新型变电站仿真系统接口及通信设计
凌志勇1，柏吉宽1，韩江虹2
（1．广东省电力工业学校，广东广州 510520；
2．江西电力高级技工学校，江西南昌 330043）
摘 要：阐述了仿真变电站的硬件组成、接口方案设计及实时通信。通过接口方案设计进行数据采集；利用实时通信连接，将分布在网络中不同节点的计算机联系起来，组成一个分布式网络，构成一个完善的变电站仿真培训系统。
关键词：变电站仿真系统；接口；通信
随着现代技术的发展，电力系统的规模越来越大，运行操作也越来越复杂，对电气运行人员的技术水平、业务熟练程度等提出了越来越高的要求。由于电力系统的特殊性，很难在实际运行的系统中进行人员培训，所以目前主要的培训手段是仿真培训。而变电站仿真系统就是最佳的岗位培训手段，它集仿真技术、图形图像技术、数据库等技术于一体，依据变电所电力设备实物、一次设备和二次设备接线图进行设计，如主控室、控制屏、保护屏及设备连接状况，可在模拟设备和二次接线图上进行相应操作，既简单、直观，又易学。这种方式大大更新了变电运行人员的培训手段，提高了培训效率，缩短了培训周期，也进一步提高了运行人员正确判断和处理事故的能力，防止事故扩大化和缩短事故处理时间，从而保证了电网安全、可靠、经济运行。
目前，按仿真系统有无硬件屏盘可分为硬仿真系统（采用物理屏盘）和软仿真系统（采用图像屏盘）。软仿真系统的主控室是采用计算机的图形图像及多媒体技术将变电站主控室和户外一次设备呈现在计算机显示器上，采用鼠标点击的操作方式。此系统的工程造价低、运行费用低、维护工作量小，但直观性较差、现场感不够强。而硬仿真系统的主控室是实际变电站主控室的复制品，有大量的硬件设备、工程造价高、维护工作量大，但比较直观、现场感强、培训效果好。本文讨论的是硬仿真系统。
1 组成
变电站仿真系统是采用微机、工控机和多媒体 系统构成的分布式计算机系统；由主机、教练员台、学员台、多媒体机和录波机连成一个分布式网络，易于扩展及全网资源共享。系统的硬件组成如图1所 示；各部分主要功能如下：
（1）主计算机是系统的计算中心，是该仿真系统的主要设备，用来存放变电站各电气设备的数学模型及控制程序，以控制整个仿真机的运行。
（2）教练员台。它是教练员和仿真机之间的接口，是该仿真机的控制中心。教练员通过它控制仿真机的运行，指导学员进行培训，从而实现仿真机的控制功能。
（3）学员台。是学员和仿真机之间的接口，是该仿真机的控制中心。供学员对仿真变电站的各种参数和状态进行监控和操作。
（4）多媒体系统。用来播放一次设备实况；弥补因缺少一次设备的不足，增加了检查及巡视功能。
（5）录波机。用来录制波形和生成紧急制表输出，也作为事故打印的发送中心。
（6）工控机和接口箱组成一数据采集系统。将仿真模型运算结果转化为屏台设备的仪表、灯光显示，或将屏台设备的操作转化为信号数字送往主计算机。
（7）仿真屏台为变电站各种屏盘（保护屏、仪表屏、监控屏、通信屏、直流屏、小电流接地选线装置、故障录波装置）等；采用与现场完全一致的硬盘台1∶1仿真方式；包括表计、信号、开关、指示灯等。
变电站仿真系统为了达到培训的目的，提高培训效率，必须满足四个基本条件：①真实性：和实际基本相符，能进行正常操作、事故模拟和事故恢复的所有训练，包括复杂的倒闸操作和同期操作，事故特征和现象同现场一样。②响应速度快：屏台中仪表反应速度至关重要，否则影响培训的真实性。因此，选择的模型和算法尽可能快，使系统响应具有实时性。③可靠性：因机器长期运行，设备经常操作，开停也较频繁，可靠性是维持正常培训的重要保证。④灵活性：应能控制培训的过程，对感兴趣的过程进行追忆和重演。这四点是变电站仿真系统研制的基础，所有的开发设计都围绕这四点展开。
2 接口方案设计
变电站仿真系统采用与现场完全一致的硬盘台1∶1仿真方式；仿真屏台包括控制屏、各种保护屏、直流屏等等。信号主要包括开关量输入DI、开关量输出DO及模拟量输出AO。其特点是信号量相当大（多达几千点），且相对集中在一个很小的范围内。为此，我们选择了PC总线扩展接口方案。主要包括PC总线驱动板、开关量输入DI板、开关量输出DO板、模拟量输出AO板组成。PC总线驱动板是为IBM－PC／XT／AT、486、586及其兼容机总线扩展而设计的接口板，可对IBM－PC／XT／AT及兼容机的I／O信号作缓冲驱动；它由总线发送板与总线接收板两板两块组成。发送板插在工控机的总线插槽上，接收板插在扩展机箱的总线插槽上，两者之间通过62芯的扁平电缆相连，用以完成主机和扩展箱的连络，这样，可将工控机上的总线信号引出数米远，它增加了系统的扩充能力，并保证扩展机箱内信号的质量。开关量输入DI板、开关量输出DO板、模拟量输出AO板均设计成PC总线驱动方式；每块接口板都可设置自己独立的端口；通过读写端口实现数据交换；只要根据需要将不同类型的接口板插入
扩展机箱内，就可组成一数据采集系统。在Win－dows环境下，C＋＋仅支持16位应用程序的端口操作，对32位应用程序的端口操作不再支持，为了驱动上述接口板；可利用DLL技术或利用内嵌汇编语言实现对端口的读写，进行数据交换。用内嵌汇编语言编制端口输出函数如下：
该函数将无符号字符型8位的数据value写入地址为port的端口上。
