毕业论文-智能配电网信息物理融合保护系统

摘要随着智能配电网的不断发展，对智能配电网继电保护系统及通信网络进行更深层次的融合研究变得日趋重要。信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)概念的引入，通过借助网络通信系统与电力物理系统紧密结合的特点，建立了一种由嵌入式计算设备、实时通信网络、电子交互设备以及各种智能电力器械组成的新型智能配电网继电保护系统。本论文主要阐述了智能配电网信息物理融合保护系统的组织结构、组成部分、保护性能，提出了一种基础的系统构建方式及其关键技术。研究了通信网络对智能配电网保护性能的影响，并论述了其优势及未来发展趋势。关键词：信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)；智能配电网；继电保护系统；通信网络AbstractWiththecontinuousdevelopmentoftheintelligentdistributionnetwork,ithasbecomeincreasinglyimportanttocarrythedeeperintegrationresearchontheintelligentdistributionnetworkrelayprotectionsystemandcommunicationnetwork.Theconceptofcyber-physicalsystem(CPS)whichfeaturesacloseintegrationofcomputationalandphysicalelementsisintroduced.Byapplyingthischaracteristic,anewcyber-physicaldistributionnetworkrelayingprotectionsystemwhichconsistsofembeddedcomputationdevice,real-timecommunicationnetwork,electronictransformerandintelligentswitchingdeviceisproposed.Thefunctionandstructureofeachunitareelaborated.Thisthesismainlyexpoundstheorganizationstructure,components,protectionperformanceofintelligentdistributionnetworkinformationfusionphysicalprotectionsystem,thispaperproposesabasicwayofsystemconstructionandkeytechnologies.Communicationnetworkineffecttheperformanceoftheintelligentdistributionnetworkprotectionisstudied,anddiscussingitsadvantagesanddevelopmenttrendinthefuture.目录TOC\o"1-4"\h\u1931摘要 1271671绪论 1227321.1选题背景 1190031.2国内外研究状况 1316091.3本论文的主要工作 1238852智能配电网保护性能仿真评估实验平台 111782.1智能配电网保护性能仿真测试平台的构成 1293752.2智能配电网保护性能仿真测试平台的仿真原理 1165902.3小结 1265853智能配电网保护性能仿真平台架构 1113933.1OPNET简述 1268153.1.1OPNET的特征 146233.1.2OPNET的原理 1179073.2智能配电网通信网络构建基础 1319973.3智能配电网通信网络节点设置 13.4智能配电网电力系统元件建模310183.5智能配电网仿真平台电力系统与通讯网络的数据交互原理 152403.6小结 1307194智能配电网保护性能仿真测试 1159405总结 19562致谢 123827参考文献 11绪论1.1选题背景智能配电网和智能送电网作为智能电网最重要的两个部分，我国对于智能电网的研究和试验主要集中在智能配电网。