0 引 言

繼電保護(hù)裝置作為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和保障用戶可靠用電的核心部件，自身具有很強(qiáng)的復(fù)雜性和抽象性。因此，如何能夠提高繼電保護(hù)裝置在研發(fā)階段的仿真和調(diào)試質(zhì)量，變得十分具有創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性。目前，繼電保護(hù)裝置仿真系統(tǒng)的調(diào)試效率和仿真質(zhì)量都比較低，主要原因有:

( 1) 不少繼電保護(hù)裝置的邏輯圖和軟硬件資源仿真系統(tǒng)缺少圖形化邏輯圖仿真界面，人機(jī)交互性和易用性比較差;

( 2) 繼電保護(hù)裝置的仿真系統(tǒng)和調(diào)試系統(tǒng)沒有集成 在 一 起，仿真時(shí)不能調(diào)試，調(diào) 試 時(shí) 不 能仿真;

( 3) 仿真測(cè)試儀功能比較單一，而且通常無(wú)法支持同時(shí)連接繼電保護(hù)裝置和仿真系統(tǒng);

( 4) 缺少針對(duì)繼電保護(hù)裝置的 HMI 面板的仿真，不利于產(chǎn)品展示和客戶培訓(xùn);

( 5) 繼電保護(hù)裝置的仿真系統(tǒng)和繼電保護(hù)裝置沒有共享一份代碼，導(dǎo)致仿真結(jié)果和裝置測(cè)試結(jié)果不完全一致。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提供了一種圖形化、具有配套虛擬測(cè)試儀、便于繼電保護(hù)裝置研發(fā)、便于客戶培訓(xùn)和產(chǎn)品演示的仿真和調(diào)試一體化解決方案。

1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上主流的繼電保護(hù)裝置的功能和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行研究和分析，將繼電保護(hù)裝置的一體化仿真和調(diào)試系統(tǒng)劃分為 5 個(gè)模塊: 虛擬裝置、虛擬測(cè)試儀、邏輯圖仿真和調(diào)試模塊、資源調(diào)試模塊、HMI 面板仿真。仿真和調(diào)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

這 5 個(gè)模塊既可以相互獨(dú)立、分開運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各自的功能，又可以組合成一套完整的仿真和調(diào)試一體化系統(tǒng)，提高繼電保護(hù)裝置的研發(fā)和測(cè)試效率、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)人力成本、增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、提高客戶培訓(xùn)質(zhì)量和滿意度。

2 模塊設(shè)計(jì)

2． 1 虛擬裝置

虛擬裝置主要用于將繼電保護(hù)裝置的平臺(tái)和應(yīng)用的代碼編譯為可以在 PC 機(jī)上運(yùn)行的可執(zhí)行程序。虛擬裝置和繼電保護(hù)裝置通過(guò)解析同一份軟件資源配置信息、硬件資源配置信息、保護(hù)邏輯配置信息和共享同一份源代碼，可以保證該系統(tǒng)在接收到相同的輸入激勵(lì)時(shí)，系統(tǒng)仿真結(jié)果與繼電保護(hù)裝置實(shí)際運(yùn)行結(jié)果無(wú)限接近一致。

虛擬裝置的架構(gòu)如圖 2 所示。

由于繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)所需的成本比較高和周期比較長(zhǎng)，因此在繼電保護(hù)裝置研發(fā)階段，不可能為每個(gè)研發(fā)和測(cè)試人員都配備 1 臺(tái)實(shí)際裝置。通過(guò)虛擬裝置，可以幫助研發(fā)和測(cè)試人員在繼電保護(hù)裝置研發(fā)階段，擺脫對(duì)實(shí)際裝置的過(guò)度依賴、提高裝置研發(fā)效率、降低人力成本、增加產(chǎn)品靈活性和競(jìng)爭(zhēng)力。

2． 2 虛擬測(cè)試儀

虛擬測(cè)試儀主要用來(lái)為繼電保護(hù)裝置和虛擬裝置提供多種形式的輸入激勵(lì)，接收繼電保護(hù)裝置和虛擬裝置輸出反饋，并對(duì)輸出反饋進(jìn)行解析和展示。虛擬測(cè)試儀核心功能:

( 1) 支持與繼電保護(hù)裝置連接和通信。

( 2) 支持與虛擬裝置連接和通信。

( 3) 支持提供多種形式的輸入激勵(lì)。

( 4) 支持接收繼電保護(hù)裝置和虛擬裝置輸出反饋，并對(duì)輸出反饋進(jìn)行解析和展示。

虛擬測(cè)試儀架構(gòu)如圖 3 所示。

( 1) 測(cè)試儀通信組件: 保證虛擬測(cè)試儀可以同時(shí)與繼電保護(hù)裝置和虛擬裝置進(jìn)行通信連接和信息交互; 保證虛擬測(cè)試儀與繼電保護(hù)裝置和虛擬裝置互為服務(wù)器和客戶端。

