1　仿真技術在國內電力系統的發展和應用 　　80年代初，第一套大型火電機組仿真機在我國研制成功。1988年能源部發出“關于發展火電機組模擬培訓裝置的通知”，此后電力系統仿真技術得到了迅猛發展，出現了大量的仿真公司和研究中心。1990年清華大學電機系完成了國內第一套電網仿真系統即東北電網仿真系統，1993年清華大學電機系廠站仿真室完成了國內第一臺水電廠仿真器即吉林省豐滿水電廠仿真器。到1999年，大多數省網已使用了變電站仿真器、火電仿真器和電網調度仿真器。 [b]2　采用分布交互式仿真技術的優越性 [/b]　　分布交互式仿真（Distributed Interactive Simu－lation，DIS）是從美國SIMNET項目中發展起來的一種仿真技術，它連接不同地理位置上的仿真應用來創建一個逼真而復雜的虛擬世界，以進行具有強交互作用的仿真，并允許各仿真應用之間的互操作。DIS系統在設計時應遵循以下原則： 　　（1）對象／事件結構　對象之間通過一系列的事件產生交互作用。 　　（2）仿真接點的自治性　所有事件通過仿真網絡進行廣播式傳播，自治原則使仿真接點可以動態地加入和脫離仿真運行，而不會影響其他接點的交互。 　?。?）傳遞真實信息　各仿真對象即時狀態的如實傳播。 　?。?）僅傳遞狀態變化信息　以減少不必要的數據傳輸和通信處理任務。 　?。?）采用預估算法和仿真時間約束　以降低網絡傳輸的負荷。 　　近幾年來，隨著計算機技術的飛速發展，仿真技術越來越廣泛地應用于各個領域，使傳統意義上的PC能夠完成以前工作站才能完成的工作。由于PC的價格比工作站低很多，因此，如何充分利用PC的資源來完成傳統上由工作站完成的工作，從而達到更好的性能價格比，是仿真技術面臨的一個新問題。分布交互式仿真技術能充分利用計算機資源，從而使問題得到解決，仿真技術也從單機仿真發展到多機仿真。 　　變電站仿真器主要由教員臺、學員臺、計算臺和下位機組成。 　　基于單機的變電站仿真器以一高性能的工作站為主，運行一種操作系統，例如VMS或UNIX。工作站主機運行教員臺和計算臺，并負責和下位機的網絡通信任務，因此其計算和網絡通信負荷很重，而學員臺運行在工作站主機的Xterm上，因此可以認為整個仿真器都運行在單機上，如圖1所示。 　　基于多機的分布交互式變電站仿真器一般是在一高性能的微機上運行教員臺，在另一微機上運行計算臺，其余的微機運行學員臺，具體的體系如圖2所示。 　　在多機運行模式中，教員臺和計算臺運行在不同的微機上，計算臺負責計算每個仿真周期里的電壓、有功、無功等的變化量和保護動作量，并把計算出的各量通過網絡廣播的方式發送給下位機、教員臺和學員臺，而不管它們是否需要這些數據。 　　由圖2可以看到，整個仿真器之間的網絡通信是通過廣播的方式實現的，這種方式下的計算臺、學員臺、教員臺和下位機都向網絡發送數據，而接受端只好被動地接受數據并判斷其所感興趣的內容。因此整個仿真器運行時在網絡上充斥著大量冗余數據，網絡通信是無序的，而且負荷比較重。 [b]3　基于高層體系結構（HLA）的分布式變電站仿真器 [/b]　　3．1　傳統DIS仿真模式的不足 　?。?）基于廣播的通信方式，傳播的信息有大量的冗余 　　DIS的網絡通信采用廣播方式，這種通信機制不能保證通信數據的無誤傳輸，而廣播方式的通訊是面向整個網絡的，每個節點都向網絡上的其它節點廣播自身的狀態信息，而其它節點則不加區分地接收這些信息。隨著仿真應用的擴大，仿真節點的增多，必然要在網絡上傳遞大量的信息，然而各個仿真節點必須接受的信息卻不多。 　?。?）仿真支撐功能的不可重用 　　DIS中仿真應用和仿真支撐功能（網絡通信）是集成在一起的，開發人員必須花費大量的時間和精力去開發仿真支撐功能，而不同的仿真應用的網絡通信功能是不可重用的，這就意味著網絡通信功能的重復開發。因此如何開發一個通用的仿真支撐功能，提高仿真效率，便成為迫切需要解決的問題。 　　