电网监控系统半实物仿真测试技术分析

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摘要：介绍了一种船舶电网监控系统的半实物仿真测试技术方案，能够实现电网监控系统硬件设备与被控对象数学仿真模型对接，开展半实物仿真测试试验，从而提高监控系统的设计、测试工作效率。该技术方案利用Matlab/Simulink的强大功能对船舶电网监控对象进行数学建模和实时仿真，采用OPC技术实现电网监控系统的硬件设备与被控对象的数学仿真模型互联互通，从而构建了半实物仿真测试系统。重点说明了半实物仿真测试的工作原理、技术方案及工作流程，并展望了其应用前景。

关键词：船舶电网；监控系统；半实物仿真；Matlab/Simulink；OPC

船舶电网监控系统能够实现船舶电网的综合监控、综合控制、综合报警及安全保护，是确保船舶电网可靠、安全运行的重要屏障［1］。随着现代船舶电网容量日益增大，电网监控系统涉及的监控对象数量更多、信息及控制流程愈加复杂，监控系统设计、调试工作量很大。电网监控系统在上船安装之前，通常需开展陆上联调试验，对控制系统的功能、性能进行测试和校核。目前的陆上联调试验一般采用实物设备对接的形式［2］，需电网监控设备以及电网被控对象设备全部生产制造完成并安装到位后才能开展。由于参试设备数量多、特别是电网设备厂家不同且生产进度不一，采用实物设备对接形式开展陆上联调试验的工作量较大、所需资源较多、进度管理难度较大；另一方面，随着船舶电网容量不断增大，电网监控系统设计也在不断应用新技术以满足日益严格的监控需求，对于新研发的电网监控系统，其潜在的系统匹配性方面的设计缺陷往往只能在陆上联调试验阶段才有机会暴露，由于此时的监控设备、电网设备均已完成生产制造，一旦发现设计缺陷，各设备修改、返工的代价较大。所以，传统的实物设备对接形式的陆上联调试验技术方案可能导致船舶电网监控系统研发和试验周期长、成本高，进而影响船舶建造工期和经济性，难以满足现代船舶大容量电网应用需求。为解决上述问题，本文介绍了一种船舶电网监控系统的半实物仿真测试技术，利用Matlab/Simulink的强大功能对船舶电网监控对象进行数学建模和实时仿真，采用OPC技术实现电网监控系统的硬件设备与被控对象的数学仿真模型互联互通，从而构建了半实物仿真测试系统。在电网监控系统的研发阶段，即可同步开展系统联调半实物仿真测试，从而大幅提高监控系统的设计、测试工作效率。本文对其工作原理、技术方案、工作流程及应用前景等进行重点阐述。

1半实物仿真测试工作原理

如前文所述，船舶电网监控系统半实物仿真测试的技术要点主要包括两个方面：一方面是针对电网被控对象设备，构建实时仿真数学模型；另一方面是将监控实物设备与电网被控对象的数学模型互联互通，从而实现系统联调半实物仿真测试。针对第一方面，主要利用Matlab软件中的Simulink仿真平台构建电网被控对象设备的实时仿真数学模型。Simulink下属的SimPowerSystems模块集提供了丰富的电力系统元件模型，如变压器、线路、各种类型的电机和电力电子元件等，应用Matlab/Simulink的强大仿真能力能够快速容易地建立起电网各设备的仿真模型［3-6］。关于电网仿真建模方法与过程已有大量科技文献论述，本文不再赘述。第二方面，如何实现电网监控实物设备与Matlab数学仿真模型的互联互通，是系统联调半实物仿真测试的难点。本文介绍了一种基于OPC（OLEforProcessControl）技术的解决方案。OPC是一套工业标准，为基于Windows平台的应用程序与现场控制设备之间建立了沟通桥梁［7］。OPC采用客户端（Client）/服务器（Server）模式，一个OPC服务器由三类对象组成，即：服务器（Server）、组（Group）、数据项（Item）［8］。图1为基于OPC技术的半实物仿真测试原理框图。图1中，OPC服务器用于实现与监控实物设备对接，并应用Matlab/Simulink软件的OPCClient工具模块实现Matlab数学仿真模型与OPC服务器的数据交互，同时设有工程师站计算机对半实物仿真过程实施监控。其基本工作原理为：工程师站计算机发出控制指令，启动Matlab数学仿真模型运行，仿真模型的运行参数通过MatlabOPCClient传送给OPC服务器；监控设备从OPC服务器读取仿真模型运行参数，按照设定逻辑向OPC服务器发出控制指令，MatlabOPCClient从OPC服务器读取控制指令并传送给Matlab数学仿真模型；Matlab数学仿真模型接收控制指令后改变运行状态，并将新的运行参数经由MatlabOPCClient回传给OPC服务器，最终反馈给监控设备。因此，在监控设备与Matlab数学仿真模型之间，实现了设备监控指令和仿真模型运行状态反馈信息之间的闭环，为开展半实物仿真测试奠定了技术基础。

