模擬RTU軟件的設計和實現

        對測試環境和測試裝置的模擬在研發、測試中有著重要作用。目前，廠站自動化系統基于網絡的、開放式的、分層分布式的結構特征以及未來數字化變電站建設的發展趨勢，使得研發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——simRTU系統，闡述了系統的設計和實現，以及其所具有的通用、便攜、易于升級和可裁減的特征。

        引言

        作為一種計算機輔助分析手段，仿真技術對于電力系統來說意義重大，在系統研究、試驗、人員培訓中有著廣泛的用途。從某種意義上講，電力系統仿真技術水平代表了電力系統科學研究水平。

        仿真意味著“用模型研究系統”。通常所說的電力系統數字仿真指的是利用計算機建立數學模型、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對象本身。這是一種從內部機制、結構分析出發的“白盒子”方法。

        但是也有另一類仿真需求，即對測試環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對象的仿真。這種仿真不是根據數學相似原則建立與原型相對應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，構成所謂的模擬設備、模擬系統，來代替系統的其他部分，使所研究、試驗、演示的電力系統對象在模型環境給定的工況下運行，從而形成閉環。此類需求相當多，例如：通常所說的進行測試時需要“搭臺子”、“搭試驗環境”;對調度端進行測試時需要接入一些遠程終端單元(RTU)和對負責數據采集的RTU進行測試時需要接入若干間隔層裝置;調試與故障錄波器的接口時，如果沒有實際裝置，則需要相應錄波器的模擬程序;甚至要在仿真系統上進行某些實時試驗，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的研發、測試，開發了SimRTU系統，用于模擬RTU、間隔層裝置等。

        1、系統設計

        設計SimRTU系統的基礎在于對RTU、廠站裝置本身特點的分析。文獻[6]中所描述的通用RTU結構已經不再通用，現在RTU的特點是網絡化和基于標準協議的開放式結構。而廠站自動化系統也逐步從集中式、分散式發展到現在的基于網絡的開放式、分層分布式。新開發的間隔層裝置已經普遍具有直接接入以太網的能力。可以預見，未來數年還會掀起數字化變電站建設的浪潮。這些都將引導整個電力系統仿真技術的進一步發展。

        對模擬裝置、模擬RTU系統從各個方面進行了有益探討。結合廠站自動化系統網絡化、開放式以及未來數字化變電站的技術特征，本文認為在SimRTU系統設計中應該進一步關注以下特征：

        1)通用性。所開發的仿真系統不應當只為某幾個廠站自動化系統或者調度端能量管理系統(EMS)服務。這就要求盡可能采用標準的軟件協議接口，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。系統的應用環境、功能需求不斷變化，升級不可避免。現在硬件的更新換代非常快，采用某些專用嵌入式處理器和硬件平臺的系統，升級可能會遇到困難，因為升級意味著對板件的重新設計。軟件接口的更新更為頻繁，某些較大的升級，例如對數字化變電站IEC61850協議的支持，如果不在設計階段加以充分考慮，升級就可能意味著要重新設計開發。

        3)規模可伸縮。由于環境和需求多樣，所以仿真系統應具有很好的可伸縮性。可伸縮性是指可以的大規模聯調測試。

        4)便攜易使用。這是不言而喻的。更進一步地，相比于一個獨立的測試設備，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然更好。圖1是SimRTU系統的示意圖。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據的RTU，通過標準協議與調度EMS、當地后臺監控系統以及其他RTU系統通信。同時，支持對模擬裝置的遙控、遙調操作，形成閉環測試環境。非常小巧，只占很少的系統資源，也可以進行多系統。

        SimRTU系統有如下基本設計：

        1)硬件和操作系統

        基于普通PC和Windows操作系統。通信介質采用普遍支持的以太網和串口，盡可能采用網方式。利用Windows系統可在同一塊網卡上綁不同IP地址的功能，SimRTU系統甚至可以與他軟件在同一臺機器上運行。上述設計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控制系統有限公司研的已經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自動化控制領域中通信方式多種多樣，協議眾多集成組態方式復雜的狀況，開發的一套多協議綜開發/運行/通信平臺。

        SimRTU系統保留了CCM軟件中底層支撐平臺的大部分功能，對其上的通信協議支持和專用于通信管理機的應用功能則進行了大規模的裁減，僅保留了上行方向(通往調度、當地后臺、其他RTU方向)的協議支持，又增加了一個模擬RTU協議(由此協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試、同步當地后臺數據、模擬操作以及數據格式轉換等功能)，使得SimRTU系統成為一個占用資源較少、系統規模(包括通道數、信號數、信號變化頻率)完全可配置的獨立軟件。

        圖2是SimRTU系統結構圖。第1層是底層支撐平臺，基本接管了系統底層資源，尤其是網絡和串口管理;第2層是中間支持層，包括各種通信協議支持和其他功能，為上層提供了一種多通道的通信環境;第3層是應用層，主要是通道通信、數據查看和報文監視等功能。