利用内嵌汇编语言编制端口输入函数如下：
unsigned char InPort（unsigned short port）
函数InPort从地址为port的端口读入一个无符号8位的字符型数据。
3 通信设计
变电站仿真系统是采用微机、工控机和多媒体系统构成的分布式计算机系统，主机、教练员台、学员台、多媒体机和录波机都存在大量的数据交换，变电站仿真中响应速度至关重要，否则影响培训的真 实性。因此，选择的模型和算法尽可能快，通信能实时传输，使仿真系统响应具有实时性。所以，通信设计也是变电站仿真系统十分重要的任务。
本文设计的接口程序采用客户／服务器（Client／Server）模式。在运行仿真系统的主计算机上运行一个服务器程序，在固定的端口等待其他计算机（教练员台、学员台、录波机等等）客户端程序的连接请求。当启动变电培训仿真系统时，客户端程序向服务器程序发送连接请求，服务器程序确认连接请求后，即可建立数据链路，开始传输数据。这时，变电培训仿真系统完成初始化工作，进入仿真培训进程。由于接口程序（包括服务器端和客户端）是独立的进程，它与电力系统应用软件之间也存在进程间通信的问题。对一些需高速处理的参数，如屏台的开关量、模拟量等，会影响屏台的反应速度，从而影响培训的真实性。为此在WINOOWs下申请了一块内存区，专门建立了一个常驻内存的实时数据库，所需高速数据交换都通过实时数据库完成。而对一些要求不高、数量较大的数据，如历史运行参数等，则采用普通数据库进行处理。采用实时数据库和普通数据库相结合的方式实现系统内及系统间数据共享，较好地满足了要求。主计算机通信接口框图见图2：
由图2可见，通信接口设计主要是模型接口层和网络接口层的设计，前者提供网络数据与电力仿真数学模型进行实时数据交换及控制；后者则利用系统提供的网络编程接口，为模型接口层提供了实时收发数据服务。该方法为整个系统的设计开发及调试带来许多便利，程序的整体可靠性大大加强，使得双方进行双向数据传输时层次更为清楚。选择网络接口层使用的网络协议时，考虑到效率、可靠性及通用性，本文采用了通用的TCP／IP协议。TCP协议是因特网在传输层的两种主要协议之一，它是一种面向连接的协议，专门设计用于在不可靠的网络环境下提供可靠的、端到端的字节流通信。网络接口层的实现包括两部分的工作：服务器端程序和客户程序。本文的服务器端、客户端均采用C＋＋Builder5．0开发。在C＋＋Builder 5．0中，并不需要直接与WinSock中的API打交道，也不需要详细了解底层网络协议，就可直接通过TClientSocket控件和Tserver－Socket控件进行数据传输。这两个控件封装了Win－dows的有关API，使得对WinSock的访问大大简化。Socket的连接必须要建立有一个服务器端（Server）和一个客户端（Client）。在C＋＋Builder 5．0中分别用TClientSocket控件和TServerSocket控件来操纵客户端Socket与服务器端Socket的连接和通信。这两个控件用于管理服务器和客户的连接，它们本身并不是Socket对象，操纵Socket对象的是TCus－tomWinSocket及其派生类，如TClientWinSocket、TserverWinSocket、TServerClientWinSocket等。利用TClientSocket控件和TServerSocket控件实现数据传输较简单，如主计算机一方担任服务器端，在窗体上拖放一个TServerSocket控件，将Port属性为5000，将Active属性为True，这样TServerSocket就将在5000端口上侦听。TServerSocket并不定位具体的客户端，而是处于等待连接的状态。当服务器端监听到或接收到客户端的连接请求，它就响应客户端的请求，建立一个新的Socket句柄并与客户端连接，而服务器端Socket继续处于监听状态，还可接收其它客户端Socket的连接请求。一旦服务器端与客户端连接，客户端向服务器端发送信息时，在TServerSocket将会在服务器端产生事件OnClientRead；就可以在事件中处理收到的信息，通过模型接口层将数据传送给电力仿真数学模型，进行实时计算及控制。客户端设计与服务器端设计较为相似，这里不再描述。
5 结论
上述方案设计的变电站仿真系统总体性能稳定、功能齐全、性能价格比高，除具有真实变电站的运行功能外，还兼有计算机的监控、监视、在线打印等功能。作为一种新型培训方式，变电站仿真系统能提高培训效率、缩短培训周期、降低培训成本、提高运行人员的技术业务素质，其经济效益和社会效益是显而易见的，且具有广泛的应用前景。
参考文献［1］柏吉宽．一种新型的变电站培训装置———变电站全仿真机［C］．1996年电工理论学术讨论会文集．
［2］白玮，高平，柏吉宽，等．DTS—SOTS实时通信接口的设计与实现［J］．电力自动化设备，2002，（2）．
［3］史惠康．Borland C＋＋Builder实用编程技术［M］．北京：中国水利水电出版社，1999．
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