電網監控系統半實物仿真測試技術分析

上傳:hzzyq123 2022-07-28 11:52:36 版權聲明 舉報文章

被舉報文檔標題:電網監控系統半實物仿真測試技術分析

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摘要:介紹了一種船舶電網監控系統的半實物仿真測試技術方案,能夠實現電網監控系統硬件設備與被控對象數學仿真模型對接,開展半實物仿真測試試驗,從而提高監控系統的設計、測試工作效率。該技術方案利用Matlab/Simulink的強大功能對船舶電網監控對象進行數學建模和實時仿真,采用OPC技術實現電網監控系統的硬件設備與被控對象的數學仿真模型互聯互通,從而構建了半實物仿真測試系統。重點說明了半實物仿真測試的工作原理、技術方案及工作流程,并展望了其應用前景。

關鍵詞:船舶電網;監控系統;半實物仿真;Matlab/Simulink;OPC

船舶電網監控系統能夠實現船舶電網的綜合監控、綜合控制、綜合報警及安全保護,是確保船舶電網可靠、安全運行的重要屏障[1]。隨著現代船舶電網容量日益增大,電網監控系統涉及的監控對象數量更多、信息及控制流程愈加復雜,監控系統設計、調試工作量很大。電網監控系統在上船安裝之前,通常需開展陸上聯調試驗,對控制系統的功能、性能進行測試和校核。目前的陸上聯調試驗一般采用實物設備對接的形式[2],需電網監控設備以及電網被控對象設備全部生產制造完成并安裝到位后才能開展。由于參試設備數量多、特別是電網設備廠家不同且生產進度不一,采用實物設備對接形式開展陸上聯調試驗的工作量較大、所需資源較多、進度管理難度較大;另一方面,隨著船舶電網容量不斷增大,電網監控系統設計也在不斷應用新技術以滿足日益嚴格的監控需求,對于新研發的電網監控系統,其潛在的系統匹配性方面的設計缺陷往往只能在陸上聯調試驗階段才有機會暴露,由于此時的監控設備、電網設備均已完成生產制造,一旦發現設計缺陷,各設備修改、返工的代價較大。所以,傳統的實物設備對接形式的陸上聯調試驗技術方案可能導致船舶電網監控系統研發和試驗周期長、成本高,進而影響船舶建造工期和經濟性,難以滿足現代船舶大容量電網應用需求。為解決上述問題,本文介紹了一種船舶電網監控系統的半實物仿真測試技術,利用Matlab/Simulink的強大功能對船舶電網監控對象進行數學建模和實時仿真,采用OPC技術實現電網監控系統的硬件設備與被控對象的數學仿真模型互聯互通,從而構建了半實物仿真測試系統。在電網監控系統的研發階段,即可同步開展系統聯調半實物仿真測試,從而大幅提高監控系統的設計、測試工作效率。本文對其工作原理、技術方案、工作流程及應用前景等進行重點闡述。

1半實物仿真測試工作原理

如前文所述,船舶電網監控系統半實物仿真測試的技術要點主要包括兩個方面:一方面是針對電網被控對象設備,構建實時仿真數學模型;另一方面是將監控實物設備與電網被控對象的數學模型互聯互通,從而實現系統聯調半實物仿真測試。針對第一方面,主要利用Matlab軟件中的Simulink仿真平臺構建電網被控對象設備的實時仿真數學模型。Simulink下屬的SimPowerSystems模塊集提供了豐富的電力系統元件模型,如變壓器、線路、各種類型的電機和電力電子元件等,應用Matlab/Simulink的強大仿真能力能夠快速容易地建立起電網各設備的仿真模型[3-6]。關于電網仿真建模方法與過程已有大量科技文獻論述,本文不再贅述。第二方面,如何實現電網監控實物設備與Matlab數學仿真模型的互聯互通,是系統聯調半實物仿真測試的難點。本文介紹了一種基于OPC(OLEforProcessControl)技術的解決方案。OPC是一套工業標準,為基于Windows平臺的應用程序與現場控制設備之間建立了溝通橋梁[7]。OPC采用客戶端(Client)/服務器(Server)模式,一個OPC服務器由三類對象組成,即:服務器(Server)、組(Group)、數據項(Item)[8]。圖1為基于OPC技術的半實物仿真測試原理框圖。圖1中,OPC服務器用于實現與監控實物設備對接,并應用Matlab/Simulink軟件的OPCClient工具模塊實現Matlab數學仿真模型與OPC服務器的數據交互,同時設有工程師站計算機對半實物仿真過程實施監控。其基本工作原理為:工程師站計算機發出控制指令,啟動Matlab數學仿真模型運行,仿真模型的運行參數通過MatlabOPCClient傳送給OPC服務器;監控設備從OPC服務器讀取仿真模型運行參數,按照設定邏輯向OPC服務器發出控制指令,MatlabOPCClient從OPC服務器讀取控制指令并傳送給Matlab數學仿真模型;Matlab數學仿真模型接收控制指令后改變運行狀態,并將新的運行參數經由MatlabOPCClient回傳給OPC服務器,最終反饋給監控設備。因此,在監控設備與Matlab數學仿真模型之間,實現了設備監控指令和仿真模型運行狀態反饋信息之間的閉環,為開展半實物仿真測試奠定了技術基礎。

