不依靠于特定開發語言和開發環境的可以自由組合使用的過程控制軟件組件產品[22]。MatrikonOPC是OPC基金會開發的工具，其主要目標是簡化工業通訊以及設備集成和管理[23]。搭建電力信息物理融合系統仿真平臺的過程中，如何實現電力系統仿真工具DIgSILENT和信息系統仿真工具Matlab的聯合運行是一個較為困難的問題，因為兩個軟件之間并沒有直接連接的接口，無法實現信息的傳輸與通信，他們之間需要一個用于數據交換的通信接口。利用OPC接口技術，采用服務器和客戶端的模式實現數據通信可以較好地解決該問題。OPC技術具有統一標準的接口，通過客戶端訪問服務器，從而軟件之間可以連接進行數據交換。它可以建立一個模擬測試環境，為實時數據交換提供了耦合機制，在該環境中可以與多個客戶端連接交換數據。DIgSILENT和Matlab都可以作為OPC的客戶端與之連接，兩個仿真環境之間的OPC服務器提供了一個定義和標準化的接口，可以作為一個數據傳輸通道來間接實現DIgSILENT和Matlab之間的數據交換，任何數據值在OPC服務器上發生變化，也會引起已連接客戶端DIgSILENT和Matlab的數據值改變，從而能夠實現基于DIgSILENT的電力系統仿真和基于Matlab的通信系統仿真之間的數據交互。

1.2 電力物理系統建模及仿真

DIgSILENT PowerFactory是一個在應用于發電、輸電、配電和工業系統的領先的電力系統分析軟件，本文中用于電力系統的建模和仿真，DIgSILENT代表OPC服務器的一個客戶端，通過在DIg-SILENT中設置外部測量對象，定義DSL模型，并在其中聲明全局變量操作后，可以向OPC服務器傳輸RMS數據，進而通過OPC向與之相連的另一客戶端傳輸數據信息。

1.3 信息系統建模及仿真

本文采用Matlab-Simulink對信息系統的建模和仿真，將其作為OPC服務器的另一個客戶端與其連接，可以實現將信號傳遞給OPC或從OPC服務器中讀取數據的操作，進而完成與DIgSILENT直接數據傳輸。

在本文中信息系統模型主要是以廣域測量系統WAMS（wide-area measurement system）為例進行搭建的。其模型主要包括控制中心、遠程終端單元RTU（remote terminal unit）、同步相量測量單元PMU（phasor measurement unit）、數據傳輸模塊、路由器以及防火墻等通信系統模塊[24]，組建相關模型的功能塊可以在Matlab-Simulink中找到，其中對PMU、RTU的建模如圖2所示。PMU組成的主要模塊包括輸入/輸出端口、數據包發生器、緩沖器、處理器、輸出開關和網絡接口。RTU使用的功能塊包括路徑組合器、先進先出隊列、服務器和輸出交換機。數據傳輸模塊采用關鍵端口特性來刻畫通信網絡系統，即采用通信延時和錯誤率來描述通信傳輸過程，表示為

圖2 信息系統建模Fig.2 Modeling of information system

式中：Din,T為T時刻通信系統要傳輸的數據；Dout,T+ΔT為T+ΔT時刻達到的數據；etunnel為傳輸通道的錯誤率，產生該錯誤率的原因可能是通信系統當中的隨機因素或者惡意的信息供給；ΔTtunnel為傳輸通道的延遲，主要取決于通信系統采用的通信協議與通信方式；ΔT為在一次具體傳輸過程當中的通信時延。

最后，電力信息物理系統平臺基本組成如圖3所示。

圖3 電力信息物理系統平臺基本組成Fig.3 Basic composition of cyber-physical power system platform

圖3中，廣域監測與控制系統是通過PMU采集電力系統中的電流、電壓和功率等電力信號數據并將其通過數據傳輸模塊傳遞到RTU，RTU通過數據傳輸模塊與PMU和控制中心分別連接，其功能是將PMU中傳輸來的信號進行采集、數據處理，之后把數據上傳至控制中心。控制中心根據控制策略下發控制指令給RTU，進而將控制信號下傳給電力系統，從而實現了數據在電力系統與信息系統之間的傳輸。路由器和防火墻是能夠與控制中心和遠程終端單元進行安全通信，為系統創建了一個網絡安全邊界，保護數據的傳輸使其免受外部流量和惡意活動的影響。

2 電力信息物理系統仿真平臺的實現方案

2.1 OPC與DIgSILENT的連接

為了實現OPC與DIgSILENT之間的連接關系，本文首先通過外部數據鏈接對象建立起與對應OPC服務器的初步連接；其次，主要是完成DIgSILENT里變量的傳遞，通過搭建動態模型框架，對外部測量對象標簽的設置，使得DIgSILENT可以將電力系統中元件的功率、電壓等電氣量數據傳遞給OPC服務器中，也可以完成從OPC中獲取控制變量信號，進而實現彼此之間的連接，完成數據的雙向傳輸過程。OPC與DIgSILENT的連接流程圖如圖4所示。

