吳優(yōu)，付立軍，馬凡，許軼楠，朱琬璐

1 海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033

2 海軍研究院，北京 100161

0 引 言

隨著艦船電力系統(tǒng)向自動化、信息化等方向的快速發(fā)展，艦船電力系統(tǒng)的能量管理技術(shù)將從目前基于監(jiān)測的基本型能量管理逐漸發(fā)展為集數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)分析與綜合管理為一體的智能型能量管理[1-2]。該管理系統(tǒng)將通過高速信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對艦船電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制，并更多地參與電力系統(tǒng)實時閉環(huán)控制與自主決策。然而，能量管理信息網(wǎng)絡(luò)的性能及非理想特性（例如，網(wǎng)絡(luò)延時、丟包和誤碼等）有可能對電力系統(tǒng)的運行特性帶來顯著影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)等嚴(yán)重問題。信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)之間的緊耦合關(guān)系有可能導(dǎo)致故障在信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)之間傳播，而這2 個系統(tǒng)中的任意部件出現(xiàn)故障都可能會因連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致全系統(tǒng)的運行狀態(tài)出現(xiàn)異常。由此可見，僅針對信息網(wǎng)絡(luò)或電力系統(tǒng)的傳統(tǒng)仿真工具已無法滿足此類系統(tǒng)的分析需求，因此，需要開發(fā)一種可同時精確描述這2 個系統(tǒng)及其之間緊耦合關(guān)系的仿真方法，從而描述系統(tǒng)中通過“信息流”控制“能量流”的運行特性。

對于信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的聯(lián)合仿真問題，目前已有多種實現(xiàn)途徑，例如通過對傳統(tǒng)的單一仿真平臺進(jìn)行擴(kuò)展，即可實現(xiàn)聯(lián)合仿真的功能。Baran 等[3]提出了一種將 PSCAD/EMTDC 軟件和基于Java 實現(xiàn)的通信模塊相結(jié)合的聯(lián)合仿真方案；童曉陽等[4]和Tong[5]以網(wǎng)絡(luò)仿真工具OPNET為主體，通過將電力系統(tǒng)的通信需求簡化為基于C 語言實現(xiàn)的需求程序，得以嵌入OPNET 運行。此類方法的主要缺點是由于僅采用了一種專用仿真平臺，導(dǎo)致聯(lián)合仿真只能對信息網(wǎng)絡(luò)模型或電力系統(tǒng)模型這二者中的一個進(jìn)行大幅簡化，所以無法對全系統(tǒng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確仿真。為在聯(lián)合仿真中同時準(zhǔn)確描述信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的特性，一種較為有效的方法是同時利用已有的信息網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)仿真平臺來實現(xiàn)聯(lián)合仿真，但直接將這2 種仿真平臺進(jìn)行連接可能會導(dǎo)致設(shè)計接口的專用性強、不利于平臺擴(kuò)展等一系列問題[6-8]。為此，有學(xué)者提出了聯(lián)合仿真框架，以便實現(xiàn)各仿真平臺之間統(tǒng)一的接口設(shè)計，其中應(yīng)用較為廣泛的是高層體系結(jié)構(gòu)（high level architecture，HLA）仿真框架[9]。該框架可為各個仿真平臺提供統(tǒng)一的接口函數(shù)，通過調(diào)用這些函數(shù)，即可實現(xiàn)各個仿真平臺之間的信息交互與協(xié)同控制。目前，該框架在信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)聯(lián)合仿真領(lǐng)域的應(yīng)用案例包括結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)、電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)的仿真平臺EPOCHS[10-11]，以及廣域網(wǎng)絡(luò)保護(hù)控制研究[12-13]和智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)性能研究[14-15]等，但尚未有應(yīng)用于艦船能量管理信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的聯(lián)合仿真研究。相較于陸用電力系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，艦船電力系統(tǒng)能量管理信息網(wǎng)絡(luò)的物理范圍與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量較小，所以陸用電力系統(tǒng)研究中需考慮的物理距離、帶寬限制等因素對艦船電力系統(tǒng)的影響并不明顯。然而，艦船電力系統(tǒng)中受信息網(wǎng)絡(luò)直接控制的電力電子設(shè)備較多，極易因網(wǎng)絡(luò)故障而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障，因此，需針對網(wǎng)絡(luò)故障等問題開展針對性的研究。

