通用模拟系统-SimRTU软件的设计和实现方法

发布时间：2009-08-11 来源:www.cechina.cn

        0 引 言
        作为一种计算机辅助分析手段，仿真技术对于电力系统来说意义重大，在系统研究、试验、人员培训中有着广泛的用途。从某种意义上讲，电力系统仿真技术水平代表了电力系统科学研究水平。
        仿真意味着“用模型研究系统”。通常所说的电力系统数字仿真指的是利用计算机建立数学模型、仿真模型，通过在该模型上做试验，研究模型所代表的电力系统对象本身。这是一种从内部机制、结构分析出发的“白盒子”方法。
        但是也有另一类仿真需求，即对测试环境的仿真和对模拟装置的仿真，换言之，就是对与所研究对象配合工作的其他电力系统对象的仿真。这种仿真不是根据数学相似原则建立与原型相对应的模型来研究对象本身，而是采用从外部接口仿真的“黑盒子”方法，构成所谓的模拟设备、模拟系统，来代替系统的其他部分，使所研究、试验、演示的电力系统对象在模型环境给定的工况下运行，从而形成闭环。此类需求相当多，例如：通常所说的进行测试时需要“搭台子”、“搭试验环境”；对调度端进行测试时需要接入一些远程终端单元（RTU）和对负责数据采集的RTU进行测试时需要接入若干间隔层装置；调试与故障录波器的接口时，如果没有实际装置，则需要相应录波器的模拟程序；甚至要在仿真系统上进行某些实时试验，也不得不接入其他装置。
        基于以上情况，为了便于厂站自动化系统的研发、测试，开发了SimRTU系统，用于模拟RTU、间隔层装置等。
        1 系统设计
        设计SimRTU系统的基础在于对RTU、厂站装置本身特点的分析。现在RTU的特点是网络化和基于标准协议的开放式结构。而厂站自动化系统也逐步从集中式、分散式发展到现在的基于网络的开放式、分层分布式闭。新开发的间隔层装置已经普遍具有直接接入以太网的能力，可以预见，未来数年还会掀起数字化变电站建设的浪潮。这些都将引导整个电力系统仿真技术的进一步发展。
        结合厂站自动化系统网络化、开放式以及未来数字化变电站的技术特征，本文认为在SimRTU系统设计中应该进一步关注以下特征：
        1）通用性
        所开发的仿真系统不应当只为某几个厂站自动化系统或者调度端能量管理系统（EMS）服务。这就要求尽可能采用标准的软件协议接口，不采用专用的硬件接口，包括某些1/0处理模块接口等。
        2）易于升级
        系统的应用环境、功能需求不断变化，升级不可避免。现在硬件的更新换代非常快，采用某些专用嵌入式处理器和硬件平台的系统，升级可能会遇到困难，因为升级意味着对板件的重新设计。软件接口的更新更为频繁，某些较大的升级，例如对数字化变电站IEC61850协议的支持，如果不在设计阶段加以充分考虑，升级就可能意味着要重新设计开发。
        3）规模可伸缩
        由于环境和需求多样，所以仿真系统应具有很好的可伸缩性。可伸缩性是指可以非常小巧，只占很少的系统资源，也可以进行多系统的大规模联调测试。
        4）便携易使用
        这是不言而喻的，更进一步地，相比于一个独立的测试设备，如果做成一个可以在通用个人计算机（PC）上运行的独立软件包当然更好。
        图1是SimRTU系统的示意图。它本身可以模拟一台或多台装置，也可以直接模拟一台集中采集数据的RTU，通过标准协议与调度EMS、当地后台监控系统以及其他RTU系统通信。同时，支持对模拟装置的遥控、遥调操作，形成闭环测试环境。

        图1 SimRTU系统示意图

        SimRTU系统有如下基本设计：
        1）硬件和操作系统
        基于普通PC和Windows操作系统。通信介质采用普遍支持的以太网和串口，尽可能采用网络方式。利用Windows系统可在同一块网卡上绑定不同IP 地址的功能，SimRTU系统甚至可以与其他软件在同一台机器上运行。上述设计从底层层面保证了此模拟软件的通用性。
        2）软件框架
        充分利用南京中德保护控制系统有限公司研发的已经在中低压厂站中广泛使用的通信管理机控制中心管理（CCM）软件。CCM软件是针对电力等工业自动化控制领域中通信方式多种多样、协议众多、集成组态方式复杂的状况，开发的一套多协议综合开发/运行/通信平台。
        SimRTU系统保留了CCM软件中底层支撑平台的大部分功能，对其上的通信协议支持和专用于通信管理机的应用功能则进行了大规模的裁减，仅保留了上行方向（通往调度、当地后台、其他RTU方向）的协议支持，又增加了一个模拟RTU协议（由此协议完成模拟装置的功能），删除了作为模拟RTU所不需要的功能（如专用于通信管理机的调试、同步当地后台数据、模拟操作以及数据格式转换等功能），使得SimRTU系统成为一个占用资源较少、系统规模（包括通道数、信号数、信号变化频率）完全可配置的独立软件。
        图2是SimRTU系统结构图。第1层是底层支撑平台，基本接管了系统底层资源，尤其是网络和串口管理；第2层是中间支持层，包括各种通信协议支持和其他功能，为上层提供了一种多通道的通信环境；第3层是应用层，主要是通道通信、数据查看和报文监视等功能。