（3）不能滿足仿真應用的實時性 　　在采用動態數學模型的變電站仿真器中，仿真的步長已縮短至0．02s，隨著仿真應用范圍的擴大（如果用戶要求同時仿真地區電網），則傳統的DIS仿真模式難以滿足仿真的實時性。 　　3．2　高層體系結構 　　1996年8月美國國防建模與仿真辦公室制定了HLA技術框架，HLA主要由3部分組成［1－3］： 　?。?）聯邦規則（RULES） 　?。?）對象模型樣板（Object Model Template，OMT） 　　（3）運行支撐系統（Run Time Infrastructure，RTI） 　　在HLA體系中，實現特定仿真目的的分布式　　系統叫做聯邦，聯邦由仿真應用、RTI、聯邦對象模型構成，而RTI則起到支撐各種不同仿真應用的作用。在HLA中對象模型是描述客觀事物的一組對象的集合，在對象模型中描述了這些對象的屬性、聯系、交互。對象模型在HLA中包括2類：聯邦對象模型（Federation Object Model，FOM），用于描述聯邦執行過程中成員共享的信息；成員對象模型（Simu－lation Object Model，SOM），用于說明成員在參與聯邦時提供的能力。在HLA中規定了統一的表格OMT來規范對象模型的描述。OMT提供了一個可共同理解的機制來描述成員數據的交換。 　　聯邦規則有10條： 　?。?）必須有一個聯邦對象模型（FOM），用于記載運行時成員交換數據的協議和條件； 　　（2）FOM中所有對象屬于各個成員，而不在RTI中，使仿真應用和通用的支撐服務分離； 　?。?）所有數據的交換必須通過RTI，保持聯邦數據交換的一致性； 　?。?）成員與RTI的交互遵循RTI接口規范，標準化的接口使得開發仿真應用無需考慮RTI的實現； 　?。?）對象的屬性在任一時刻只能為1個成員所有，保證聯邦成員數據的一致性。HLA提供了將屬性動態地從1個成員到另1個成員的機制； 　　（6）必須有成員對象模型SOM，SOM充分描述了成員能向外提供的基本能力； 　?。?）必須能更新和使用內部對象的屬性以及發送和接受對象的交互； 　?。?）必須能按SOM的規定遷移和接受屬性的使用權； 　?。?）必須能改變屬性公布的條件； 　?。?0）必須能管理局部時間，從而保證它能協調與聯邦中其它成員交換數據。 　　HLA的RTI提供了各種服務來處理聯邦運行時成員間的互操作和管理聯邦的運行： 　?。?）聯邦管理服務（FM）　提供創建，刪除，加入，退出聯邦運行等服務； 　?。?）聲明管理服務（DM）　成員可訂購它所需要的屬性值和公布它能提供給其它成員使用的屬性值； 　?。?）對象管理服務（OM）　提供成員在聯邦運行時創建和刪除對象以及屬性值的傳送； 　?。?）所有權管理服務（OWM）　提供屬性所有權在成員間遷移和接受的服務； 　?。?）時間管理服務（TM）　用于控制聯邦仿真時間的推進； 　?。?）數據管理服務（DDM）　提供對數據空間的管理，提供數據分發的服務。 　　相對于DIS模式，HLA模式通過引入RTI運行支撐系統，把仿真應用和運行支撐系統環境分離開來。比較好地解決了運行支撐在仿真中的可重用性并有效地減少了網絡上大量冗余的數據量。其原理如圖3所示。 　　在HLA中各個仿真應用之間的交互通過HLA提供的接口來進行。每個仿真應用向RTI聲明其能“發布”和“訂購”的數據，在仿真器運行時由RTI運行支撐系統來確定網絡的連接和數據的收發，各個仿真應用并不關心網絡數據的傳輸，而只關心其感興趣的數據。而且RTI中可以實現有連接和無連接的通信方式，有連接的方式是一種可靠的通信方式，在必須保證通信正確的要求下采用它，而無連接的方式相對于有連接的方式耗時要少。在HLA中可以實現點對點、多播、廣播的通信方式，整個網絡的傳輸是有序的。 　　