針對艦船電力系統(tǒng)及其對應(yīng)的能量管理信息網(wǎng)絡(luò)，本文擬分別將OPNET 和Matlab/Simulink 軟件作為信息網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)的仿真平臺，實現(xiàn)這2 種平臺對外數(shù)據(jù)交互的軟件接口，并將基于HLA 仿真框架實現(xiàn)平臺之間的數(shù)據(jù)交互和時鐘同步功能，進(jìn)而實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的聯(lián)合仿真；同時，將搭建艦船電力系統(tǒng)中典型的多臺發(fā)電機組并聯(lián)帶負(fù)載聯(lián)合仿真模型，并通過基于以太網(wǎng)的能量管理信息網(wǎng)絡(luò)對發(fā)電機功率分配進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而分析能量管理信息網(wǎng)絡(luò)中固有延時、鏈路過載等因素對電力系統(tǒng)運行特性的影響，用以驗證本文聯(lián)合仿真方法的有效性。

1 基于HLA 的聯(lián)合仿真系統(tǒng)

1.1 HLA 仿真框架概述

HLA 仿真框架是一種建模仿真領(lǐng)域的通用高層體系結(jié)構(gòu)，其主要功能是為多個仿真軟件提供相對獨立的聯(lián)合仿真支撐服務(wù)，將具體的仿真功能實現(xiàn)、仿真運行管理和底層通信分開，并基于統(tǒng)一的運行時環(huán)境（run time infrastructure，RTI）接口來實現(xiàn)仿真平臺之間的信息交互和時鐘同步。基于HLA 的聯(lián)合仿真稱為“仿真聯(lián)邦”，其中，每一個仿真平臺稱為“聯(lián)邦成員”，如圖1 所示。

由圖1 可以看出，仿真聯(lián)邦由RTI 執(zhí)行程序、聯(lián)邦執(zhí)行程序和聯(lián)邦成員構(gòu)成，各部分之間通過調(diào)用RTI 提供的相關(guān)庫函數(shù)（libRTI）進(jìn)行信息交互，從而實現(xiàn)聯(lián)合仿真。RTI 為聯(lián)邦成員提供包括聯(lián)邦管理、聲明管理、對象管理、時間管理、所有權(quán)管理和數(shù)據(jù)分發(fā)管理在內(nèi)的6 類服務(wù)功能，并設(shè)計實現(xiàn)聯(lián)邦創(chuàng)建與銷毀、聯(lián)邦成員加入和退出、執(zhí)行數(shù)據(jù)交互等百余種函數(shù)功能。目前，聯(lián)合仿真中主要采用了聯(lián)邦管理和時間管理這2 部分功能，在仿真進(jìn)程中聯(lián)邦成員與仿真聯(lián)邦之間的主要交互操作如圖2 所示。

圖 2 HLA 仿真聯(lián)邦與聯(lián)邦成員之間的交互過程Fig. 2 Interactions between HLA federation and federates

1.2 聯(lián)合仿真系統(tǒng)架構(gòu)