圖4 OPC與DIgSILENT連接流程Fig.4 Flow chart of OPC and DIgSILENT connection

2.1.1 DIgSILENT與OPC交互接口

為了建立OPC與DIgSILENT的連接關系，首先是通過名為“外部數據鏈接”（ComLink）的通信對象在DIgSILENT中配置OPC客戶端。該鏈接對象保存著OPC客戶端的配置，負責發送和接收數據。通過該對象，可以將DIgSILENT作為客戶端設置其所有必需的OPC參數。

此時需設置的參數如下。

（1）OPC客戶端類型：OPC TDS。類型的選擇會影響如何將輸入數據設置到DIgSILENT，該類型的設置可以實現仿真過程中數據的輸入與輸出。

（2）OPC服務器的目錄地址，即計算機名稱：localhost。

（3）程序ID：Matrikon.OPC.Simulation.1。選擇想要與之連接的OPC服務器名稱。

（4）引擎標識：保持默認值0。

通過執行通信對象（ComLink）進行初始化與服務器的通信過程，從而完成客戶端DIgSILENT與OPC服務器的初步連接。

2.1.2 DIgSILENT中動態模型的建立

通過DSL模型是基于DIgSILENT仿真語言（DSL）建立的模型，在DIgSILENT軟件中電力系統的電力信號的后處理需要設置DSL模型，該模型將外部測量對象的信號與電力系統的元件相關聯，通過對DSL模型的設置，實現了外部數據跟DIgSILENT中內部模型動態數據的連通，從而使得模型內部數據的變化可以反映到外部測量對象中，本文以元件負載為例。DSL模型的要素如下所述。

（1）復合模型。復合模型允許定義不同信號之間的相互作用。在這種情況下，它將外部測量對象中的信號與負載聯系起來，如圖5所示。復合模型中有兩個塊，圖左邊的塊是指ElmDsl類型的塊，其為負載信號源；圖右邊的塊是指ElmLod類型的塊，其為要控制的負載。通過建立負荷的復合模型，實現了負荷的有功功率和無功功率與外部測量對象的連通。

圖5 復合模型Fig.5 Compound model

（2）通用模型。外部通信對象的負載信號源需要通過通用模型（ElmDsl）來進行配置，通過這種方式，外部測量對象中的信號被注入到電力系統中。

2.1.3 DIgSILENT中測量對象和標簽的設置

通信對象通過外部測量對象連接到每個變量，外部測量對象負責在OPC服務器中讀取或者寫入數據。這些對象可以進行雙向配置。換句話說，他們可以同時讀寫數據。作為配置過程的一部分，數據類型必須與OPC服務器的標簽中聲明的數據類型相匹配。外部測量的主要參數如下。

（1）基本參數：外部測量對象的標簽標識。外部測量對象類型應選擇真實類型，需要注意的是，其中外部測量對象名稱的設置應與OPC服務器中項目標簽的名稱相對應，對于每一個OPC標簽名稱，在DIgSILENT中只能配置一個測量對象，通過該設置實現測量對象與OPC標簽的連接對應關系，完成數據的讀取或寫入操作。通過選取DAT類型設置變量的數據類型。

（2）狀態：數據的寫入和讀取。外部測量對象的數據寫入和讀取在該選項中設置。

（3）后處理：外部測量對象的控制。外部測量對象是由后處理選項進行控制，該選項可以實現外部測量對象與元件內部變量的連接，為了實現負荷有功功率變量與DIgSILENT中的負荷DSL模型進行連接，在該選項卡中設置有功功率的變量名稱，完成外部測量對象跟DIgSILENT中內部DSL模型動態數據的連通。

通過完成上述內容設置，從而實現OPC與DIg-SILENT的之間的數據交互。

2.2 OPC與Matlab的連接

Matlab與OPC接口的設置主要是借用OPC Toolbox[25]實現的。本文廣域測量系統采集電力系統的發電機有功功率、無功功率、機端電壓等電力信號需要借助OPC的傳輸，為了實現電氣量數據在OPC與Matlab之間的傳遞，需要在Matlab中創建與OPC通信的服務器對象、組對象以及要測量的具體電氣量數據項，進而完成變量的讀取或寫入操作，Matlab作為OPC服務器客戶端的通信流程如圖6所示。