就我国当下的发展现况来看，配电网的发展远远的落后于我国的发电及输电能力。输电网的自动化以及智能化程度，自愈能力，优化运行能力远超于配电网。现在的配电网继电保护系统中主要使用的是电流保护方式，速断保护在系统中作为线路的主保护，发生故障的时候瞬时动作进行保护，进行后备保护的是过流保护，通过延时动作的重合闸设备在短时间对瞬时性故障进行快速恢复，有效提高了供电的可靠性。但是，对于长线路和多级数的配电网，这种继电保护系统严重影响了用电设备的使用年限和供电回复供电的时间，各级保护设备之间难以整合，无法有效保障线路末端出线故障时的响应灵敏度，缺少有效技术手段对全局信息进行获取，只能通过小范围的信息分析对线路故障进行简单判断。近年来，随着智能配电网的不断发展，越来越多的分布式电源被允许接入到配电网当中。大规模接入的分布式电源发电对智能配电网的保护系统系能性能造成了本质上的影响。配电网的结构和潮流方向相比于过去的传统配电网产生了明显的变化，过去的阶段式继电保护系统将不再有效。由数个分布式电源连同储能系统一起组成的小范围配电网络概念开始被广泛提出，这一概念为解决当前保护系统有效性的问题提供了一种全新的方法和思路，将分布式发电对配电网保护系统，短路电流的影响转变为微网对智能电网的影响。1.2国内外研究状况随着智能电网的发展程度的不断提高，对智能配电网数字化、智能化、网络化、信息化的要求也在不断提高，同时分布式发电的普及和微网概念的提出，使得国内外诸多学者对智能配电网保护性能的研究提出了很多新型的解决办法。基于对智能电网保护性能的研究，文献[1]中在选择故障线路时利用通信耦合技术，总结不同形式的方法进行故障选线，论述了一种通过以馈线保护为基础的对故障线路进行模糊识别的技术；文献[2]论述了关于可重新架构的保护性同在未来的智能配电网中的可实施性，并介绍了如何在线重新架构继电保护系统的方法和意义；在文献[3]中，作者提出了一种核心是集成功能继保控制器的高度集成且数字化的保护系统，通过削减多余的大范围信息来优化继电保护系统的性能。针对微网这个新兴概念，文献[4]介绍了分布式发电电源系统内，通过某些固定变化的电压数值利用通信网络系统广泛对比来找到故障发生位置的方法；文献[5]论述了如何通过高度集成优化的电气断路设备以及传感器，在多时段内通过通信网络与继电器联系达到处理故障的目的，这种方案应对于阻抗相对比较高的故障时，响应灵敏度有突出优势；文献[6]构建了一种保护直流微网的继电保护系统，并阐述其原理。信息物理融合系统概念的提出，是配电网络向智能化、数字化、网络化、信息化程度未来不断进步发展的整体趋势。信息物理融合系统（CyberPhysicalSystems，CPS）是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，达成大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务的目标。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计，可使系统更加可靠、高效、实时协同。本质上说，CPS是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。控制对于我们并不陌生。从20世纪40年代麻省理工学院发明了数控技术到如今基于嵌入式计算系统的工业控制系统遍地开花，工业自动化早已成熟，其在人们日常居家生活中，各种家电具有控制功能。但是，这些控制系统基本是封闭的系统，即便其中一些工控应用网络也具有联网和通信的功能，但其工控网络内部总线大都使用的都是工业控制总线，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联，而且，通信的功能比较弱。而CPS则把通信放在与计算和控制同等地位上，这是因为CPS强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。随着大规模间歇性可再生能源和分布式电源的并网，配电网的结构变得更加复杂。要保证配网可靠性，传感器、通信等其他物理环节也成为了重要的影响因素。而融合了信息物理系统（CyberPhysicalSystem，CPS）的信息物理配电网络（CPDN）为解决这些问题提供了一种新的途径。