基于HLA 仿真框架，本文設(shè)計了如圖3 所示的艦船能量管理信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 OPNET，Matlab 以及 HLA 框架提供的RTI 軟件組成。OPNET 的主要功能是實現(xiàn)艦船能量管理信息網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)仿真，所涉及的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備包括交換機、區(qū)域控制器、節(jié)點控制器以及網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)等。由于OPNET 對HLA 仿真框架的功能支持較為完善，所以在信息網(wǎng)絡(luò)仿真模型中可以通過配置和調(diào)用OPNET HLA 節(jié)點來直接實現(xiàn)與RTI 之間的數(shù)據(jù)交互和時鐘同步。Matlab 的主要功能是實現(xiàn)艦船電力系統(tǒng)的詳細(xì)仿真，并通過采樣模塊和接口模塊實現(xiàn)與RTI 之間的數(shù)據(jù)交互。由于Matlab 中缺乏對HLA 框架的直接支持，故需采用額外添加控制程序的方式來間接實現(xiàn)其與RTI 之間的交互，而Matlab 與控制程序之間則通過Socket 通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖 3 聯(lián)合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of co-simulation system

1.3 OPNET 聯(lián)合仿真接口的實現(xiàn)

為了實現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)仿真模型與RTI 之間的數(shù)據(jù)交互，OPNET 仿真提供了HLA 接口節(jié)點及其對應(yīng)的進(jìn)程模型，如圖4 所示。

圖 4 OPNET HLA 的接口節(jié)點Fig. 4 Interface node of OPNET HLA

由圖 4 可以看出，OPNET HLA 接口節(jié)點可以獨立添加至任意網(wǎng)絡(luò)仿真模型，且不會對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓斐捎绊懀渲饕δ苁潜O(jiān)測OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真模型和RTI 中與HLA 交互有關(guān)的事件，從而形成二者之間的信息交互通道，其交互流程如圖5 所示。

圖 5 基于HLA 節(jié)點的事件交互流程Fig. 5 Event interaction process based on HLA node

由圖5 可知，信息網(wǎng)絡(luò)仿真模型與RTI 之間以HLA 節(jié)點作為接口實現(xiàn)了互聯(lián)，HLA 節(jié)點通過分別監(jiān)控、觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)仿真模型和RTI 軟件中的仿真事件，使二者之間形成事件流，進(jìn)而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互、時鐘同步及仿真控制等功能。網(wǎng)絡(luò)仿真模型與RTI 之間以數(shù)據(jù)映射的方式完成具體數(shù)據(jù)交互：首先，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型向預(yù)先定義的虛擬端口發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，當(dāng)HLA 節(jié)點檢測到該類數(shù)據(jù)包之后，即可將數(shù)據(jù)封裝為特定格式的結(jié)構(gòu)體并傳輸至RTI；然后，RTI 通過事件觸發(fā)的方式向HLA 節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)HLA 檢測到事件之后，即可產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包并通過虛擬端口發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型，從而形成連通OPNET 與RTI 的聯(lián)合仿真接口。

1.4 Matlab 聯(lián)合仿真接口的實現(xiàn)

由圖3 可以看出，Matlab 聯(lián)合仿真接口主要包括Matlab 接口模塊和外部基于C 語言實現(xiàn)的仿真控制程序，其中接口模塊的實現(xiàn)方式相對簡單，其主要功能是對聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與處理，如圖6 所示。當(dāng)收到電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)和仿真時鐘數(shù)據(jù)之后，接口模塊即可將數(shù)據(jù)整合，并通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送至控制程序；同時，接口模塊還將監(jiān)測從控制程序發(fā)來的控制數(shù)據(jù)，并解析為控制指令，然后下發(fā)至電力系統(tǒng)仿真模型中的對應(yīng)設(shè)備。