        图2 SimRTU系统结构

        3）信号处理
        对信号处理的设置可以采取单独手工编辑设置，也可以利用表格控件批量设置或清除。信号处理可设置的选项包括：遥信、遥测、遥脉量的变化频率；遥信是否允许双遥信故障态；遥信为常开、常闭或者按一定频率规律变化；遥测、遥脉量的变化范围；遥测量是否要乘上遥测系数；遥脉量的变化步长；对所接收到的遥控选择、遥控执行命令如何处理（只有返校处理、执行确认处理都设定为正确处理时，才执行一个完整的遥控流程）。
        4）标准协议接口
        SimRTU系统的对外接口基于标准协议，保证其开放性和绝大多数情况下的适用性。目前主要支持的协议是IEC60870-5-101，IEC60870-5-103，IEC60870-5-104协议和OPC服务端标准接口，以后还会增加对IEC61850的支持。
        5）升级
        基于一个稳定的支撑平台，SimRTU系统非常易于以后添加新的协议。利用CCM软件的升级功能，本RTU程序也自动具有升级功能。例如对IEC61850的支持，由于具有同一支撑平台，所以移植起来相对较为容易。
        6）逻辑处理
        可以对遥信值、遥测值进行一些逻辑演算；加上定时器机制，在条件满足时，主动触发一些信号变位、遥控操作等。这在一定程度上模拟了装置内部功能以及装置间联闭锁功能，更好地实现了交互反馈特性。
        7）不能仿真的内容
        SimRTU系统从装置外部接口出发，模拟装置通用功能，而对于定值、保护特性等内在功能则不能仿真。
        2 系统的具体实现
        在具体实现上，SimRTU系统有如下特点：
        1）开发工具
        采用Visual C++ 7.0，使用微软基础类库（MFO编程，其中需用到一些第三方软件，例如串口支持动态链接库、OPC支持软件库、带源码的表格控件等。
        2）系统规模
        容量上，最多支持80000个遥信、10000个遥测、3000个遥脉量；通道个数上，最多36个模拟RTU端口，100个其他端口（包括上行通信端口）。如果需要更大规模，可以多运行几个SimRTU程序（如果资源允许，甚至可以在同一台机器上运行）。
        3）数据流和分配
        图3是SimRTU系统的数据流分配示意图。以遥信信号为例，SimRTU系统内部保存了编号为1～n的数据空间，每个模拟装置负责更新这些数据中的一段，相互之间不允许重叠；SimRTU系统则根据设置，把数据空间的一部分或全部按不同的上行方向发送，这时可能不同的调度端以及当地后台需要不同的数据。

        图3 数据流分配示意

        4）所支持的协议
        目前上行主要支持IEC 60870-5-101子站协议、IEC 60870-5-104子站协议、IEC 60870-5-103子站协议和OPC的服务器端等协议以及主备机主备通道等功能。下行（通往装置方向）只有模拟RTU协议，这是一个虚拟协议（即不实际接入信号来源装置），实际上就是模拟一个装置自动产生各种预先设置的信号变化。如前所述，SimRTU系统的协议升级是比较方便的。
        5）性能
        由于只是从外部接口模拟装置，处理简单，再加上目前普通PC上的中央处理器（CPU）的处理能力比装置上的CPU要强很多，使得SimRTU系统的实时性非常高。在P3处理器、1.4 GHz主频、256MB内存的台式机上，规定每35内，必须产生1000个遥信信号，通过IEC 60870-5-104主动上送协议，向一个上行通道（可以连接某一个调度端、当地后台或者前置机）发送，连续运行15 min，SimRTU系统本身所占的CPU峰值在10%以下，绝大多数时间内CPU占有率在4%以下。至于内存使用情况，则主要与SimRTU系统的配置有关。当满配置使用（支持最多的信号量）时，以上述机器环境为例，需要占用内存36 MB、虚拟内存50 MB。
        3 系统的应用领域
        1）开发调试
        开发新产品时，经常需要接一个实际装置调试，这需要准备电源、装置、接口线等，实际调试时，还要手动“点信号”（需要操作装置以产生信号）；要想产生规律性变化的信号（包括变化频率、变化幅度等）更麻烦。现在只需运行SimRTU程序，信号就可以自动按需求产生，并且调试遥控、遥调操作时，能够自动响应，提供闭环测试环境。
        实际上，SimRTU系统同时也是一台支持若干标准协议的协议测试仪。
        2）拷机测试
        SimRTU系统使测试人员可以方便地设置模拟装置上哪些信号需要变化、以怎样的频率变化等，从而对测试环境进行细微调节。
        以前工厂验收测试（FAT）做“雪崩”试验时，往往需花费很大精力寻找信号源，使用SimRTU系统则可以非常方便地产生所需要的信号。
        以前拷机测试往往需要持续几天，每隔数小时就要“点信号”，并进行各种试验和记录。SimRTU系统可以更加精确地产生所需信号并自动进行相关记录。
        3）性能检测
        由于可以精细设定信号产生的方式，同时支持遥控、遥调的闭环测试功能，simRTU系统可以很容易地构造出各种极端情况，从而测试其他系统的网络性能、实时性能等。
        4 结 语
        SimRTU软件的主要特点在于通用、便携、易子升级和规模可伸缩性。但它仍有许多可以改进的地方，例如通过读历史数据提供重演功能，这需要增加专用接口以访问相应监控系统的数据库；所产生的信号绝大多数是限制在一定范围内的随机信号，内在逻辑关联性不够等。
        随着厂站自动化系统的进一步发展，尤其是数字化变电站技术的实施，在线模拟装置、模拟RTU系统也必将发生很大变化。