2半实物仿真测试系统技术方案

电网监控系统的半实物仿真测试系统由综合显控台、电网监控箱、仿真数据源计算机、电网模拟屏、工程师站计算机以及网络交换机等组成，其连接示意图如图2所示。其中，综合显控台和电网监控箱是电网监控系统的核心设备，用于实施船舶电网监控；仿真数据源计算机安装了Matlab软件和OPC服务器软件，用于运行电网被控对象数学仿真模型和实现OPC服务器功能；电网模拟屏用于提供电网架构、运行参数的图形化显示，并具备电气I/O接口、现场总线接口、以太网接口等，与综合显控台、电网监控箱及仿真数据源计算机对接；工程师站计算机通过以太网接口与仿真数据源计算机连接，用于控制电网仿真模型运行以及仿真模型的开发、测试和维护。图2电网监控系统半实物仿真测试系统连接图图2中的电网模拟屏和仿真数据源软件是半实物仿真测试的关键组成部分。其中，电网模拟屏应用AB公司Compact-LogixPLC模块，一方面驱动模拟屏上的数码管、指示灯及模拟图形显示，另一方面提供电气I/O接口、DeviceNet现场总线接口分别与综合显控台、电网监控箱的硬接线控制通道、总线控制通道连接；同时ABPLC还提供以太网接口与网络交换机连接。仿真数据源计算机需配置Matlab7.0以上版本的软件，一方面实现船舶电网数学建模和仿真运行，另一方面提供OPCClient功能，OPC服务器软件同样安装于该计算机。虽然世界上主流的硬件厂商都针对各自的产品开发了专用的OPCServer软件，如ABPLC的RSLinx、西门子PLC的SimaticNet等，为实现通用性，减少专门定制软件的种类和相应采购、运维费用，本文采用了文献［9］提供的通用OPCServer技术方案，应用Kepware公司的KEPServer软件实现OPC服务器功能。KEPServer嵌入了100多种通信协议，涵盖了当今世界上所有主流控制器型号。不仅如此，它还能通过下载新的驱动程序插件进行功能扩展，从而适应不断推陈出新的技术发展需求［10-11］。以ABPLC为例，在KEPServer的通道配置中选择ABPLC的型号及通信接口类型，并配置变量名一一对应ABPLC的寄存器地址即可实现KEPServer与ABPLC的联通，OPC客户端只需访问KEPServ-er中的变量名即可实现对ABPLC相应寄存器的读写。其它品牌的控制器均能通过类似的简便方法实现与KEPServer的数据交互。另外，Kepware公司还提供了U-CON软件，能够支持用户自定义通信协议，并提供OPCServer。当船舶电网监控网络中出现了非主流品牌控制器或自定义开发的控制器时，利用U-CON的编辑、组态功能能够快速的开发出该控制器的驱动程序，作为插件整体嵌入到KEPServer中，从而方便、容易地的实现KEPServer与上述控制器的数据交互。所以，应用KEPServer实现OPC服务器功能能够保证数据交互网络具有较好的开放性和通用性。

3半实物仿真测试工作流程

船舶电网监控系统半实物仿真测试的信息通道框图见图3。结合图3所示，半实物仿真测试工作流程为：1）在仿真数据源计算机上，先完成KEPServer软件中的ABPLC通信接口参数配置，并启动运行；然后完成Matlab电网数学仿真模型配置和Matlab/Simulink的OPCClient参数设置，实现Matlab仿真模型与KEPServer软件数据接口互联；2）在工程师站计算机上发出控制指令，启动Matlab电网仿真模型运行，并设置电网被控对象数学仿真模型的初始运行参数；3）启动电网模拟屏，其上的ABPLC通过以太网接口与仿真数据源计算机的KEPServer软件建立数据连接，Matlab电网仿真模型的运行数据经由MatlabOPCClient、KEPServer软件传送给ABPLC，由ABPLC驱动显示于电网模拟屏之上；同时，电网模拟屏的ABPLC将接收到的Matlab电网仿真模型运行数据发送给电网监控箱、综合显控台；4）电网监控箱、综合显控台通过硬接线和总线通道向电网模拟屏发送电网控制信息，电网模拟屏接收控制信息后，经由ABPLC、KEPServer软件、MatlabOPCClient将控制信息发送给Matlab电网仿真模型，Matlab电网仿真模型接收控制信息后改变运行状态，并将运行反馈参数回传给电网模拟屏，再由电网模拟屏回传给电网监控箱、综合显控台，从而完成电网监控箱、综合显控台与电网被控对象仿真模型之间的闭环联调试验；5）在仿真数据源计算机上可模拟电网故障，通过电网模拟屏将故障状态信息传送给电网监控箱、综合显控台，可校核监控设备的故障报警功能和故障控制功能；6）在工程师站计算机上可对仿真数据源计算机的Matlab电网仿真模型进行修改，能够适应不同类型电网监控系统的半实物仿真联调试验需求；另一方面，通过修改电网数学仿真模型，也可支持部分电网实物设备接入半实物仿真测试系统，参与电网监控系统联调试验。

4结束语

综上所述，本文介绍的半实物仿真测试技术方案能够实现船舶电网监控系统硬件设备与电网被控对象数学仿真模型的对接，可在电网被控设备制造完成之前，提前开展电网监控系统半实物仿真联调试验，大幅提升船舶电网监控系统设计、调试工作效率；可实现船舶电网监控系统的边设计、边测试、边验证，明显降低大规模复杂系统的设计修改成本、缩短设计周期；由于应用了Mat-lab/Simulink仿真软件和通用型OPC技术，被控对象的数学仿真模型易于搭建和修改，数据交互网络具有较好的开放性和通用性，可适应不同类型船舶电网监控系统设计、联调试验需求。另一方面，也适用于船舶平台监控管理系统设计开发及石油、化工、冶金、采矿等其他工业领域监控系统设计开发应用场合。

作者：阳世荣 单位：中国舰船研究设计中心