1.3本论文的主要工作根据毕业设计课题要求，本论文设计了一个可以有效反应通信质量对智能配电网保护性能影响的联合仿真测试平台，在测试整个配电网通信水平和质量的同时，对电气系统和通信系统进行同步的仿真测试。本论文的章节结构如下：第一章是绪论部分，介绍了本论文的选题背景，本课题的国内外研究现状，论述了研究本课题的意义以及重要性。第二章介绍了智能配电网保护性能仿真评估实验平台的建设方案，包含了整个实验仿真平台的组成，通信系统和电气系统联合仿真以及数据交互的原理，该实验平台的作用，以及实验平台联合仿真的整体过程。第三章介绍了基于OPNET的仿真平台的架构原理和方式，分析了利用OPNET的配电网通信网络建模方式，电气系统内的通信数据交互以及传输方式不同的各种配电网报文。简述了智能配电网通信网络节点设置的基本建模方法，智能配电网新型保护系统结构组成，最后介绍了智能配电网中电气部分和通信系统的数据交互原理。第四章是通过智能配电网保护性能仿真评估实验平台进行联合仿真测试得到的结果并对通信质量对保护性能的影响进行了分析。第五章是本次毕业设计的总结，并对信息物理融合系统在未来智能电网中的发展前景进行了展望。2智能配电网保护性能仿真评估实验平台2.1智能配电网保护性能仿真测试平台的构成融合了信息物理系统的信息物理配电网络（CPDN）虽然可以通过理论计算的方式进行研究，但要对复杂的配网状态和参数进行分析，系统仿真是一个便捷的途径。由于CPDN包含了物理、信息和控制多层面的内容，因此其仿真结构大多采用的是物理仿真软件加上信息仿真软件联合仿真的整体仿真方式。这种联合仿真方式设计和实现都比较容易，但其缺点在于物理层和信息层耦合紧密，随着仿真系统复杂程度的增加，扩展和维护的工作量会大量增加，仿真时间延长。同时，该联合仿真方式没有考虑控制器自身的计算能力和通信能力，而这些特性对信息系统的仿真结果起着关键的作用。本论文设计的联合仿真平台，通过OPNET软件自身提供的外部仿真文件，基于通信网络模拟软件OPNET和电力系统模拟软件MATLAB的联合仿真，实现了在该实验平台上对智能配电网电气系统和通信系统的同步仿真模拟，对通信质量对保护性能的影响进行了测试及分析。图1，基于OPNET的联合仿真平台组成联合仿真模型结构设计。联合仿真模型由4部分组成：MATLAB/SIMULINK软件用来实现配电网的物理系统仿真。COSIM是一段联合SIMULINK和OPNET的程序，实现两个系统之间的数据交互。OPNET软件实现信息系统的仿真，模拟基于IEC61850/goose协议的数据传输过程。由于OPNET仿真包结构与实际网络数据包不同，因此，必须由OPNET中的代理服务器来进行IP层的包转换。OPNET与CONTROLER之间的数据交互是通过SOCKET接口进行的，CONTROLER既可以是虚拟控制器，也可以是实际控制器，用来进行硬件回路仿真。如图1所示，是以OPNET自身提供的联合仿真的外部仿真控制文件(COSIM)为核心的仿真平台组成。负责OPNET中的模拟通信网络与MATLAB中电力系统模拟模块之间的信息交互，并对整个联合仿真的过程进行控制。通过外部仿真控制文件在OPNET中调用软件内置的ESAAPI函数，与通信网络服务器进行数据之间的传输与交互。2.2智能配电网保护性能仿真测试平台的仿真原理本论文设计的联合仿真实验平台通过OPNET自身提供的联合仿真技术，为了实现OPNET和其他软件或程序之间的联合仿真，提供了一种专门用于OPNET架构的模拟网络与其他软件或程序进行信息交互的通道。智能配电网保护性能仿真测试平台的电气系统仿真和通信网络仿真分别在MATLAB和OPNET中同步进行。在MATLAB中构建智能配电网的电力系统仿真模型，主要包括电力一次设备、电力电子设备、传感器、继电保护设备、断路器和电气主接线。真实有效的对智能配电网络的正常运行状态和发生故障时的运行状态进行模拟，对智能配电网的保护性能和安全控制性能进行分析测试。在OPNET中构建智能配电网的信息通信网络仿真模型，对配电网络的通信质量进行仿真测试，关键点在于智能配电网通信网络拓扑结构和节点设置的建模，既包含了服务器、路由器、交换机和高带宽的光纤等各种网络通信设备，又需要加入一些电力电子设备的通信数据交互模块。该仿真测试平台进行联合仿真的时候，首先需要把在电气系统中的模拟数据传输到OPNET中，通过在OPNET中构建的通信网络测试这些电力数据的传输特性，计算数据传输延迟。