0 引 言
繼電保護裝置作為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行和保障用戶可靠用電的核心部件，自身具有很強的復雜性和抽象性。因此，如何能夠提高繼電保護裝置在研發(fā)階段的仿真和調試質量，變得十分具有創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性。目前，繼電保護裝置仿真系統(tǒng)的調試效率和仿真質量都比較低，主要原因有:
( 1) 不少繼電保護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，人機交互性和易用性比較差;
( 2) 繼電保護裝置的仿真系統(tǒng)和調試系統(tǒng)沒有集成 在 一 起，仿真時不能調試，調 試 時 不 能仿真;
( 3) 仿真測試儀功能比較單一，而且通常無法支持同時連接繼電保護裝置和仿真系統(tǒng);
( 4) 缺少針對繼電保護裝置的 HMI 面板的仿真，不利于產(chǎn)品展示和客戶培訓;
( 5) 繼電保護裝置的仿真系統(tǒng)和繼電保護裝置沒有共享一份代碼，導致仿真結果和裝置測試結果不完全一致。
針對以上問題，本文提供了一種圖形化、具有配套虛擬測試儀、便于繼電保護裝置研發(fā)、便于客戶培訓和產(chǎn)品演示的仿真和調試一體化解決方案。
1 架構設計
經(jīng)過對當前市場上主流的繼電保護裝置的功能和應用場景進行研究和分析，將繼電保護裝置的一體化仿真和調試系統(tǒng)劃分為 5 個模塊: 虛擬裝置、虛擬測試儀、邏輯圖仿真和調試模塊、資源調試模塊、HMI 面板仿真。仿真和調試系統(tǒng)架構如圖 1 所示。
這 5 個模塊既可以相互獨立、分開運行，實現(xiàn)各自的功能，又可以組合成一套完整的仿真和調試一體化系統(tǒng)，提高繼電保護裝置的研發(fā)和測試效率、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)人力成本、增加產(chǎn)品競爭力、提高客戶培訓質量和滿意度。
2 模塊設計
2． 1 虛擬裝置
虛擬裝置主要用于將繼電保護裝置的平臺和應用的代碼編譯為可以在 PC 機上運行的可執(zhí)行程序。虛擬裝置和繼電保護裝置通過解析同一份軟件資源配置信息、硬件資源配置信息、保護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時，系統(tǒng)仿真結果與繼電保護裝置實際運行結果無限接近一致。
虛擬裝置的架構如圖 2 所示。
由于繼電保護裝置生產(chǎn)所需的成本比較高和周期比較長，因此在繼電保護裝置研發(fā)階段，不可能為每個研發(fā)和測試人員都配備 1 臺實際裝置。通過虛擬裝置，可以幫助研發(fā)和測試人員在繼電保護裝置研發(fā)階段，擺脫對實際裝置的過度依賴、提高裝置研發(fā)效率、降低人力成本、增加產(chǎn)品靈活性和競爭力。
2． 2 虛擬測試儀
虛擬測試儀主要用來為繼電保護裝置和虛擬裝置提供多種形式的輸入激勵，接收繼電保護裝置和虛擬裝置輸出反饋，并對輸出反饋進行解析和展示。虛擬測試儀核心功能:
( 1) 支持與繼電保護裝置連接和通信。
( 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。
( 4) 支持接收繼電保護裝置和虛擬裝置輸出反饋，并對輸出反饋進行解析和展示。
虛擬測試儀架構如圖 3 所示。
( 1) 測試儀通信組件: 保證虛擬測試儀可以同時與繼電保護裝置和虛擬裝置進行通信連接和信息交互; 保證虛擬測試儀與繼電保護裝置和虛擬裝置互為服務器和客戶端。
( 2) 虛擬測試儀激勵組件: 該組件主要為繼電保護裝置和虛擬裝置提供多種形式的輸入激勵，包括單個狀態(tài)激勵、狀態(tài)序列激勵、批量波形激勵以及自定義激勵等。
( 3) 虛擬測試儀 UI 組件: 提供用于輔助用戶和虛擬測試儀進行人機交互的 UI 界面，便于用戶根據(jù)需求定制輸入激勵; 將裝置的反饋輸出進行展示和分析。
2． 3 邏輯圖仿真和調試
邏輯圖仿真和調試模塊主要為了便于研發(fā)和測試人員在繼電保護裝置研發(fā)和測試階段脫離實際裝置，對平臺和應用的保護邏輯代碼進行仿真和調試。當前很多廠家的仿真工具對于繼電保護裝置的保護邏輯沒有圖形化的仿真和調試的能力，所有的研發(fā)和測試工作都是黑盒測試，沒有辦法看到保護邏輯的執(zhí)行和掃描順序，沒有辦法實時看到每個保護或者平臺算法輸入輸出的實時值和默認值，更沒有辦法對每個保護或者平臺算法的輸入輸出進行調試和修改［4-7］。針 對 以 上 現(xiàn)狀，本系統(tǒng)使邏輯圖仿真和調試模塊支持如下核心功能:
( 1) 支持圖形化展示繼電保護邏輯。
( 2) 支持與虛擬裝置連接和通信。
( 3) 支持與資源調試模塊交互。
( 4) 支持圖形化仿真繼電保護邏輯，并可以查看執(zhí)行順序和輸入輸出實時值。
( 5) 支持界面調試繼電保護邏輯應用和平臺算法。
邏輯圖仿真和調試模塊架構如圖 4 所示。