圖6 OPC與Matlab通信流程Fig.6 Flow chart of communication between OPC and Matlab

為了使電力系統模型與廣域測量與監控模型之間的數據傳輸更為方便，現將Simulink與OPC服務器進行連接完成其通信過程。在Matlab環境中，應采用分層結構管理OPC服務器和數據之間的連接。通過創建了一個OPC客戶端對象，以使得Simulink與OPC服務器的通信成為可能，有助于在Simulink中進行OPC數據記錄、讀取和寫入過程[21-22]。在Simulink環境中，為了完成上述功能，需要借助Matlab提供的接口模塊，接口模塊主要包括3個模塊，其功能如下。

（1）OPC配置模塊。OPC配置模塊可在其中設置OPC客戶端，主要設置OPC客戶端連接項，選擇對應的OPC服務器。在配置OPC客戶端選項中，將顯示所有能夠與Simulink連接的OPC服務器的名稱與連接狀態，它允許Simulink作為OPC客戶端進行交互。

（2）OPC讀取模塊。服務器中的項可以顯示出客戶端訪問的值，也可以顯示連接的設備。服務器的標識可以將服務器和客戶端彼此連接并進行數據訪問。服務器中的項添加到客戶端時，它們就建立了連接，可以進行數據訪問。

從DIgSILENT到Simulink的數據讀取是通過OPC讀取塊進行的，在OPC讀取塊配置界面中可以設置讀取模式，采樣時間、數據值類型與要讀取數據的項目名稱，其中，每個項目的名稱應該與先前在OPC服務器中定義的標簽名稱相匹配。

（3）OPC寫入模塊。從Simulink到DIgSILENT的數據寫入是通過OPC寫入塊進行的，與讀取塊的設置一樣，項目名稱應該與在OPC服務器中定義的標簽名稱相匹配。

Simulink中OPC讀取模塊讀取的數據作為控制對象的輸入，通過寫入模塊將數據結果寫入，等待讀取模塊進行讀取操作將數據作為控制器的輸入，然后通過寫操作和讀操作反饋給被控對象，從而完成Simulink與OPC服務器的連接。

3 電力信息物理系統仿真平臺的同步策略

3.1 時間同步

通過本文第2節內容，實現了OPC服務器分別與客戶端電力系統仿真工具DIgSILENT和客戶端信息系統仿真工具Matlab之間的連接與數據傳輸。但由于電力系統仿真通常是時間驅動的，而信息系統仿真是由事件驅動的，從而如何解決二者之間的同步機制問題是能否成功搭建電力信息物理系統仿真平臺的關鍵。

為了解決聯合仿真平臺的同步問題，已有研究發展了多種同步策略，主要有時間步進策略、主從同步策略以及全局事件同步方法等。本文主要采用了全局事件同步方法，與其余幾個同步策略的電力系統和信息系統仿真同時運行不同，該策略兩個系統的仿真是交替進行的，較為容易實現，并且不需要對現有仿真程序過多改造，仿真過程中，在一段時間之內只允許一個事件進程運行，另一個事件進程停止，其仿真流程如圖7所示。

圖7 仿真流程Fig.7 Flow chart of simulation

在仿真前首先進行初始化設置，對系統的仿真時間、仿真步長等參數進行設置后，電力系統按照設置參數進行連續仿真，采集每一步仿真結束后的電力系統仿真數據，并仿真至同步事件處，仿真暫停。將電力系統數據通過OPC服務器傳遞給信息系統，信息系統接收到數據后，進行信息系統仿真，當仿真到同樣的時刻時暫停，并向電力系統輸送控制信號與數據。電力系統接收到信號后繼續進行下一時刻的仿真，按照該方法仿真直到達到設定的仿真時間，從而結束仿真。同步機制如圖8所示。

圖8 全局事件同步方法Fig.8 Synchronization method for global event

3.2 協調控制的實現

電力信息物理系統仿真平臺中DIgSILENT和Matlab的時間同步方法是通過Python編寫程序代碼實現的，Python代碼允許通過使用適當的接口進行同步管理仿真。

DIgSILENT和Matlab都存在與Python的應用程序編程接口API（application programming interface），因此可以通過編寫Python腳本，從而訪問DIgSILENT和Matlab中的功能，在Python環境里實現對仿真平臺同步機制的控制。要想完成在Python環境里對DIgSILENT和Matlab函數與功能的調用，首先需要將各自的引擎模塊導入到Python，由此實現在編程軟件中對DIgSILENT和Matlab里函數功能的訪問和調用。

Python里對仿真平臺同步機制的協調控制主要有兩個子模塊構成，在此著重定義了兩個子函數：第1個子函數功能主要是對進行仿真之前的準備工作進行設置，包括設置與OPC服務器的外部數據鏈接、仿真步長與仿真類型等，從而使得之后的控制仿真工作得以順利進行；第2個子函數是一個協調控制仿真的函數，其主要功能是實現仿真平臺的同步機制的控制，使得仿真過程能夠按照規定的同步策略進行仿真，能夠控制電力系統和信息系統的仿真在何時開始暫停以及結束過程，進而完成對仿真平臺的協調控制。