然后OPNET把自身通信网络仿真获得数据信息传递给MATLAB，在MATLAB中构建的电力系统模块中进行电气性能仿真测试。整个联合仿真数据交互过程如图2所示。图2，联合仿数据交互过程在仿真时，联合仿真的时间是由OPNET来主导的，系统的时间同步方式如图3所示。图中，系统的采样时间间隔为，控制器的处理时间为，对应步骤6；网络延时为，对应步骤9。图3，时间同步方式2.3小结本章节主要介绍了智能配电网保护性能仿真测试平台的基本组成，分析了智能配电网电气系统部分和通信网络部分的联合仿真原理，简述了实验平台的联合仿真基本过程，并介绍了该实验平台的基本功能。3智能配电网保护性能仿真平台架构3.1OPNET简述3.1.1OPNET的特征OPNET的研制和开发商是创建于1986年的美国知名供应商OPNETTechnologies，致力于智能通信网络模拟软件的开发和研究。在OPNET中内置了许多与网络通信设备运行、通信网络协议、服务器建设有关的专业性内容，因此大量OPNET的使用用户在进行网络通信运行，工程网络规划，应用网络软件开发时的性能优化和工作效率有了非常明显的提升。作为一款全能的通信网络、设施、协议模块化建设和测试仿真的建模工具，OPNET在业界有着非常良好的口碑和客户群，提供着方便快捷的通信网络建模方式，技术优势显著。OPNET作为一款网络模拟仿真工具，具有以下的主要特征，由文献[7]可知：OPNET使用的是一种以离散事件驱动机制为基础的仿真形式。产生于以网络模型为基础的状态不同或者策略的设定。每当有改变网络模拟的状态时，仿真设备才进行模拟仿真，没有改变网络模拟的状态是，模拟是没有进度的。模拟仿真的进行是不连续的，在出现一个event后，时间推进是向前进行的，本质上，时间的前进具有跳跃性。使用以不连续的时间驱动机制为基础的模拟方式，实现了在网络通信的同步性和时序性，再加上不同时间的事件进行的不确定性，决定了可以模拟计算设备和模拟网络建构中不同的运行方式和形态。（2）OPNET使用的之一种以进程事件发生为基础的调度机制。有序的对OPNET的事件进行合理的安排，极大的提高了用来控制模拟通信网络行为的应用程序的合理性。调用模拟仿真应用程序的仿真内核和模拟工具能力以及建模模块来达成OPNET的模拟仿真。（3）OPNET只用的是一种以报文为基础的通信机制。利用模拟仿真报文在整个模拟网络系统中的传输来仿真实际通信网链中数据信息的传送和节点设备对数据包的处理。在模型建设过程中，通过自身通信网络的需要建立、编译各种各样的数据报文。（4）OPNET使用的是一种层次分明的模型建设机制。工作中心，服务器和通信网络一般包括三个类型的建模方式：网络拓扑，节点内部结构和通信行为。OPNET自身为了方便用户的使用，内置了各种编译功能，最常使用的有通信网络编辑器、code编辑器、系统编辑器这三种，分别完成网络模拟架构、节点结构设置和通信行为的建模。（5）OPNET自身提供了方便用户与其他应用程序进行联合仿真，例如外部仿真控制系统（ExternalSystemDomain）,提供ESYS文件(externalsysteminterface),通过ESA（ExternalSystemAccess）API函数与其他应用程序进行数据交互和联合仿真。具有如此可操作性的OPNET使得基本上满足了大部分类型的网络设计和网络应用，大范围的应用与各种网络的模拟分析工具，方便用户对已经构建成功或者还处于设计阶段的通信网络的功能和动作进行详细模拟和评估。OPNET的产品主要有：Modeler、ITGuru、SPGuru、WDMGuru等，OPNETModeler是最常用的模型，本文是以OPNETModeler14.5作为仿真平台进行建模仿真的。3.1.2OPNET的原理OPNET使用以离散事件仿真驱动机制（Discreteeventdriven）为基础的事件进程推动机制，离散事件仿真原理包含了一下几个方面：每当模拟网络的进程运行在某一行发生改变时，用以仿真的设备才进行工作，反之，进程被跳过。OPNET的模拟仿真以事件调度器（EventScheduler）为核心，这也是离散仿真机制的核心。通过该调度器，将系统进程的目标时间和未来时间进行时间表格化，并对整个系统进程进行维护。事件调度器的主要功能是维护设定优先级比较高的事件运行队列，基于不同时间发生的事件安排不同的系统进程顺序，以先进先出（FIFO，firstinandfirstout）为事件执行原则，严格按照离散事件驱动机制进行模拟。