對測試環(huán)境和測試裝置的模擬在研發(fā)、測試中有著重要作用。目前,廠站自動化系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)的、開放式的、分層分布式的結(jié)構(gòu)特征以及未來數(shù)字化變電站建設(shè)的發(fā)展趨勢,使得研發(fā)一種通用模擬裝置成為可能。文中介紹了一種通用模擬系統(tǒng)——simRTU系統(tǒng),闡述了系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn),以及其所具有的通用、便攜、易于升級和可裁減的特征。
作為一種計算機輔助分析手段,仿真技術(shù)對于電力系統(tǒng)來說意義重大,在系統(tǒng)研究、試驗、人員培訓(xùn)中有著廣泛的用途。從某種意義上講,電力系統(tǒng)仿真技術(shù)水平代表了電力系統(tǒng)科學(xué)研究水平。
仿真意味著“用模型研究系統(tǒng)”。通常所說的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真指的是利用計算機建立數(shù)學(xué)模型、仿真模型,通過在該模型上做試驗,研究模型所代表的電力系統(tǒng)對象本身。這是一種從內(nèi)部機制、結(jié)構(gòu)分析出發(fā)的“白盒子”方法。
但是也有另一類仿真需求,即對測試環(huán)境的仿真和對模擬裝置的仿真,換言之,就是對與所研究對象配合工作的其他電力系統(tǒng)對象的仿真。這種仿真不是根據(jù)數(shù)學(xué)相似原則建立與原型相對應(yīng)的模型來研究對象本身,而是采用從外部接口仿真的“黑盒子”方法,構(gòu)成所謂的模擬設(shè)備、模擬系統(tǒng),來代替系統(tǒng)的其他部分,使所研究、試驗、演示的電力系統(tǒng)對象在模型環(huán)境給定的工況下運行,從而形成閉環(huán)。此類需求相當(dāng)多,例如:通常所說的進(jìn)行測試時需要“搭臺子”、“搭試驗環(huán)境”;對調(diào)度端進(jìn)行測試時需要接入一些遠(yuǎn)程終端單元(RTU)和對負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的RTU進(jìn)行測試時需要接入若干間隔層裝置;調(diào)試與故障錄波器的接口時,如果沒有實際裝置,則需要相應(yīng)錄波器的模擬程序;甚至要在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行某些實時試驗,也不得不接入其他裝置。
基于以上情況,為了便于廠站自動化系統(tǒng)的研發(fā)、測試,開發(fā)了SimRTU系統(tǒng),用于模擬RTU、間隔層裝置等。
設(shè)計SimRTU系統(tǒng)的基礎(chǔ)在于對RTU、廠站裝置本身特點的分析。文獻(xiàn)[6]中所描述的通用RTU結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再通用,現(xiàn)在RTU的特點是網(wǎng)絡(luò)化和基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的開放式結(jié)構(gòu)。而廠站自動化系統(tǒng)也逐步從集中式、分散式發(fā)展到現(xiàn)在的基于網(wǎng)絡(luò)的開放式、分層分布式。新開發(fā)的間隔層裝置已經(jīng)普遍具有直接接入以太網(wǎng)的能力??梢灶A(yù)見,未來數(shù)年還會掀起數(shù)字化變電站建設(shè)的浪潮。這些都將引導(dǎo)整個電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
對模擬裝置、模擬RTU系統(tǒng)從各個方面進(jìn)行了有益探討。結(jié)合廠站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、開放式以及未來數(shù)字化變電站的技術(shù)特征,本文認(rèn)為在SimRTU系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該進(jìn)一步關(guān)注以下特征:
1)通用性。所開發(fā)的仿真系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)只為某幾個廠站自動化系統(tǒng)或者調(diào)度端能量管理系統(tǒng)(EMS)服務(wù)。這就要求盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)的軟件協(xié)議接口,不采用專用的硬件接口,包括某些I/O處理模塊接口等。
2)易于升級。系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境、功能需求不斷變化,升級不可避免?,F(xiàn)在硬件的更新?lián)Q代非常快,采用某些專用嵌入式處理器和硬件平臺的系統(tǒng),升級可能會遇到困難,因為升級意味著對板件的重新設(shè)計。軟件接口的更新更為頻繁,某些較大的升級,例如對數(shù)字化變電站IEC61850協(xié)議的支持,如果不在設(shè)計階段加以充分考慮,升級就可能意味著要重新設(shè)計開發(fā)。