4 算例分析

為了驗證電力信息物理系統仿真平臺的有效性，按照第2～3節內容的建模與設置流程，在DIgSILENT搭建了一個4機2區域電力系統，如圖9所示，該電力系統的4臺發電機都安裝了PSS和AVR[26-27]。

圖9 4機2區域電力系統Fig.9 Four-machine 2-area power system

同時在Matlab里搭建了相應的廣域測量系統，通過如圖2所示的仿真平臺的構架，以廣域阻尼控制為例，搭建了相關控制器模型。廣域阻尼控制器將控制策略通過廣域測量系統下發給電力系統。本文廣域阻尼控制器采用模糊自適應PID廣域阻尼控制器，其結構如圖10所示。

圖10 模糊PID廣域阻尼控制器結構Fig.10 Structure of fuzzy PID wide-area damping controller

抑制電力系統區域間低頻振蕩的廣域附加穩定信號十分多，其中發電機轉速差是最有效的廣域信號之一[28]，所以本文采用發電機G1和G4的轉速差作為廣域阻尼控制器的輸入信號，廣域阻尼控制采用在Matlab里搭建的模糊自適應PID廣域阻尼控制器進行控制，將發電機G1和G4的轉速差作為廣域阻尼控制器的輸入信號，從電力系統上傳至控制中心。廣域阻尼控制輸出的電壓控制信號Vs1經信息系統下發給電力系統，與本地PSS輸出的電壓信號Vs2一并傳輸到發電機勵磁AVR中，將兩層的輸出電壓Vs1與Vs2疊加后的信號作為用于維持系統穩定的附加勵磁信號。廣域阻尼控制過程如圖11所示。

圖11 廣域阻尼控制示意Fig.11 Schematic of wide-area damping control

圖11中：GPSS(s)是本地PSS的傳遞函數，其輸入為發電機G1的轉速ω1；F-PID是模糊自適應PID控制器，其輸入為發電機G1和G4的轉速差Δω14。詳細的廣域阻尼控制器參數的設流程計以及控制方法可參考文獻[29]。

為驗證仿真效果，本文考慮了3種不同的信號通信傳輸場景：場景1，經過仿真由DIgSILENT直接輸出，未經過通信網絡上傳到控制中心的信號；場景2，經過仿真由電力系統輸出經過通信網絡傳輸至控制中心后獲得的信號；場景3，在搭建的廣域測量系統模型基礎上施加廣域阻尼控制，經過仿真后從控制中心處獲得的信號。

在圖11中的母線7處施加三相短路故障，短路故障持續0.06 s，分別對3類場景進行仿真，觀察信號的變化，得到的結果如圖12和圖13所示。

圖12 場景1與場景2下的功角振蕩曲線Fig.12 Power angle oscillation curves under Scenarios one and two

圖13 場景2與場景3下的振蕩曲線Fig.13 Oscillation curves under Scenarios two and three

圖12表明由于廣域測量系統中通信網絡的存在，會導致數據傳輸過程中存在一定的隨機時滯，時滯的存在對電力系統的穩定性產生了影響，較之信號未經過廣域通信網絡時的穩定性有所下降。

為了抑制區間低頻振蕩和減輕時滯對電力系統穩定的影響，圖13表明，施加廣域阻尼控制對抑制區間振蕩有較好的效果，證明了平臺上搭建的廣域阻尼控制器起到了作用，從而驗證了仿真平臺的有效性。

5 結 語

隨著智能電網的快速發展，信息系統和電力系統之間的聯系越來越密切，電力物理信息系統研究中存在許多問題。本文從仿真方法的角度，建立了一個基于DIgSILENT和Matlab-Simulink仿真軟件的電力信息物理系統仿真平臺，該平臺通過OPC服務器與DIgSILENT和Matlab的連接實現彼此之間數據傳輸與交換。本文還提出了一種仿真同步方法，通過Python編程工具進行編程，從而實現了電力系統仿真和通信系統仿真之間數據信息傳輸的同步過程。通過進行廣域阻尼控制仿真，驗證了所建立的仿真平臺的有效性。

在研究電力信息物理系統相關問題上，本文搭建的基于OPC技術的電力信息物理系統仿真平臺為其提供了平臺支撐。通過該平臺，可以充分發揮Matlab的數據處理能力，在平臺上實現復雜算法與控制策略。此外，由于OPC服務器采用的是標準的工業接口，可以實現與不同硬件的良好連接，在后續的研究工作中可以借此進一步完善平臺內容，完善對通信網絡的建模，綜合考慮網絡的延時，數據包丟失或錯序，發生錯誤數據的注入與網絡攻擊時研究信息物理系統如何進行防御以及采取何種措施進行預防，進一步保證系統的安全穩定運行。