圖 6 Matlab 接口模塊的實現(xiàn)Fig. 6 Implementation of Matlab interface module

聯(lián)合仿真控制程序的功能主要包括2 部分：一是在Matlab 側(cè)，通過Socket 實現(xiàn)與Matlab 接口模塊之間的基于TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)交互；二是在RTI 側(cè)，通過調(diào)用RTI 庫的函數(shù)，實現(xiàn)仿真聯(lián)邦的相關(guān)操作，主要分為仿真初始化、交互類的發(fā)布與訂閱、仿真事件處理以及仿真結(jié)束4 部分。仿真初始化即實現(xiàn)仿真聯(lián)邦的創(chuàng)建以及控制聯(lián)邦成員加入仿真聯(lián)邦等；交互類的發(fā)布與訂閱即通過發(fā)布和訂閱RTI 交互類，實現(xiàn)仿真聯(lián)邦與OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真的數(shù)據(jù)交互，其中交互類與OPNET 中通過虛擬端口收發(fā)的數(shù)據(jù)包一一對應(yīng)，從而共同構(gòu)成OPNET 與RTI 之間的數(shù)據(jù)傳輸渠道；仿真事件處理是聯(lián)合仿真控制程序的核心部分，通過循環(huán)運行每個聯(lián)合仿真步長來實現(xiàn)2 個仿真平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸與時鐘同步；仿真結(jié)束部分則在聯(lián)合仿真運行結(jié)束之后執(zhí)行，其主要功能包括控制聯(lián)邦成員退出仿真聯(lián)邦以及銷毀仿真聯(lián)邦。

2 聯(lián)合仿真的時鐘同步及數(shù)據(jù)交互

2.1 聯(lián)合仿真的定步長時鐘同步方法

在聯(lián)合仿真中，因信息網(wǎng)絡(luò)仿真和電力系統(tǒng)仿真均為離線仿真，且各平臺的運行速度不一致，故會導(dǎo)致兩者之間的仿真時鐘不同步。為保證聯(lián)合仿真的準(zhǔn)確性，本文將采用基于定步長同步的時鐘同步方式，以使聯(lián)合仿真過程中Matlab與OPNET 的仿真時鐘保持一致。鑒于Matlab 電力系統(tǒng)仿真采用的是定步長時域仿真，而OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真采用的是離散事件仿真，且前者的仿真周期更易于獲取與計算，因此本文將以Matlab 的仿真時鐘為基準(zhǔn)，2 個仿真平臺根據(jù)規(guī)定的仿真步長交替運行，并在每一個混合仿真周期結(jié)束時進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其具體運行模式如圖7 所示。

圖 7 聯(lián)合仿真的定步長時鐘同步模式Fig. 7 Fix-step time synchronization of co-simulation

以圖7 中t1～t2所代表的一個聯(lián)合仿真運行周期為例，時鐘同步的4 個步驟依次如下：

1） Matlab 從起始時間 t1開始運行，此時 OPNET掛起等待（OPNET 的仿真時間停留在t1）。

2） 待Matlab 運行一個聯(lián)合仿真周期到達(dá)t2后，Matlab 暫停運行并將仿真運行時間傳遞給RTI，然后通過RTI 將能量管理所需的電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸給OPNET，作為能量管理系統(tǒng)的計算輸入。

3） RTI 將仿真聯(lián)邦的仿真時間推進(jìn)至 t2，并控制OPNET 以電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)作為輸入運行至該時刻后暫停。

4） OPNET 將計算所得的能量管理控制指令通過 RTI 返還給 Matlab，Matlab 在收到 RTI 的返回數(shù)據(jù)之后即恢復(fù)運行并執(zhí)行控制指令，繼而開始下一個周期的聯(lián)合仿真。

采用該定步長時鐘同步方法，即可在聯(lián)合仿真的過程中保證OPNET 與Matlab 仿真的時鐘同步性，從而滿足聯(lián)合仿真的準(zhǔn)確性要求。

2.2 聯(lián)合仿真的數(shù)據(jù)交互方法

基于上文所述的聯(lián)合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及時鐘同步方法，本文設(shè)計了如圖8 所示的聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交互方法，用以分別實現(xiàn)其各項具體功能。

圖 8 聯(lián)合仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交互方法Fig. 8 Data exchange in co-simulation system