( 1) 通信組件: 將邏輯圖仿真、調試模塊和虛擬裝置建立通信連接; 支持邏輯圖仿真和調試模塊根據(jù)仿真和調試操作與虛擬裝置進行實時消息交互，以保證邏輯圖仿真和調試模塊可以獲得實時數(shù)據(jù)。
( 2) 保護邏輯仿真 UI 組件: 用于圖形化展示繼電保護裝置的保護邏輯; 用于圖形化展示保護邏輯的仿真運行時的執(zhí)行和掃描順序; 用于圖形化展示保護和平臺算法仿真運行時的輸入輸出實時值和默認值［8-10］。
( 3) 保護邏輯調試組件: 用于設置斷點，可以在圖形化保護邏輯圖的指定位置將虛擬裝置運行暫停，并且顯示當前狀態(tài)下的實時值; 可以通過圖形化界面對保護和平臺算法仿真運行時的輸入輸出實時值進行修改和調試。
( 4) 保護邏輯 IO 組件: 用于實時接收來源于軟件資源輸入和硬件資源輸入激勵; 用于實時輸出反饋到軟件資源輸出和硬件資源輸出。
2． 4 軟硬件資源調試
資源調試模塊主要用于在繼電保護裝置研發(fā)和測試階段，便于研發(fā)和測試人員脫離實際的繼電保護裝置，對平臺和應用的軟件資源和硬件資源配置進行仿真和調試。資源調試模塊核心功能如下［11-12］:
( 1) 支持與繼電保護裝置連接和通信，并進行軟硬件資源查看和調試。
( 2) 支持與虛擬裝置連接和通信，并進行軟硬件資源查看和調試。
( 3) 支持與邏輯圖仿真和調試模塊交互。
( 4) 支持與虛擬測試儀進行信息交互。
資源調試模塊架構如圖 5 所示。
( 1) 通信組件: 將邏輯圖仿真和調試模塊與虛擬裝置建立通信連接; 支持邏輯圖仿真和調試模塊根據(jù)仿真和調試操作與虛擬裝置進行實時消息交互，以保證資源調試模塊可以獲得實時數(shù)據(jù)。
( 2) 軟硬件資源調試 UI 組件: 用于查看當前真實裝置或者虛擬裝置軟件資源和硬件資源的實時值和默認值等相關信息; 可以通過調試界面對軟件 資 源 和 硬 件 資 源 的 實 時 值 進 行 修 改 和調試［13］。
( 3) 軟硬件資源 IO 組件: 用于接收來源于保護邏輯的輸出實時信號; 用于實時向保護邏輯輸入實時信號。
2． 5 HMI 面板仿真
HMI 面板仿真與繼電保護裝置共享一份源代碼和資源配置文件，提供一種可以運行在 PC機上的類似裝置 HMI 界面的可執(zhí)行程序。通過這樣的方式，可以仿真驗證 HMI 部分的代碼的正確性; 可以便于展示產(chǎn)品競爭力，以及提高客戶培訓質量和滿意度。
HMI 面板仿真架構如圖 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編譯同一份 HMI 代碼，生成一份可以運行在 PC機上的具有類似裝置 HMI 界面的可執(zhí)行程序。
3 系統(tǒng)應用
本系統(tǒng)的仿真和調試功能已經(jīng)在多個電壓等級和多個繼電保護領域裝置研發(fā)中投入使用。以某 110 kV 線路保護測控一體化裝置為例，展示仿真和調試一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向和時序圖。仿真和調試時序圖如圖 7 所示。
( 1) 啟動虛擬裝置，通過解析資源配置文件和運行真實裝置的代碼，以實現(xiàn)模擬和仿真繼電保護裝置的行為。
( 2) 虛擬測試儀發(fā)出正弦波或者 0 /1 信號激勵。
( 3) 通過特定的通信規(guī)約傳遞，資源調試模塊輸入部分接收到虛擬測試儀發(fā)出的激勵信號。
( 4) 圖形化邏輯圖仿真和調試模塊通過軟硬件資源的輸入接收到外部傳入的激勵，根據(jù)配置好的保護邏輯關系以及運行每個保護和平臺的算法實現(xiàn)，將所需輸出的反饋信號傳遞給資源調試模塊的軟件資源和硬件資源的輸出部分。
( 5) 將輸出信號在虛擬測試儀上展示和分析。
( 6) 如果在仿真運行的過程中，需要設置斷點、暫停節(jié)拍掃描、恢復節(jié)拍掃描和修改實時數(shù)據(jù)，則需要通過圖形化邏輯圖仿真和調試模塊的調試界面進行控制和調試。
4 結 語
本文從系統(tǒng)架構設計、詳細模塊設計和實際應用 3 個方面介紹了繼電保護裝置研發(fā)的仿真和調試一體化系統(tǒng)的設計思想和整體架構。
系統(tǒng)的特點:
( 1) 提供圖形化展示、人機交互性更強、設計更合理的繼電保護邏輯的仿真和調試界面;
( 2) 系統(tǒng)提供了可以仿真繼電保護裝置行為的虛擬裝置;
( 3) 系統(tǒng)提供了可以為繼電保護裝置和虛擬裝置提供激勵的虛擬測試儀;
( 4) 系統(tǒng)的 5 個模塊既可以獨立運行，如虛擬測試儀為裝置輸入激勵和資源調試模塊調試繼電保護裝置，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和產(chǎn)品演示的HMI 面板仿真。
實際運行和測試結果表明了該方案的可行性、正確性和易用性。實踐證明，本系統(tǒng)將極大提高繼電保護裝置的研發(fā)和測試效率、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)人力成本、增加產(chǎn)品競爭力以及提高客戶培訓質量和滿意度。
