模擬RTU軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

        對(duì)測(cè)試環(huán)境和測(cè)試裝置的模擬在研發(fā)、測(cè)試中有著重要作用。目前，廠站自動(dòng)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(lái)數(shù)字化變電站建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，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(jì)和實(shí)現(xiàn)，以及其所具有的通用、便攜、易于升級(jí)和可裁減的特征。

        引言

        作為一種計(jì)算機(jī)輔助分析手段，仿真技術(shù)對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)意義重大，在系統(tǒng)研究、試驗(yàn)、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(shuō)的電力系統(tǒng)數(shù)字仿真指的是利用計(jì)算機(jī)建立數(shù)學(xué)模型、仿真模型，通過(guò)在該模型上做試驗(yàn)，研究模型所代表的電力系統(tǒng)對(duì)象本身。這是一種從內(nèi)部機(jī)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(duì)測(cè)試環(huán)境的仿真和對(duì)模擬裝置的仿真，換言之，就是對(duì)與所研究對(duì)象配合工作的其他電力系統(tǒng)對(duì)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(duì)應(yīng)的模型來(lái)研究對(duì)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(lái)代替系統(tǒng)的其他部分，使所研究、試驗(yàn)、演示的電力系統(tǒng)對(duì)象在模型環(huán)境給定的工況下運(yùn)行，從而形成閉環(huán)。此類需求相當(dāng)多，例如：通常所說(shuō)的進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要“搭臺(tái)子”、“搭試驗(yàn)環(huán)境”;對(duì)調(diào)度端進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要接入一些遠(yuǎn)程終端單元(RTU)和對(duì)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的RTU進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要接入若干間隔層裝置;調(diào)試與故障錄波器的接口時(shí)，如果沒有實(shí)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(shí)時(shí)試驗(yàn)，也不得不接入其他裝置。

        基于以上情況，為了便于廠站自動(dòng)化系統(tǒng)的研發(fā)、測(cè)試，開發(fā)了SimRTU系統(tǒng)，用于模擬RTU、間隔層裝置等。

        1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        設(shè)計(jì)SimRTU系統(tǒng)的基礎(chǔ)在于對(duì)RTU、廠站裝置本身特點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(lái)數(shù)年還會(huì)掀起數(shù)字化變電站建設(shè)的浪潮。這些都將引導(dǎo)整個(gè)電力系統(tǒng)仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

        對(duì)模擬裝置、模擬RTU系統(tǒng)從各個(gè)方面進(jìn)行了有益探討。結(jié)合廠站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、開放式以及未來(lái)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(jì)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(gè)廠站自動(dòng)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(jí)。系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境、功能需求不斷變化，升級(jí)不可避免。現(xiàn)在硬件的更新?lián)Q代非?？?，采用某些專用嵌入式處理器和硬件平臺(tái)的系統(tǒng)，升級(jí)可能會(huì)遇到困難，因?yàn)樯?jí)意味著對(duì)板件的重新設(shè)計(jì)。軟件接口的更新更為頻繁，某些較大的升級(jí)，例如對(duì)數(shù)字化變電站IEC61850協(xié)議的支持，如果不在設(shè)計(jì)階段加以充分考慮，升級(jí)就可能意味著要重新設(shè)計(jì)開發(fā)。

        3)規(guī)模可伸縮。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(cè)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(gè)獨(dú)立的測(cè)試設(shè)備，如果做成一個(gè)可以在通用個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)上運(yùn)行的獨(dú)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(tái)或多臺(tái)裝置，也可以直接模擬一臺(tái)集中采集數(shù)據(jù)的RTU，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與調(diào)度EMS、當(dāng)?shù)睾笈_(tái)監(jiān)控系統(tǒng)以及其他RTU系統(tǒng)通信。同時(shí)，支持對(duì)模擬裝置的遙控、遙調(diào)操作，形成閉環(huán)測(cè)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(jì)：

        1)硬件和操作系統(tǒng)

        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(tái)機(jī)器上運(yùn)行。上述設(shè)計(jì)從底層層保證了此模擬軟件的通用性。

        2)軟件框架

        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(jī)控中心管理(CCM)軟件。CCM軟件是針對(duì)電力等業(yè)自動(dòng)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(yùn)行/通信平臺(tái)。

        SimRTU系統(tǒng)保留了CCM軟件中底層支撐平臺(tái)的大部分功能，對(duì)其上的通信協(xié)議支持和專用于通信管理機(jī)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_(tái)、其他RTU方向)的協(xié)議支持，又增加了一個(gè)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(jī)的調(diào)試、同步當(dāng)?shù)睾笈_(tái)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(gè)占用資源較少、系統(tǒng)規(guī)模(包括通道數(shù)、信號(hào)數(shù)、信號(hào)變化頻率)完全可配置的獨(dú)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(tái)，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(bào)文監(jiān)視等功能。

        3)信號(hào)處理

        對(duì)信號(hào)處理的設(shè)置可以采取單獨(dú)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(hào)處理可設(shè)置的選項(xiàng)包括：遙信、遙測(cè)、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(cè)、遙脈量的變化范圍;遙測(cè)量是否要乘上遙測(cè)系數(shù);遙脈量的變化步長(zhǎng);對(duì)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(shí)，才執(zhí)行一個(gè)完整的遙控流程)。

        4)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口

        SimRTU系統(tǒng)的對(duì)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(huì)增加對(duì)IEC61850的支持。

        5)升級(jí)

        基于一個(gè)穩(wěn)定的支撐平臺(tái)，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(jí)功能，本RTU程序也自動(dòng)具有升級(jí)功能。例如對(duì)IEC61850的支持，由于具有同一支撐平臺(tái)，所以移植起來(lái)相對(duì)較為容易。