2半實物仿真測試系統技術方案

電網監控系統的半實物仿真測試系統由綜合顯控臺、電網監控箱、仿真數據源計算機、電網模擬屏、工程師站計算機以及網絡交換機等組成,其連接示意圖如圖2所示。其中,綜合顯控臺和電網監控箱是電網監控系統的核心設備,用于實施船舶電網監控;仿真數據源計算機安裝了Matlab軟件和OPC服務器軟件,用于運行電網被控對象數學仿真模型和實現OPC服務器功能;電網模擬屏用于提供電網架構、運行參數的圖形化顯示,并具備電氣I/O接口、現場總線接口、以太網接口等,與綜合顯控臺、電網監控箱及仿真數據源計算機對接;工程師站計算機通過以太網接口與仿真數據源計算機連接,用于控制電網仿真模型運行以及仿真模型的開發、測試和維護。圖2電網監控系統半實物仿真測試系統連接圖圖2中的電網模擬屏和仿真數據源軟件是半實物仿真測試的關鍵組成部分。其中,電網模擬屏應用AB公司Compact-LogixPLC模塊,一方面驅動模擬屏上的數碼管、指示燈及模擬圖形顯示,另一方面提供電氣I/O接口、DeviceNet現場總線接口分別與綜合顯控臺、電網監控箱的硬接線控制通道、總線控制通道連接;同時ABPLC還提供以太網接口與網絡交換機連接。仿真數據源計算機需配置Matlab7.0以上版本的軟件,一方面實現船舶電網數學建模和仿真運行,另一方面提供OPCClient功能,OPC服務器軟件同樣安裝于該計算機。雖然世界上主流的硬件廠商都針對各自的產品開發了專用的OPCServer軟件,如ABPLC的RSLinx、西門子PLC的SimaticNet等,為實現通用性,減少專門定制軟件的種類和相應采購、運維費用,本文采用了文獻[9]提供的通用OPCServer技術方案,應用Kepware公司的KEPServer軟件實現OPC服務器功能。KEPServer嵌入了100多種通信協議,涵蓋了當今世界上所有主流控制器型號。不僅如此,它還能通過下載新的驅動程序插件進行功能擴展,從而適應不斷推陳出新的技術發展需求[10-11]。以ABPLC為例,在KEPServer的通道配置中選擇ABPLC的型號及通信接口類型,并配置變量名一一對應ABPLC的寄存器地址即可實現KEPServer與ABPLC的聯通,OPC客戶端只需訪問KEPServ-er中的變量名即可實現對ABPLC相應寄存器的讀寫。其它品牌的控制器均能通過類似的簡便方法實現與KEPServer的數據交互。另外,Kepware公司還提供了U-CON軟件,能夠支持用戶自定義通信協議,并提供OPCServer。當船舶電網監控網絡中出現了非主流品牌控制器或自定義開發的控制器時,利用U-CON的編輯、組態功能能夠快速的開發出該控制器的驅動程序,作為插件整體嵌入到KEPServer中,從而方便、容易地的實現KEPServer與上述控制器的數據交互。所以,應用KEPServer實現OPC服務器功能能夠保證數據交互網絡具有較好的開放性和通用性。

3半實物仿真測試工作流程

船舶電網監控系統半實物仿真測試的信息通道框圖見圖3。結合圖3所示,半實物仿真測試工作流程為:1)在仿真數據源計算機上,先完成KEPServer軟件中的ABPLC通信接口參數配置,并啟動運行;然后完成Matlab電網數學仿真模型配置和Matlab/Simulink的OPCClient參數設置,實現Matlab仿真模型與KEPServer軟件數據接口互聯;2)在工程師站計算機上發出控制指令,啟動Matlab電網仿真模型運行,并設置電網被控對象數學仿真模型的初始運行參數;3)啟動電網模擬屏,其上的ABPLC通過以太網接口與仿真數據源計算機的KEPServer軟件建立數據連接,Matlab電網仿真模型的運行數據經由MatlabOPCClient、KEPServer軟件傳送給ABPLC,由ABPLC驅動顯示于電網模擬屏之上;同時,電網模擬屏的ABPLC將接收到的Matlab電網仿真模型運行數據發送給電網監控箱、綜合顯控臺;4)電網監控箱、綜合顯控臺通過硬接線和總線通道向電網模擬屏發送電網控制信息,電網模擬屏接收控制信息后,經由ABPLC、KEPServer軟件、MatlabOPCClient將控制信息發送給Matlab電網仿真模型,Matlab電網仿真模型接收控制信息后改變運行狀態,并將運行反饋參數回傳給電網模擬屏,再由電網模擬屏回傳給電網監控箱、綜合顯控臺,從而完成電網監控箱、綜合顯控臺與電網被控對象仿真模型之間的閉環聯調試驗;5)在仿真數據源計算機上可模擬電網故障,通過電網模擬屏將故障狀態信息傳送給電網監控箱、綜合顯控臺,可校核監控設備的故障報警功能和故障控制功能;6)在工程師站計算機上可對仿真數據源計算機的Matlab電網仿真模型進行修改,能夠適應不同類型電網監控系統的半實物仿真聯調試驗需求;另一方面,通過修改電網數學仿真模型,也可支持部分電網實物設備接入半實物仿真測試系統,參與電網監控系統聯調試驗。

4結束語

綜上所述,本文介紹的半實物仿真測試技術方案能夠實現船舶電網監控系統硬件設備與電網被控對象數學仿真模型的對接,可在電網被控設備制造完成之前,提前開展電網監控系統半實物仿真聯調試驗,大幅提升船舶電網監控系統設計、調試工作效率;可實現船舶電網監控系統的邊設計、邊測試、邊驗證,明顯降低大規模復雜系統的設計修改成本、縮短設計周期;由于應用了Mat-lab/Simulink仿真軟件和通用型OPC技術,被控對象的數學仿真模型易于搭建和修改,數據交互網絡具有較好的開放性和通用性,可適應不同類型船舶電網監控系統設計、聯調試驗需求。另一方面,也適用于船舶平臺監控管理系統設計開發及石油、化工、冶金、采礦等其他工業領域監控系統設計開發應用場合。

作者:陽世榮 單位:中國艦船研究設計中心