( 2) 虛擬測(cè)試儀激勵(lì)組件: 該組件主要為繼電保護(hù)裝置和虛擬裝置提供多種形式的輸入激勵(lì)，包括單個(gè)狀態(tài)激勵(lì)、狀態(tài)序列激勵(lì)、批量波形激勵(lì)以及自定義激勵(lì)等。

( 3) 虛擬測(cè)試儀 UI 組件: 提供用于輔助用戶和虛擬測(cè)試儀進(jìn)行人機(jī)交互的 UI 界面，便于用戶根據(jù)需求定制輸入激勵(lì); 將裝置的反饋輸出進(jìn)行展示和分析。

2． 3 邏輯圖仿真和調(diào)試

邏輯圖仿真和調(diào)試模塊主要為了便于研發(fā)和測(cè)試人員在繼電保護(hù)裝置研發(fā)和測(cè)試階段脫離實(shí)際裝置，對(duì)平臺(tái)和應(yīng)用的保護(hù)邏輯代碼進(jìn)行仿真和調(diào)試。當(dāng)前很多廠家的仿真工具對(duì)于繼電保護(hù)裝置的保護(hù)邏輯沒有圖形化的仿真和調(diào)試的能力，所有的研發(fā)和測(cè)試工作都是黑盒測(cè)試，沒有辦法看到保護(hù)邏輯的執(zhí)行和掃描順序，沒有辦法實(shí)時(shí)看到每個(gè)保護(hù)或者平臺(tái)算法輸入輸出的實(shí)時(shí)值和默認(rèn)值，更沒有辦法對(duì)每個(gè)保護(hù)或者平臺(tái)算法的輸入輸出進(jìn)行調(diào)試和修改［4-7］。針 對(duì) 以 上 現(xiàn)狀，本系統(tǒng)使邏輯圖仿真和調(diào)試模塊支持如下核心功能:

( 1) 支持圖形化展示繼電保護(hù)邏輯。

( 2) 支持與虛擬裝置連接和通信。

( 3) 支持與資源調(diào)試模塊交互。

( 4) 支持圖形化仿真繼電保護(hù)邏輯，并可以查看執(zhí)行順序和輸入輸出實(shí)時(shí)值。

( 5) 支持界面調(diào)試?yán)^電保護(hù)邏輯應(yīng)用和平臺(tái)算法。

邏輯圖仿真和調(diào)試模塊架構(gòu)如圖 4 所示。

( 1) 通信組件: 將邏輯圖仿真、調(diào)試模塊和虛擬裝置建立通信連接; 支持邏輯圖仿真和調(diào)試模塊根據(jù)仿真和調(diào)試操作與虛擬裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)消息交互，以保證邏輯圖仿真和調(diào)試模塊可以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

( 2) 保護(hù)邏輯仿真 UI 組件: 用于圖形化展示繼電保護(hù)裝置的保護(hù)邏輯; 用于圖形化展示保護(hù)邏輯的仿真運(yùn)行時(shí)的執(zhí)行和掃描順序; 用于圖形化展示保護(hù)和平臺(tái)算法仿真運(yùn)行時(shí)的輸入輸出實(shí)時(shí)值和默認(rèn)值［8-10］。

( 3) 保護(hù)邏輯調(diào)試組件: 用于設(shè)置斷點(diǎn)，可以在圖形化保護(hù)邏輯圖的指定位置將虛擬裝置運(yùn)行暫停，并且顯示當(dāng)前狀態(tài)下的實(shí)時(shí)值; 可以通過(guò)圖形化界面對(duì)保護(hù)和平臺(tái)算法仿真運(yùn)行時(shí)的輸入輸出實(shí)時(shí)值進(jìn)行修改和調(diào)試。

( 4) 保護(hù)邏輯 IO 組件: 用于實(shí)時(shí)接收來(lái)源于軟件資源輸入和硬件資源輸入激勵(lì); 用于實(shí)時(shí)輸出反饋到軟件資源輸出和硬件資源輸出。

2． 4 軟硬件資源調(diào)試

資源調(diào)試模塊主要用于在繼電保護(hù)裝置研發(fā)和測(cè)試階段，便于研發(fā)和測(cè)試人員脫離實(shí)際的繼電保護(hù)裝置，對(duì)平臺(tái)和應(yīng)用的軟件資源和硬件資源配置進(jìn)行仿真和調(diào)試。資源調(diào)試模塊核心功能如下［11-12］:

( 1) 支持與繼電保護(hù)裝置連接和通信，并進(jìn)行軟硬件資源查看和調(diào)試。

( 2) 支持與虛擬裝置連接和通信，并進(jìn)行軟硬件資源查看和調(diào)試。

( 3) 支持與邏輯圖仿真和調(diào)試模塊交互。

( 4) 支持與虛擬測(cè)試儀進(jìn)行信息交互。

資源調(diào)試模塊架構(gòu)如圖 5 所示。

( 1) 通信組件: 將邏輯圖仿真和調(diào)試模塊與虛擬裝置建立通信連接; 支持邏輯圖仿真和調(diào)試模塊根據(jù)仿真和調(diào)試操作與虛擬裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)消息交互，以保證資源調(diào)試模塊可以獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