在聯(lián)合仿真系統(tǒng)中，Matlab 作為電力系統(tǒng)的仿真平臺，其在數(shù)據(jù)交互方面的主要功能是通過接口模塊采集電力系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)并執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)仿真平臺傳回的能量管理控制指令。聯(lián)合仿真控制程序的主要功能是：首先，進(jìn)行Matlab 與RTI 之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；其次，接收Matlab 傳來的仿真時間，并以之為依據(jù)控制RTI 中的仿真聯(lián)邦時間。RTI 作為混合仿真的核心，其主要作用是通過調(diào)用RTI 庫函數(shù)實現(xiàn)聯(lián)合仿真時間的推進(jìn)以及仿真數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。OPNET 中的節(jié)點主要分為3 類：一是HLA 節(jié)點，其主要功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真模型與RTI 之間監(jiān)控數(shù)據(jù)和控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)，并作為RTI 控制OPNET 仿真進(jìn)程的接口；二是設(shè)備節(jié)點，其主要功能是實現(xiàn)與HLA 節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互，以及能量管理系統(tǒng)中電力系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集和控制指令下發(fā)功能；三是控制節(jié)點，其主要功能是模擬信息網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)控制器，以電力系統(tǒng)的監(jiān)控數(shù)據(jù)作為輸入，通過分析計算得到對應(yīng)的控制指令并進(jìn)行下發(fā)。由圖8 所示的數(shù)據(jù)交互方法可以看出，在艦船能量管理信息網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)耦合運行時，聯(lián)合仿真平臺可以較好地實現(xiàn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的模擬。

3 算例分析

3.1 仿真算例

在艦船電力系統(tǒng)中，由于發(fā)電機組的數(shù)量和容量均有限，不同機組之間的功率分配將直接影響發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。本文將搭建發(fā)電機組并聯(lián)帶負(fù)載的聯(lián)合仿真模型，通過基于以太網(wǎng)的能量管理信息網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控負(fù)載功率，并對發(fā)電機組功率進(jìn)行二次分配遠(yuǎn)程控制。其仿真算例結(jié)構(gòu)如圖9 所示，其中L 為輸電線路，S 為負(fù)載。

圖 9 聯(lián)合仿真系統(tǒng)算例Fig. 9 Example of co-simulation system

在仿真算例的電力系統(tǒng)模型中，2 臺并聯(lián)的三相同步發(fā)電機組（G1，G2）向三相交流阻感負(fù)載供電，其中 G1 與 G2 的容量分別為 670 kVA 和 85 kVA，負(fù)載功率為160 kW/120 kvar。與電力系統(tǒng)模型相對應(yīng)，能量管理信息網(wǎng)絡(luò)的仿真模型由3 個交換機節(jié)點和5 個以太網(wǎng)節(jié)點組成，其中5 個以太網(wǎng)節(jié)點分別為發(fā)電機組G2 控制節(jié)點、負(fù)載功率采樣節(jié)點、遠(yuǎn)程控制節(jié)點以及背景流量節(jié)點。背景流量節(jié)點的主要功能是向遠(yuǎn)程控制節(jié)點發(fā)送周期數(shù)據(jù)包，從而模擬網(wǎng)絡(luò)中其他控制過程帶來的背景流量特性。在初始條件下，2 臺發(fā)電機組按容量比例分擔(dān)負(fù)載功率，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后即啟動二次功率分配，通過能量管理網(wǎng)絡(luò)采集負(fù)載數(shù)據(jù)，并控制發(fā)電機組G2 的有功和無功輸出，從而實現(xiàn)負(fù)載功率的按需分配。