        3)信號處理

        對信號處理的設置可以采取單獨手工編輯設置，也可以利用表格控件批量設置或清除。信號處理可設置的選項包括：遙信、遙測、遙脈量的變化頻率;遙信是否允許雙遙信故障態;遙信為常開、常閉或者按一定頻率規律變化;遙測、遙脈量的變化范圍;遙測量是否要乘上遙測系數;遙脈量的變化步長;對所接收到的遙控選擇、遙控執行命令如何處理(只有返校處理、執行確認處理都設定為正確處理時，才執行一個完整的遙控流程)。

        4)標準協議接口

        SimRTU系統的對外接口基于標準協議，保證其開放性和絕大多數情況下的適用性。目前主要支持的協議是IEC 60870-5-101，IEC 60870—5—103，

        IEC 60870-5-104協議和OPC服務端標準接口，以后還會增加對IEC61850的支持。

        5)升級

        基于一個穩定的支撐平臺，SimRTU系統非常易于以后添加新的協議。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。

        6)邏輯處理

        可以對遙信值、遙測值進行一些邏輯演算.加上定時器機制，在條件滿足時，主動觸發一些信號變位、遙控操作等。這在一定程度上模擬了裝置內部功能以及裝置間聯閉鎖功能，更好地實現了交互反饋特性。

        7)不能仿真的內容

        simRTU系統從裝置外部接口出發，模擬裝置通用功能，而對于定值、保護特性等內在功能則不能仿真。

        2 系統的具體實現

        在具體實現上，SimRTU系統有如下特點：

        1)開發工具

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

        2)系統規模

        容量上，最多支持80000個遙信、10000個遙測、3000個遙脈量;通道個數上，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)。

        3)數據流和分配

        圖3是SimRTU系統的數據流分配示意圖以遙信信號為例，SimRTU系統內部保存了編號1～靠的數據空間，每個模擬裝置負責更新這些數中的一段，相互之間不允許重疊;SimRTU系統根據設置，把數據空間的一部分或全部按不同的行方向發送，這時可能不同的調度端以及當地后需要不同的數據。

        4)所支持的協議

        目前上行主要支持IEC 60870—5—101子站協議、IEC 60870—5—104子站協議、IEC 60870—5—103子站協議和OPC的服務器端等協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協議，這是一個虛擬協議(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生各種預先設置的信號變化。如前所述，SimRTU系統的協議升級是比較方便的。

        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系統的實時性非常高。在P3處理器、1.4GHz主頻、256MB內存的臺式機上，規定每3 s內，必須產生1000個遙信信號，通過IEC 60870-5-104主動上送協議，向一個上行通道(可以連接某一個調度端、當地后臺或者前置機)發送，連續運行15min，SimRTU系統本身所占的CPU峰值在10%以下，絕大多數時間內CPU占有率在4%以下。至于內存使用情況，則主要與SimRTU系統的配置有關。

        當滿配置使用(支持最多的信號量)時，以上述機器環境為例，需要占用內存36MB、虛擬內存50 MB。

        3、系統的應用領域

        1)開發調試

        開發新產品時，經常需要接一個實際裝置調試，這需要準備電源、裝置、接口線等，實際調試時，還要手動“點信號”(需要操作裝置以產生信號);要想產生規律性變化的信號(包括變化頻率、變化幅度等更麻煩。現在只需運行SimRTU程序，信號就可以自動按需求產生，并且調試遙控、遙調操作時，能夠自動響應，提供閉環測試環境。

        實際上，SimRTU系統同時也是一臺支持若干標準協議的協議測試儀。

        2)拷機測試

        SimRTU系統使測試人員可以方便地設置模擬裝置上哪些信號需要變化、以怎樣的頻率變化等，從而對測試環境進行細微調節。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系統則可以非常方便地產生所需要的信號。以前拷機測試往往需要持續幾天，每隔數小時就要“點信號”，并進行各種試驗和記錄。SimRTU系統可以更加精確地產生所需信號并自動進行相關記錄。

        3)性能檢測

        由于可以精細設定信號產生的方式，同時支持遙控、遙調的閉環測試功能，SimRTU系統可以很容易地構造出各種極端情況，從而測試其他系統的網絡性能、實時性能等。

        4、結語

        SimRTU軟件的主要特點在于通用、便攜、易于升級和規模可伸縮性。但它仍有許多可以改進的地方，例如通過讀歷史數據提供重演功能，這需要增加專用接口以訪問相應監控系統的數據庫;所產生的信號絕大多數是限制在一定范圍內的隨機信號，內在邏輯關聯性不夠等。隨著廠站自動化系統的進一步發展，尤其是數字化變電站技術的實施，在線模擬裝置、模擬RTU系統也必將發生很大變化。