不同网络结构模块之间的数据交互和传输以流量报文的形式进行。事件调度器对当前事件M的模拟仿真结束后，在事件列表(EventList)中将事件M剔除，同时对下一事件N的仿真获得权限（这时事件N状态转化为中断状态，所有时间列表中的等待仿真事件都有该趋势，不过有且仅有事件调度器获得仿真权限的事件才可以转变为中断），如果事件N进行所需要的时间T2大于当前仿真时间T1，应用程序将仿真时间推进到T2，并触发中断B；如果T1等于T2，仿真时间将不推进，直接触发中断B。（5）执行事件所消耗的时间基本为零，两个离散事件之间的仿真需要跨越进程内的模拟时间，然而并不需要物理时间，执行事件的过程，从头至尾，仿真设定的时间不推进，但是需要消耗物理时间，模拟仿真机器的处理器决定了该物理时间的长短。每当有以下两个情况发生时，仿真结束：①时间列表行进到空列表②仿真运行时间打到了用户预先给定的时间。3.2智能配电网通信网络构建基础基于OPNET的通信网络构建基础，需要我们兼顾以下几个方面的建模：项目（Project）与场景（Scenario）：OPNET中。项目表示的是整体仿真环境，场景代表整体仿真环境中的部分仿真环境。作为通信网络一个具体例子，一个具体设置的常营，本质上来说是整个网络的拓扑结构、协议、应用、流量以及仿真设置。在OPNET进行模拟和仿真的时候，项目是作为最高层次的整体，单独的项目下至少需要一个仿真场景作为子项目，代表模拟网络建模，是一种模拟现实的模拟通信仿真环境配置。最早提出项目这一概念的原因是为了在场景状态不一样的情况对网络仿真分析的结果进行比较。项目提供场景复制功能，可以对场景进行备份，通过改变新场景的参数运行仿真来测试系统各方面的功能及是否存在瓶颈。子网概念（Subnet）：OPNET中对于子网的定义和常规网络中子网的概念是不一致的。OPNET的子网在OPNET中的作用是将模拟通信网络模型的运行状态进行具体化。子网有许多类别，常见的有移动子网、固定子网和卫星子网。不拥有任何运行能力的子网，其意义主要是代表一个范围巨大的模拟网络的逻辑实体。节点类型（Node）：节点处代表的内容通常是网络设备或网络资源，具有具体处理能力的硬件和软件结合到一起组成了节点配置。每一个节点都具备产生、传送、接受并被处理该节点数据信息内容的左右。OPNET中内置了一下几种类型的节点：第一种我们称之为固定节点，具体的网络设备像路由器、交换机、工作站、服务器等都属于固定节点；第二种我们称之为移动节点，通信网络设置中常见的有移动台，车载通信系统等；第三种我们称之为卫星节点，每一个卫星节点代表一颗通信卫星。节点类型是多种多样的，所以每一种节点所代表的通信网络含义也是不同的。链路类型（Link）：OPNET中有三种具体的节点类型，与之预定的链路自然有各种不同的类型，第一种是点对点的链路，主要应用在两个固定节点之间进行数据信息的传送；第二种是总线链路，作为模拟网络中的共享媒体，实现在几个不同类型的节点之间的数据传送；第三种是无线链路，无线链路是动态的，仅在仿真进行时建立。实现收发信机在多种情况下进行无线数据传送。卫星节点和移动节点之间的数据通信必须使用无线链路，同时无线链路也可以应用于固定节点之间的数据通信。仿真随机种子（seed）：seed是产生随机数的种子值，反映随机数的状态。只要选定一个种子值，整个随机事件系统就固定了，复杂仿真的随机过程就成了一次实现。目的是测试仿真系统的稳健性，具体来说，针对不同的seed值进行一系列仿真，每次不同seed值对应的仿真结果相近，则表明建立的模型有较高的稳健性。一般在发布仿真结果之前都要改变仿真种子进行多次测试，如果结果完全改变，则说明模块有疏漏，所得的结果只是一个特例，而不能反映系统的性能。属性隐藏（hidden）：属性在层次性基础上的可读属性我们称之为属性的隐藏，比如网络设备中的一些用户并不需要调节的数据参数，为了防止使用者修改数据而导致环境有误，通过属性隐藏的方法，将这些参数设定为预设值，仅当需要修改时才可以在网络底层进行查找。属性提升（promoted）：低等级的数据参数在OPNET中是可以一直提升（promoted）自身优先级别的，最终能够变成最高的阶层级别参数。这种应用方法最要是为了方便用户在测试底层仿真属性对通信网络仿真结果影响的时候，可以快速的调用最底层的数据参数并对其进行修改。