在聯(lián)合仿真過程中，Matlab 將采集電力系統(tǒng)中負(fù)載的有功和無功信息，并以此作為遠(yuǎn)程控制器的計算輸入；在OPNET 模型中，控制器將檢測的功率信息作為輸入，根據(jù)需求計算生成對應(yīng)的發(fā)電機組功率指令并回傳至Matlab 中執(zhí)行。根據(jù)圖7 所示的時鐘同步方式，該聯(lián)合仿真每個周期的運行流程如下：首先，Matlab 運行，OPNET 掛起等待；接著，在運行至一個周期之后，Matlab 暫停運行，并將負(fù)載功率數(shù)據(jù)通過RTI 和HLA 節(jié)點傳輸至OPNET 的負(fù)載功率采樣節(jié)點；然后，OPNET恢復(fù)運行，通過交換機將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制節(jié)點，待遠(yuǎn)程控制節(jié)點生成功率控制指令之后，再次通過交換機傳輸至發(fā)電機組控制節(jié)點，然后通過HLA 節(jié)點和RTI 將控制指令回傳至Matlab 仿真模型；最后，Matlab 接收到數(shù)據(jù)之后即恢復(fù)運行，并根據(jù)接收數(shù)據(jù)對發(fā)電機組的輸出功率進(jìn)行調(diào)整。本文的算例工況設(shè)置如下：在初始狀態(tài)下，2 臺發(fā)電機組按容量比例分擔(dān)負(fù)載功率；當(dāng)仿真運行至第10 s 時，通過遠(yuǎn)程控制器對發(fā)電機組進(jìn)行功率轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)發(fā)電機組之間的功率均分，進(jìn)而分析網(wǎng)絡(luò)固有延時和背景流量對系統(tǒng)二次功率分配過程的影響。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 工況1：添加鏈路固有延時

為了模擬信息網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)鏈路固有延時的特性，本文將在仿真模型的每條網(wǎng)絡(luò)鏈路中分別添加2 和5 ms 的鏈路延時，用以分析不同網(wǎng)絡(luò)延時對電力系統(tǒng)運行特性的影響。圖10 所示為電力系統(tǒng)模型中節(jié)點1 的同步發(fā)電機組G1 與G2 的運行特性，其中 T 為仿真時間，圖 10（f）的轉(zhuǎn)速為標(biāo)幺值（單位為pu，其中G2 的額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min）。

經(jīng)仿真測試：在添加鏈路延時之前，數(shù)據(jù)包的傳輸延時約為300 μs；添加鏈路延時之后，由于數(shù)據(jù)包從采樣模塊經(jīng)控制器轉(zhuǎn)發(fā)至發(fā)電機組需經(jīng)過6 條鏈路，而每條鏈路的固定延時為 2 和 5 ms，所以整個控制環(huán)節(jié)的總延時分別約為12 和30 ms。經(jīng)對比分析，發(fā)現(xiàn)不添加鏈路延時的系統(tǒng)運行特性與僅采用Matlab 仿真（不考慮網(wǎng)絡(luò)延時）的運行特性相一致。由圖10 可以看出，當(dāng)數(shù)據(jù)包的傳輸總延時較小時，電力系統(tǒng)所受的影響也較小。然而，由于電力系統(tǒng)與能量管理網(wǎng)絡(luò)之間存在緊耦合關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)延時將導(dǎo)致電力系統(tǒng)的控制指令無法及時下達(dá)，同時電力系統(tǒng)還需將影響之后的功率數(shù)據(jù)反饋至能量管理網(wǎng)絡(luò)（作為網(wǎng)絡(luò)控制的輸入），故二者將形成控制閉環(huán)，且在耦合關(guān)系作用下相互影響。因此，隨著鏈路延時的增加，2 臺發(fā)電機組輸出功率的振蕩也將隨之明顯增加，而穩(wěn)定時間也會有所延遲。由此可見，在二次功率分配過程中，網(wǎng)絡(luò)鏈路的固定延時特性將對電力系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生明顯影響。

圖 10 添加鏈路延時的聯(lián)合仿真結(jié)果(工況1)Fig. 10 Co-simulation results with link delay (condition 1)