        6)邏輯處理

        可以對(duì)遙信值、遙測(cè)值進(jìn)行一些邏輯演算.加上定時(shí)器機(jī)制，在條件滿足時(shí)，主動(dòng)觸發(fā)一些信號(hào)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(shí)現(xiàn)了交互反饋特性。

        7)不能仿真的內(nèi)容

        simRTU系統(tǒng)從裝置外部接口出發(fā)，模擬裝置通用功能，而對(duì)于定值、保護(hù)特性等內(nèi)在功能則不能仿真。

        2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

        在具體實(shí)現(xiàn)上，SimRTU系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

        1)開發(fā)工具

        采用VisualC++7.0，使用微軟基礎(chǔ)類庫(kù)(MFC)編程，其中需用到一些第三方軟件，例如串口支持動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、OPC支持軟件庫(kù)、帶源碼的表格控件等。

        2)系統(tǒng)規(guī)模

        容量上，最多支持80000個(gè)遙信、10000個(gè)遙測(cè)、3000個(gè)遙脈量;通道個(gè)數(shù)上，最多36個(gè)模擬RTU端口，100個(gè)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(yùn)行幾個(gè)SimRTU程序(如果資源允許，甚至可以在同一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行)。

        3)數(shù)據(jù)流和分配

        圖3是SimRTU系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分配示意圖以遙信信號(hào)為例，SimRTU系統(tǒng)內(nèi)部保存了編號(hào)1～靠的數(shù)據(jù)空間，每個(gè)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(shí)可能不同的調(diào)度端以及當(dāng)?shù)睾笮枰煌臄?shù)據(jù)。

        4)所支持的協(xié)議

        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(jī)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(gè)虛擬協(xié)議(即不實(shí)際接人信號(hào)來(lái)源裝置)，實(shí)際上就是模擬一個(gè)裝置自動(dòng)產(chǎn)生各種預(yù)先設(shè)置的信號(hào)變化。如前所述，SimRTU系統(tǒng)的協(xié)議升級(jí)是比較方便的。

        5)性能

        由于只是從外部接口模擬裝置，處理簡(jiǎn)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(qiáng)很多，使得SimRTU系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性非常高。在P3處理器、1.4GHz主頻、256MB內(nèi)存的臺(tái)式機(jī)上，規(guī)定每3 s內(nèi)，必須產(chǎn)生1000個(gè)遙信信號(hào)，通過(guò)IEC 60870-5-104主動(dòng)上送協(xié)議，向一個(gè)上行通道(可以連接某一個(gè)調(diào)度端、當(dāng)?shù)睾笈_(tái)或者前置機(jī))發(fā)送，連續(xù)運(yùn)行15min，SimRTU系統(tǒng)本身所占的CPU峰值在10%以下，絕大多數(shù)時(shí)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(hào)量)時(shí)，以上述機(jī)器環(huán)境為例，需要占用內(nèi)存36MB、虛擬內(nèi)存50 MB。

        3、系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

        1)開發(fā)調(diào)試

        開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常需要接一個(gè)實(shí)際裝置調(diào)試，這需要準(zhǔn)備電源、裝置、接口線等，實(shí)際調(diào)試時(shí)，還要手動(dòng)“點(diǎn)信號(hào)”(需要操作裝置以產(chǎn)生信號(hào));要想產(chǎn)生規(guī)律性變化的信號(hào)(包括變化頻率、變化幅度等更麻煩?，F(xiàn)在只需運(yùn)行SimRTU程序，信號(hào)就可以自動(dòng)按需求產(chǎn)生，并且調(diào)試遙控、遙調(diào)操作時(shí)，能夠自動(dòng)響應(yīng)，提供閉環(huán)測(cè)試環(huán)境。

        實(shí)際上，SimRTU系統(tǒng)同時(shí)也是一臺(tái)支持若干標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的協(xié)議測(cè)試儀。

        2)拷機(jī)測(cè)試

        SimRTU系統(tǒng)使測(cè)試人員可以方便地設(shè)置模擬裝置上哪些信號(hào)需要變化、以怎樣的頻率變化等，從而對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)。以前工廠驗(yàn)收測(cè)試(FAT)做“雪崩”試驗(yàn)時(shí)，往往需花費(fèi)很大精力尋找信號(hào)源，使用SimRTU系統(tǒng)則可以非常方便地產(chǎn)生所需要的信號(hào)。以前拷機(jī)測(cè)試往往需要持續(xù)幾天，每隔數(shù)小時(shí)就要“點(diǎn)信號(hào)”，并進(jìn)行各種試驗(yàn)和記錄。SimRTU系統(tǒng)可以更加精確地產(chǎn)生所需信號(hào)并自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)記錄。

        3)性能檢測(cè)

        由于可以精細(xì)設(shè)定信號(hào)產(chǎn)生的方式，同時(shí)支持遙控、遙調(diào)的閉環(huán)測(cè)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(cè)試其他系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能、實(shí)時(shí)性能等。

        4、結(jié)語(yǔ)

        SimRTU軟件的主要特點(diǎn)在于通用、便攜、易于升級(jí)和規(guī)?？缮炜s性。但它仍有許多可以改進(jìn)的地方，例如通過(guò)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(wèn)相應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù);所產(chǎn)生的信號(hào)絕大多數(shù)是限制在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)信號(hào)，內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)性不夠等。隨著廠站自動(dòng)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(shí)施，在線模擬裝置、模擬RTU系統(tǒng)也必將發(fā)生很大變化。