3.3智能配电网通信网络节点设置基于OPNET构建的配电网通信网络节点设置，主要是利用OPNET的节点编辑功能，对各个节点位置的具体电气设备模块，为了满足实际通信网络的仿真测试要求，进行功能修改。智能配电网的主要节点模块设置包含：路由器、控制及合并单元、交换机、间隔层继电保护元件、服务器、网络工作站等的节点模块编译。就常规的通信网络设备来说，以通信网络链接路线、路由器、服务器、交换机、工作总站为主，这些设备全部可以通过OPNET的模型库发现与之相对应的模型并在OPNET通信网络模拟中加以调用。如图4所示，由于需要借助OPNET外部仿真文件协助实验平台进行联合仿真，所以需要在OPNET中对现有的通信网络协议进行一定的扩展，在保留原有的应用层和UDP/IP协议模块的同时，新增一个名为ESYS的外部扩展模块和用以链接ESYS和UDP的虚拟应用层UDP_bridge。UDP_bridge从ESYS接受来自外部仿真文件的通信请求，汇总成UDP报文发送给应用层UDP,然后根据不同的数据发送到不同的目标节点。图4，OPNET节点模型及其扩展同时，UDP_bridge需要从UDP应用层接收相应的报文，计算出数据报文的传输时间时延，汇总成报文反馈给ESYS，ESYS通过调用函数将通信网络的延迟信息返还给外部仿真文件COSIM。使用这种网络节点构建方式，可以在不影响OPNET模拟通信网络自身的常规报文传输的同时，设置了一个可以与外部仿真文件进行数据交互的信息通道。3.4智能配电网保护系统组成在现代的智能配电网保护装置中，依赖嵌入式系统为基础结构的设备愈来愈多的被使用。这种系统结构在某种程度上已经初步将通信网络和物理系统进行了融合，具备了信息物理融合系统（CPS）的雏形。不过美中不足的是，通信网络和物理系统在结构上还是相对独立的，相互之间并没有进行数据交互的能力。这类传统继电保护装置并不能良好的实现基于信息物理融合系统（CPS）对于通信网络和电力系统之间信息实时交换的需求，本论文给出了一种新型的智能配电网继电保护装置结构，主要由三个部分组成，分别是智能化开关设备（IntelligentSwitchingDevice，ISD)；电子式电流\电压传感器（EC\VT）；网络保护单元(CyberProtecti0IlUnit，CPU)，下文是对这三部分概念的详细表述。（1）智能化开关设备（IntelligentSwitchingDevice，ISD）传统的配电网继电保护系统中，开关设备仅仅具有最基本的控制线路通断的功能，无法全面掌握开关的运行状态信息，而新型的智能配电网保护系统中，开关设备自身必须具备一定的线路监测和监控能力，并且能够实时的讲自身获取的数据信息通过通信网络与物理系统中的其他设备进行交互。开关状态监视操作装置网络连接开关设备图5，智能化开关设备的功能结构图（2）电子式电流\电压传感器（EC\VT）传统的电流\电压互感器在某些新的保护原理应用中受到自身磁饱和特性的影响，不能满足系统需求。新型的电子式互感器以其突出的响应精度，优良的动态特性和较完美线性特征，逐步代替了原有的电磁式传感器，开始大范围的使用与智能配电网当中。电子式传感器及微处理器、A/D传感器、微处理器于一身，可以对自身获取的电气特性参数进行快速简单的处理，补偿和调节，有效减轻了通信网络的数据传送负载量和传输精度。（3）网络保护单元(CyberProtecti0IlUnit，CPU)每一个具体的开关设备装置节点都需要网络保护单元提供一个人机交互界面和继电保护功能。每个节点的开关设备之间都可以通过网络保护单元进行数据交互和协同工作。在网络保护单元中，可以处理各个电气设备送来的数据信息，可以适应各种各样的算法需求，可以提供更为复杂的数据处理算法。数据处理模块计算网络继电保护网络连接模块本地HMI图6，网络保护单元的功能结构图该新型的智能配电网继电保护装置结构颠覆了传统结构的单元组成，通过电力系统和通信网络之间的实时数据信息交互，将电力系统和通信网络联接成为一个整体，符合信息物理融合系统的要求，提高了系统稳定性和灵活性，同时为实现系统间更复杂的数据交互处理奠定了基础。3.5智能配电网仿真平台电力系统与通信网络的数据交互原理图7，实验平台数据交互方向如图7所示，作为OPNET自身提供的外部仿真文件，COSIM在本论文设计的联合仿真实验平台中是MATLAB与OPNET之间数据交互的桥梁，该平台利用OPNET的外部系统定义ESD（ExternalSystemDefinition）实现对外接口的连接和中端，通过OPNET中的ESYS外部扩展模块，完成OPNET模拟通信网络和外部仿真文件COSIM之间的数据交互。