( 2) 軟硬件資源調(diào)試 UI 組件: 用于查看當(dāng)前真實(shí)裝置或者虛擬裝置軟件資源和硬件資源的實(shí)時(shí)值和默認(rèn)值等相關(guān)信息; 可以通過(guò)調(diào)試界面對(duì)軟件 資 源 和 硬 件 資 源 的 實(shí) 時(shí) 值 進(jìn) 行 修 改 和調(diào)試［13］。

( 3) 軟硬件資源 IO 組件: 用于接收來(lái)源于保護(hù)邏輯的輸出實(shí)時(shí)信號(hào); 用于實(shí)時(shí)向保護(hù)邏輯輸入實(shí)時(shí)信號(hào)。

2． 5 HMI 面板仿真

HMI 面板仿真與繼電保護(hù)裝置共享一份源代碼和資源配置文件，提供一種可以運(yùn)行在 PC機(jī)上的類似裝置 HMI 界面的可執(zhí)行程序。通過(guò)這樣的方式，可以仿真驗(yàn)證 HMI 部分的代碼的正確性; 可以便于展示產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，以及提高客戶培訓(xùn)質(zhì)量和滿意度。

HMI 面板仿真架構(gòu)如圖 6 所示。

( 1) 通信組件: 該組件主要用于輔助 HMI 面板仿真和虛擬裝置建立連接和信息交互。

( 2) HMI 面板 UI 組件: 該組件主要用于通過(guò)編譯同一份 HMI 代碼，生成一份可以運(yùn)行在 PC機(jī)上的具有類似裝置 HMI 界面的可執(zhí)行程序。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)的仿真和調(diào)試功能已經(jīng)在多個(gè)電壓等級(jí)和多個(gè)繼電保護(hù)領(lǐng)域裝置研發(fā)中投入使用。以某 110 kV 線路保護(hù)測(cè)控一體化裝置為例，展示仿真和調(diào)試一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向和時(shí)序圖。仿真和調(diào)試時(shí)序圖如圖 7 所示。

( 1) 啟動(dòng)虛擬裝置，通過(guò)解析資源配置文件和運(yùn)行真實(shí)裝置的代碼，以實(shí)現(xiàn)模擬和仿真繼電保護(hù)裝置的行為。

( 2) 虛擬測(cè)試儀發(fā)出正弦波或者 0 /1 信號(hào)激勵(lì)。

( 3) 通過(guò)特定的通信規(guī)約傳遞，資源調(diào)試模塊輸入部分接收到虛擬測(cè)試儀發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)。

( 4) 圖形化邏輯圖仿真和調(diào)試模塊通過(guò)軟硬件資源的輸入接收到外部傳入的激勵(lì)，根據(jù)配置好的保護(hù)邏輯關(guān)系以及運(yùn)行每個(gè)保護(hù)和平臺(tái)的算法實(shí)現(xiàn)，將所需輸出的反饋信號(hào)傳遞給資源調(diào)試模塊的軟件資源和硬件資源的輸出部分。

( 5) 將輸出信號(hào)在虛擬測(cè)試儀上展示和分析。

( 6) 如果在仿真運(yùn)行的過(guò)程中，需要設(shè)置斷點(diǎn)、暫停節(jié)拍掃描、恢復(fù)節(jié)拍掃描和修改實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則需要通過(guò)圖形化邏輯圖仿真和調(diào)試模塊的調(diào)試界面進(jìn)行控制和調(diào)試。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)模塊設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用 3 個(gè)方面介紹了繼電保護(hù)裝置研發(fā)的仿真和調(diào)試一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和整體架構(gòu)。

系統(tǒng)的特點(diǎn):

( 1) 提供圖形化展示、人機(jī)交互性更強(qiáng)、設(shè)計(jì)更合理的繼電保護(hù)邏輯的仿真和調(diào)試界面;

( 2) 系統(tǒng)提供了可以仿真繼電保護(hù)裝置行為的虛擬裝置;

( 3) 系統(tǒng)提供了可以為繼電保護(hù)裝置和虛擬裝置提供激勵(lì)的虛擬測(cè)試儀;

( 4) 系統(tǒng)的 5 個(gè)模塊既可以獨(dú)立運(yùn)行，如虛擬測(cè)試儀為裝置輸入激勵(lì)和資源調(diào)試模塊調(diào)試?yán)^電保護(hù)裝置，也可以整合在一起成為一套完整的解決方案;

( 5) 系統(tǒng)提供了便于客戶培訓(xùn)和產(chǎn)品演示的HMI 面板仿真。

實(shí)際運(yùn)行和測(cè)試結(jié)果表明了該方案的可行性、正確性和易用性。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)將極大提高繼電保護(hù)裝置的研發(fā)和測(cè)試效率、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)人力成本、增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力以及提高客戶培訓(xùn)質(zhì)量和滿意度。