然而HLA的標準是美國軍方針對軍事領域的仿真應用而提出、制定的，對于其它領域的仿真應用顯得比較復雜和臃腫，因此吸收HLA標準，采用其接口的標準性、仿真支撐重用性、應用和支撐的分離性來重新設計了分布式變電站仿真器的體系結構，以期達到如下效果： 　?。?）每個仿真節點能“發布”和“訂購”數據； 　?。?）每個仿真節點能動態地“加入”和“退出”仿真運行； 　?。?）對網絡數據進行過濾，減少通信量； 　　（4）利用多線程來處理網絡數據的收發； 　　（5）采用面向對象的方法來實現提高模塊的可重用性。 　　3．3　基于HLA／RTI的RtiServ 　　RTI的運行支撐程序RtiServ運行在服務器（NT Server）上，并采用集中式的RTI。 　　在RtiServ程序中采用了一對一（單播）和一對多（多播）的傳輸方式。單播和廣播是編址方案的2個極端（一對一或全網），多播的目的在于提供一種折衷方案，多播數據僅由對該數據感興趣的接口接收，也就是說，由運行希望參加多播會話應用系統的主機上的接口接收。廣播一般局限于局域網，而多播既可用于局域網，也可跨越廣域網。 　　FedM是運行的主線程，負責管理整個聯邦運行，其它對象的實現由各個子線程來完成。FedM對象負責管理總的聯邦運行：創建、控制、加入、刪除聯邦執行。在一個成員加入到聯邦執行前，聯邦執行必須存在。成員加入聯邦執行的順序是不定的，但刪除聯邦執行必須在所有成員都退出聯邦執行以后。聯邦執行的創建和刪除的示意圖見圖4。 　　RtiServ由不同的對象構成RtiM，PubM，SubM，RtiR。 　　RtiR對象負責聯邦成員和RtiM的交互，包括屬性的更新和調度等。 　　PubM對象負責管理發布數據對象狀態的變化，并將這些變化傳遞給其他的對象。 　　SubM對象則把各個對象的定購區域和更新區域作比較，對滿足條件的對象發出定購信息。 　　RtiM對象由DM、OM、TM和OWM等不同對象構成，它完成對象管理、聲明管理、所有權管理、時間管理，以保持一致性。RtiM還可聲明能發出的信息和希望接受的交互，給加入聯邦執行的每個對象唯一的ID，對象的ID由RTI動態地產生，當對象被刪時RtiM應該通知對該對象感興趣的各個成員，該對象已經脫離聯邦運行。所有權管理服務則提供了成員間屬性所有權的遷移和接受。在得到授權以后，一個成員有權力將另一個成員從聯邦運行中刪除。TM對象負責計算時間量（Time Stamp，TS），使仿真世界中的事件發生的順序與真實世界中的事件發生的順序相一致，維護內部的一致性和成員的相關信息。成員可以請求聯邦時間，當前的（LowBound on The Time Stamp，LBTS）值和時間推進量以滿足成員之間的交互。DM對象的主要功能是限制一個大規模范圍的數據分發和接受，減少網絡上的傳輸數據和成員處理的數據量。在HLA中數據分發的基本概念是路徑空間（Routing Space，RS），路徑空間是一個多維的關聯空間，成員可以用它來描述其希望接受和發送的數據，它有3個要素：坐標系統的維數、路徑變量（對應于坐標系統的每一維）和路徑變量在每維上的定義。成員指定一定購區域，意味著只有落入該區域的數據才被發送，而指定一更新區域并將該區域與一對象相聯系，成員將保證當對象更新時，如對象的屬性落入了更新域，則將發出更新值。聯邦成員先向RtiM對象說明其想定購或發送的數據，由RtiM對象進行匹配，選擇路由空間，并建立連接，最后發送數據。 　　如圖5所示，當定購對象S1和發布對象P1重疊時，與P1對象相關的屬性將由RitM對象傳遞給S1對象。對象P2的發布區域與其他定購區域不相交，因此將禁止發送對象P2的數據。通過對發 　　布和定購區域的計算，可以確定發布方是否可以發布，以及定購方是否應該接受，故稱區域的匹配為過濾計算。過濾信息的處理建立了數據源與一組目的地的對應關系，數據只需1次多播即可，從而減少了網絡的流量。因此RtiServ實現了仿真應用和仿真支撐功能的分離，并大幅度地減少了網絡的通信量。