3.2.2 工況2：添加背景流量

針對網(wǎng)絡(luò)中存在背景流量的工況，在不添加鏈路固有延時的前提下，通過網(wǎng)絡(luò)仿真模型中的2 個背景流量節(jié)點向控制網(wǎng)絡(luò)循環(huán)發(fā)送隨機大小的數(shù)據(jù)包，以此作為網(wǎng)絡(luò)背景流量，進(jìn)而分析網(wǎng)絡(luò)鏈路在未飽和與飽和條件下因背景流量導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)延時對電力系統(tǒng)的影響。圖11所示為同步發(fā)電機組G1 與G2 的運行特性，以及數(shù)據(jù)包的延時特性。

圖 11 添加網(wǎng)絡(luò)背景流量的聯(lián)合仿真結(jié)果(工況2)Fig. 11 Co-simulation results with network background traffic (condition 2)

由圖11（g）可以看出：在隨機背景流量的影響下，控制數(shù)據(jù)包的延時也將隨機變化；當(dāng)添加的背景流量未導(dǎo)致鏈路過載時，數(shù)據(jù)包的延時明顯大于未添加背景流量時的延時，且在10 ms 左右的范圍內(nèi)波動；當(dāng)背景流量較大且導(dǎo)致鏈路過載時，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量將超出網(wǎng)絡(luò)處理能力，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包將在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)送隊列中逐漸累積而無法及時處理，隨著仿真時間的推移，網(wǎng)絡(luò)延時也將逐漸增加。由圖11 的仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)鏈路未過載時，由于數(shù)據(jù)包延時僅在一定范圍內(nèi)波動，故其對電力系統(tǒng)運行特性的影響較小；當(dāng)背景流量導(dǎo)致鏈路過載時，數(shù)據(jù)包延時將隨著仿真時間的推移逐漸增加，故系統(tǒng)閉環(huán)控制的延時也隨之增加；當(dāng)仿真進(jìn)行至15 s 之后，系統(tǒng)開始產(chǎn)生振蕩，并逐漸失穩(wěn)發(fā)散。

4 結(jié) 語

針對艦船電力系統(tǒng)中能量管理信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的緊耦合特性，本文提出了一種基于HLA仿真框架的聯(lián)合仿真方法，分別設(shè)計了OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真平臺和Matlab/Simulink 電力系統(tǒng)仿真平臺的對外數(shù)據(jù)交互接口以及聯(lián)合仿真控制程序，提出了聯(lián)合仿真的數(shù)據(jù)交互和時鐘同步方法。同時，搭建了艦船電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機組并聯(lián)帶負(fù)載的聯(lián)合仿真模型，并以能量管理網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制功率二次分配的工況為例，仿真分析了能量管理網(wǎng)絡(luò)中鏈路固有延時、背景流量等因素對電力系統(tǒng)運行特性的影響。仿真結(jié)果表明，本文提出的聯(lián)合仿真方法可以實現(xiàn)艦船能量管理信息網(wǎng)絡(luò)與電力系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，可為二者的耦合研究提供有效的仿真手段。

由于現(xiàn)階段搭建的聯(lián)合仿真算例系統(tǒng)相對簡單，在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步擴(kuò)展聯(lián)合仿真方法在艦船電力系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍，例如實時控制與能量調(diào)度方面的應(yīng)用研究，以揭示實際系統(tǒng)應(yīng)用中信息流的非理想特性對能量流的影響。此外，作為理論基礎(chǔ)和驗證手段，本文提出的聯(lián)合仿真方法可為開展消除信息網(wǎng)絡(luò)非理想特性對電力系統(tǒng)的影響分析提供基礎(chǔ)：首先，可以改善控制網(wǎng)絡(luò)的性能，從源頭上消除信息網(wǎng)絡(luò)對電力系統(tǒng)的不良影響；其次，可以提出新的控制方法，例如將預(yù)測控制理論算法應(yīng)用于控制策略，通過算法對網(wǎng)絡(luò)控制指令進(jìn)行預(yù)判，從而修正對網(wǎng)絡(luò)特性造成的影響，最終改善系統(tǒng)的控制性能。