3)規(guī)??缮炜s。由于環(huán)境和需求多樣,所以仿真系統(tǒng)應(yīng)具有很好的可伸縮性。可伸縮性是指可以的大規(guī)模聯(lián)調(diào)測試。
4)便攜易使用。這是不言而喻的。更進(jìn)一步地,相比于一個獨立的測試設(shè)備,如果做成一個可以在通用個人計算機(PC)上運行的獨立軟件包當(dāng)然更好。圖1是SimRTU系統(tǒng)的示意圖。它本身可以模擬一臺或多臺裝置,也可以直接模擬一臺集中采集數(shù)據(jù)的RTU,通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與調(diào)度EMS、當(dāng)?shù)睾笈_監(jiān)控系統(tǒng)以及其他RTU系統(tǒng)通信。同時,支持對模擬裝置的遙控、遙調(diào)操作,形成閉環(huán)測試環(huán)境。非常小巧,只占很少的系統(tǒng)資源,也可以進(jìn)行多系統(tǒng)。
SimRTU系統(tǒng)有如下基本設(shè)計:
基于普通PC和Windows操作系統(tǒng)。通信介質(zhì)采用普遍支持的以太網(wǎng)和串口,盡可能采用網(wǎng)方式。利用Windows系統(tǒng)可在同一塊網(wǎng)卡上綁不同IP地址的功能,SimRTU系統(tǒng)甚至可以與他軟件在同一臺機器上運行。上述設(shè)計從底層層保證了此模擬軟件的通用性。
充分利用南京中德保護(hù)控制系統(tǒng)有限公司研的已經(jīng)在中低壓廠站中廣泛使用的通信管理機控中心管理(CCM)軟件。CCM軟件是針對電力等業(yè)自動化控制領(lǐng)域中通信方式多種多樣,協(xié)議眾多集成組態(tài)方式復(fù)雜的狀況,開發(fā)的一套多協(xié)議綜開發(fā)/運行/通信平臺。
SimRTU系統(tǒng)保留了CCM軟件中底層支撐平臺的大部分功能,對其上的通信協(xié)議支持和專用于通信管理機的應(yīng)用功能則進(jìn)行了大規(guī)模的裁減,僅保留了上行方向(通往調(diào)度、當(dāng)?shù)睾笈_、其他RTU方向)的協(xié)議支持,又增加了一個模擬RTU協(xié)議(由此協(xié)議完成模擬裝置的功能),刪除了作為模擬RTU所不需要的功能(如專用于通信管理機的調(diào)試、同步當(dāng)?shù)睾笈_數(shù)據(jù)、模擬操作以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能),使得SimRTU系統(tǒng)成為一個占用資源較少、系統(tǒng)規(guī)模(包括通道數(shù)、信號數(shù)、信號變化頻率)完全可配置的獨立軟件。
圖2是SimRTU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。第1層是底層支撐平臺,基本接管了系統(tǒng)底層資源,尤其是網(wǎng)絡(luò)和串口管理;第2層是中間支持層,包括各種通信協(xié)議支持和其他功能,為上層提供了一種多通道的通信環(huán)境;第3層是應(yīng)用層,主要是通道通信、數(shù)據(jù)查看和報文監(jiān)視等功能。
對信號處理的設(shè)置可以采取單獨手工編輯設(shè)置,也可以利用表格控件批量設(shè)置或清除。信號處理可設(shè)置的選項包括:遙信、遙測、遙脈量的變化頻率;遙信是否允許雙遙信故障態(tài);遙信為常開、常閉或者按一定頻率規(guī)律變化;遙測、遙脈量的變化范圍;遙測量是否要乘上遙測系數(shù);遙脈量的變化步長;對所接收到的遙控選擇、遙控執(zhí)行命令如何處理(只有返校處理、執(zhí)行確認(rèn)處理都設(shè)定為正確處理時,才執(zhí)行一個完整的遙控流程)。
SimRTU系統(tǒng)的對外接口基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,保證其開放性和絕大多數(shù)情況下的適用性。目前主要支持的協(xié)議是IEC 60870-5-101,IEC 60870—5—103,
IEC 60870-5-104協(xié)議和OPC服務(wù)端標(biāo)準(zhǔn)接口,以后還會增加對IEC61850的支持。
基于一個穩(wěn)定的支撐平臺,SimRTU系統(tǒng)非常易于以后添加新的協(xié)議。利用CCM軟件的升級功能,本RTU程序也自動具有升級功能。例如對IEC61850的支持,由于具有同一支撐平臺,所以移植起來相對較為容易。
可以對遙信值、遙測值進(jìn)行一些邏輯演算.加上定時器機制,在條件滿足時,主動觸發(fā)一些信號變位、遙控操作等。這在一定程度上模擬了裝置內(nèi)部功能以及裝置間聯(lián)閉鎖功能,更好地實現(xiàn)了交互反饋特性。
simRTU系統(tǒng)從裝置外部接口出發(fā),模擬裝置通用功能,而對于定值、保護(hù)特性等內(nèi)在功能則不能仿真。
在具體實現(xiàn)上,SimRTU系統(tǒng)有如下特點:
采用VisualC++7.0,使用微軟基礎(chǔ)類庫(MFC)編程,其中需用到一些第三方軟件,例如串口支持動態(tài)鏈接庫、OPC支持軟件庫、帶源碼的表格控件等。
容量上,最多支持80000個遙信、10000個遙測、3000個遙脈量;通道個數(shù)上,最多36個模擬RTU端口,100個其他端口(包括上行通信端口)。如果需要更大規(guī)模,可以多運行幾個SimRTU程序(如果資源允許,甚至可以在同一臺機器上運行)。
圖3是SimRTU系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分配示意圖以遙信信號為例,SimRTU系統(tǒng)內(nèi)部保存了編號1~靠的數(shù)據(jù)空間,每個模擬裝置負(fù)責(zé)更新這些數(shù)中的一段,相互之間不允許重疊;SimRTU系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置,把數(shù)據(jù)空間的一部分或全部按不同的行方向發(fā)送,這時可能不同的調(diào)度端以及當(dāng)?shù)睾笮枰煌臄?shù)據(jù)。
目前上行主要支持IEC 60870—5—101子站協(xié)議、IEC 60870—5—104子站協(xié)議、IEC 60870—5—103子站協(xié)議和OPC的服務(wù)器端等協(xié)議以及主備機主備通道等功能。下行(通往裝置方向)只有模擬RTU協(xié)議,這是一個虛擬協(xié)議(即不實際接人信號來源裝置),實際上就是模擬一個裝置自動產(chǎn)生各種預(yù)先設(shè)置的信號變化。如前所述,SimRTU系統(tǒng)的協(xié)議升級是比較方便的。
由于只是從外部接口模擬裝置,處理簡單,再加上目前普通PC上的中央處理器(CPU)的處理能力比裝置上的CPU要強很多,使得SimRTU系統(tǒng)的實時性非常高。在P3處理器、1.4GHz主頻、256MB內(nèi)存的臺式機上,規(guī)定每3 s內(nèi),必須產(chǎn)生1000個遙信信號,通過IEC 60870-5-104主動上送協(xié)議,向一個上行通道(可以連接某一個調(diào)度端、當(dāng)?shù)睾笈_或者前置機)發(fā)送,連續(xù)運行15min,SimRTU系統(tǒng)本身所占的CPU峰值在10%以下,絕大多數(shù)時間內(nèi)CPU占有率在4%以下。至于內(nèi)存使用情況,則主要與SimRTU系統(tǒng)的配置有關(guān)。
當(dāng)滿配置使用(支持最多的信號量)時,以上述機器環(huán)境為例,需要占用內(nèi)存36MB、虛擬內(nèi)存50 MB。
開發(fā)新產(chǎn)品時,經(jīng)常需要接一個實際裝置調(diào)試,這需要準(zhǔn)備電源、裝置、接口線等,實際調(diào)試時,還要手動“點信號”(需要操作裝置以產(chǎn)生信號);要想產(chǎn)生規(guī)律性變化的信號(包括變化頻率、變化幅度等更麻煩?,F(xiàn)在只需運行SimRTU程序,信號就可以自動按需求產(chǎn)生,并且調(diào)試遙控、遙調(diào)操作時,能夠自動響應(yīng),提供閉環(huán)測試環(huán)境。
實際上,SimRTU系統(tǒng)同時也是一臺支持若干標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的協(xié)議測試儀。
SimRTU系統(tǒng)使測試人員可以方便地設(shè)置模擬裝置上哪些信號需要變化、以怎樣的頻率變化等,從而對測試環(huán)境進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)。以前工廠驗收測試(FAT)做“雪崩”試驗時,往往需花費很大精力尋找信號源,使用SimRTU系統(tǒng)則可以非常方便地產(chǎn)生所需要的信號。以前拷機測試往往需要持續(xù)幾天,每隔數(shù)小時就要“點信號”,并進(jìn)行各種試驗和記錄。SimRTU系統(tǒng)可以更加精確地產(chǎn)生所需信號并自動進(jìn)行相關(guān)記錄。
由于可以精細(xì)設(shè)定信號產(chǎn)生的方式,同時支持遙控、遙調(diào)的閉環(huán)測試功能,SimRTU系統(tǒng)可以很容易地構(gòu)造出各種極端情況,從而測試其他系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能、實時性能等。
SimRTU軟件的主要特點在于通用、便攜、易于升級和規(guī)模可伸縮性。但它仍有許多可以改進(jìn)的地方,例如通過讀歷史數(shù)據(jù)提供重演功能,這需要增加專用接口以訪問相應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫;所產(chǎn)生的信號絕大多數(shù)是限制在一定范圍內(nèi)的隨機信號,內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)性不夠等。隨著廠站自動化系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,尤其是數(shù)字化變電站技術(shù)的實施,在線模擬裝置、模擬RTU系統(tǒng)也必將發(fā)生很大變化。