公共對象請求代理結構（Corba）是一基于分布式面向對象的計算體系結構，可以隱藏底層通信協議和硬件的細節，因此RTI的原型一般基于Corba來實現［4－5］。當對象在另一機器上時，客戶端和服務端必須分別通過一特殊層來管理網絡通信，在客戶端是存根（stub），在服務端是骨架（skeleton），對象請求代理（ORB）負責屏蔽網絡通信，而Stub類和Skeleton類則是在編譯Idl文件時生成的。Idl語言提供了一種類似于C＋＋的語法［6］，供Corba應用的開發者描述服務對象的界面。 　　在具體實現中，采用了可視化編程工具C＋＋Builder 4。在C＋＋Builder 4中已經方便地提供了可視化的Corba Server、Corba Client、Corba IDLFile、Corba Object Implementation對象和大量基于Corba的應用例程，可以很方便地實現分布式計算。C＋＋Builder 4還提供服務代理（smart agent）來實現動態，分布的目錄服務。在運行時，ORB通過廣播來建立和SmartAgent的聯系。一旦建立聯系，則采用基于UDP點對點的通信方式來傳遞數據。 　　3．4　分布式數據過濾機制的實現 　　在HLA下，數據過濾的實現是通過路徑空間（RS）來實現的，通過發布和定購區域的匹配計算，確定發布方是否可以發送數據和定購方是否可以接受數據，并建立了數據源與一組目的地的對應關系，在此基礎上通過底層網絡的多播功能，數據只需1次發送即可。如基于網格（grid－based）過濾機制把路徑空間劃分為粒度相等的網格，并為每個單元分配1個地址，發送者向與其公布區域相交的網格對應的地址發送數據。但是這種方式的地址數量太大，網絡資源浪費嚴重。因此必須尋找一種更好的過濾方法，如在RS的基礎上采用基于數據發送源的過濾機制（Send Based Filter，SBF）。 　　在分布式仿真中的數據過濾機制應該是高效的，并不影響仿真器的實現效率。在各個仿真節點上，計算機CPU的開銷主要由3部分組成，即仿真模型計算、接受數據和過濾機制開銷。在每個仿真節點上由仿真主進程派生一個過濾子進程，該子進程負責過濾由RtiServ發送的信息（定購信息，發布信息），定購區域信息和其它發布區域信息進行匹配，根據匹配的結果指導相應的節點開始或停止發送數據，從而有效地減少了網絡數據的冗余量。 4　HLA／RTI實現中要注意的問題 　　4．1　多線程數據共享 　　多線程應用程序與單線程應用程序相比，有很大的差異。在單線程應用程序中，進程中的所有系統資源均由1個線程來使用，而在多線程中，進程中的多個線程共存于進程的虛擬空間，它們共享進程所有資源。如果發生多個線程同時訪問或操作進程中的某個變量時，將會使應用程序產生意想不到的錯誤。因此對數據的讀、寫操作必須采用“數據鎖”來處理，當某一線程對數據進行讀寫操作時，應首先調用Lock方法將數據鎖定以阻止其它線程對它的訪問，操作結束再調用UnLock方法，釋放對數據的控制權。 　　4．2　異步傳輸的采用 　　在缺省狀態下，套口是阻塞方式的。當一個套口調用不能立即完成，進程進入睡眠狀態，等待操作的完成。為了提高網絡的傳輸速度，應該采用非阻塞I／O套口。 [b]5　結語 [/b]　　分布交互式仿真技術在不斷發展。本文把HLA規范應用到變電站仿真中，是一個有益的嘗試。隨著CORBA技術的進步，分布式仿真技術也日趨完善，這必然會推動仿真技術在電力工業中的應用。 [b]參考文獻 [/b]　　[1]　華東電力試驗研究所.華東500kV電網諧波聯合測試報告[R].1994 　　[2]　馮寶憶.華東500kV電網諧波問題初探[J].華東電力,1992,（4） 　　[3]　GB/T 14549-93.電能質量公用電網諧波[S]. 　　[4]　姚國燦,等.電力系統諧波程序（簡稱CHP程序）使用說明[R].電力部電力科學研究院技術報告,1991.