MATLAB和COSIM之间的数据交互则需要通过MATLAB引擎来实现。MATLAB引擎，是指由MATLAB自身提供的一组接口函数，通过C/C++、Fortran等各种语言编译，借由MATLAB引擎这种独特的接口函数，实现了使用者在各种编程环境中对ATLAB进行调控的需求。该引擎的应用，本质上是通过C++编程，将MATLAB视为一个可以随时调用的引擎。联合仿真平台运行时，MATLAB引擎作为一个单独的应用进程在后台独立运行，C++调用程序也作为一个独立进程，二者之间通过后天进程通信机制可以快捷的进行数据交换。MATLAB引擎的关键在于使用MATLAB自带的外部接口（mxinterface），该接口允许通过C++编译的程序调用MATLAB中可编写的函数程序库。在OPNET通信仿真进行的同时，MATLAB的仿真进程同时被MATLAB引擎调用。协同仿真需要MATLAB提供一个对应内存的空间指针给OPNET仿真系统，这个指针允许MATLAB引擎接受来自MATLAB的数据和命令。在OPNET仿真进程的头文件处对该空间指针进行声明，就可以在各种各样的进程模型中调用该指针，通过特定的程序函数，实现MATLAB和OPNET之间的数据传递，实现配电网络的联合仿真。3.6小结本章节主要介绍了智能配电网保护性能仿真测试平台的通信网络仿真设计和电力系统模型建设及组成，对使用的OPNET网络仿真软件进行了简要的简绍，论述了智能配电网通信网络的构建基础，着重分析了智能配电网保护性能仿真测试平台如何实现OPNET和MATLAB之间的数据交互。4智能配电网保护性能仿真平台测试图8，OPNET模拟通信网络拓扑结构图8，电力系统16节点网络拓扑结构图如图8所示，利用OPNET构建了一个16节点的的星形通信网络，外联服务器，提供应用模块和布局模块，使用10BaseT线路进行连接。模拟信息物理融合系统的通信网络部分。图9则是16节点配电网保护系统的拓扑结构，模拟信息物理融合系统的物理网络部分。基于对信息物理融合系统的模拟，在通信网络引用场景中通过对平均时延产生的分析来完成对智能配电网保护性能的评估。将SSDPU（SubstationDataProcessingUnit，变电站数据处理单元）作为发起者，通过选择一个随机的变电站通信流控制器在网请求当前输电线路的电压电平控制器数据，产生端到端时延，包括TCP数据交互,MMS请求和响应的传输延迟。图10，通信网络时延曲线

如图10所示，在开始的几分钟内网络设置没有被完成，广域通信路由表尚未建立。请求开始下降或排队这个区间内,时延随着网络的收敛而增加。网络链接2分种后，成功地建立了路由表。现在，SSDPU发起的请求通信传输成功，结果显示网络收敛时时延0.4MS，具有良好的网络通信性能，并且具有友谊的稳定性和抗干扰性。对电力系统实时信息数据的负载能力和传输能力作为通信质量的重要部分，本实验平台对它们进行了实时的仿真和性能测试。当配电网络中某一设备或某段线路的电气性能指标发生变化时，产生数据报文传输至通信网络，网络负载改变，网络流量随之改变，通信网络对这些数据报文处理完毕后，再反馈给物理系统，第三章中提到的新型配电网保护系统通过电子式传感器，智能化开关和网络保护单元可以有效利用这些通信网络反馈的数据对故障进行定位和隔离，非常显著的提高了智能配电网络保护的选择性，灵敏性，速动性和可靠性。如图11、图12所示，本平台构建的小型通信网络的负载能力最大值为3800bits/sec，最大允许流量也为3800bits/sec，负载变化曲线与流量变化曲线契合度高，无丢包现象产生，表明该网络具有优秀的数据传输能力，可以提供良好的通信质量。图11，网络负载变化曲线图12，网络流量变化曲线5总结作为未来智能电网的主要发展方向之一，信息物理融合系统越来越受到国内外大量学者的关注，基于信息物理融合系统的新型智能配电网保护系统依然处于研究和探索的阶段，CPS是未来信息与工程技术全方位变革的基础，代表了未来高度集成工业系统的发展方向。本论文设计了一个符合智能配电网保护系统发展的通信仿真测试平台，通过OPNET的联合仿真功能，构建了一种电气系统及其通信网络系统的同