0 引 言
继电保护装置作为保证电力系统稳定运行和保障用户可靠用电的核心部件，自身具有很强的复杂性和抽象性。因此，如何能够提高继电保护装置在研发阶段的仿真和调试质量，变得十分具有创造性和挑战性。目前，继电保护装置仿真系统的调试效率和仿真质量都比较低，主要原因有:
( 1) 不少继电保护装置的逻辑图和软硬件资源仿真系统缺少图形化逻辑图仿真界面，人机交互性和易用性比较差;
( 2) 继电保护装置的仿真系统和调试系统没有集成 在 一 起，仿真时不能调试，调 试 时 不 能仿真;
( 3) 仿真测试仪功能比较单一，而且通常无法支持同时连接继电保护装置和仿真系统;
( 4) 缺少针对继电保护装置的 HMI 面板的仿真，不利于产品展示和客户培训;
( 5) 继电保护装置的仿真系统和继电保护装置没有共享一份代码，导致仿真结果和装置测试结果不完全一致。
针对以上问题，本文提供了一种图形化、具有配套虚拟测试仪、便于继电保护装置研发、便于客户培训和产品演示的仿真和调试一体化解决方案。
1 架构设计
经过对当前市场上主流的继电保护装置的功能和应用场景进行研究和分析，将继电保护装置的一体化仿真和调试系统划分为 5 个模块: 虚拟装置、虚拟测试仪、逻辑图仿真和调试模块、资源调试模块、HMI 面板仿真。仿真和调试系统架构如图 1 所示。
这 5 个模块既可以相互独立、分开运行，实现各自的功能，又可以组合成一套完整的仿真和调试一体化系统，提高继电保护装置的研发和测试效率、缩短开发周期、降低开发人力成本、增加产品竞争力、提高客户培训质量和满意度。
2 模块设计
2． 1 虚拟装置
虚拟装置主要用于将继电保护装置的平台和应用的代码编译为可以在 PC 机上运行的可执行程序。虚拟装置和继电保护装置通过解析同一份软件资源配置信息、硬件资源配置信息、保护逻辑配置信息和共享同一份源代码，可以保证该系统在接收到相同的输入激励时，系统仿真结果与继电保护装置实际运行结果无限接近一致。
虚拟装置的架构如图 2 所示。
由于继电保护装置生产所需的成本比较高和周期比较长，因此在继电保护装置研发阶段，不可能为每个研发和测试人员都配备 1 台实际装置。通过虚拟装置，可以帮助研发和测试人员在继电保护装置研发阶段，摆脱对实际装置的过度依赖、提高装置研发效率、降低人力成本、增加产品灵活性和竞争力。
2． 2 虚拟测试仪
虚拟测试仪主要用来为继电保护装置和虚拟装置提供多种形式的输入激励，接收继电保护装置和虚拟装置输出反馈，并对输出反馈进行解析和展示。虚拟测试仪核心功能:
( 1) 支持与继电保护装置连接和通信。
( 2) 支持与虚拟装置连接和通信。
( 3) 支持提供多种形式的输入激励。
( 4) 支持接收继电保护装置和虚拟装置输出反馈，并对输出反馈进行解析和展示。
虚拟测试仪架构如图 3 所示。
( 1) 测试仪通信组件: 保证虚拟测试仪可以同时与继电保护装置和虚拟装置进行通信连接和信息交互; 保证虚拟测试仪与继电保护装置和虚拟装置互为服务器和客户端。
( 2) 虚拟测试仪激励组件: 该组件主要为继电保护装置和虚拟装置提供多种形式的输入激励，包括单个状态激励、状态序列激励、批量波形激励以及自定义激励等。
( 3) 虚拟测试仪 UI 组件: 提供用于辅助用户和虚拟测试仪进行人机交互的 UI 界面，便于用户根据需求定制输入激励; 将装置的反馈输出进行展示和分析。
2． 3 逻辑图仿真和调试
逻辑图仿真和调试模块主要为了便于研发和测试人员在继电保护装置研发和测试阶段脱离实际装置，对平台和应用的保护逻辑代码进行仿真和调试。当前很多厂家的仿真工具对于继电保护装置的保护逻辑没有图形化的仿真和调试的能力，所有的研发和测试工作都是黑盒测试，没有办法看到保护逻辑的执行和扫描顺序，没有办法实时看到每个保护或者平台算法输入输出的实时值和默认值，更没有办法对每个保护或者平台算法的输入输出进行调试和修改［4-7］。针 对 以 上 现状，本系统使逻辑图仿真和调试模块支持如下核心功能:
( 1) 支持图形化展示继电保护逻辑。
( 2) 支持与虚拟装置连接和通信。
( 3) 支持与资源调试模块交互。
( 4) 支持图形化仿真继电保护逻辑，并可以查看执行顺序和输入输出实时值。
( 5) 支持界面调试继电保护逻辑应用和平台算法。
逻辑图仿真和调试模块架构如图 4 所示。
( 1) 通信组件: 将逻辑图仿真、调试模块和虚拟装置建立通信连接; 支持逻辑图仿真和调试模块根据仿真和调试操作与虚拟装置进行实时消息交互，以保证逻辑图仿真和调试模块可以获得实时数据。
( 2) 保护逻辑仿真 UI 组件: 用于图形化展示继电保护装置的保护逻辑; 用于图形化展示保护逻辑的仿真运行时的执行和扫描顺序; 用于图形化展示保护和平台算法仿真运行时的输入输出实时值和默认值［8-10］。
( 3) 保护逻辑调试组件: 用于设置断点，可以在图形化保护逻辑图的指定位置将虚拟装置运行暂停，并且显示当前状态下的实时值; 可以通过图形化界面对保护和平台算法仿真运行时的输入输出实时值进行修改和调试。
( 4) 保护逻辑 IO 组件: 用于实时接收来源于软件资源输入和硬件资源输入激励; 用于实时输出反馈到软件资源输出和硬件资源输出。
2． 4 软硬件资源调试
资源调试模块主要用于在继电保护装置研发和测试阶段，便于研发和测试人员脱离实际的继电保护装置，对平台和应用的软件资源和硬件资源配置进行仿真和调试。资源调试模块核心功能如下［11-12］:
( 1) 支持与继电保护装置连接和通信，并进行软硬件资源查看和调试。
( 2) 支持与虚拟装置连接和通信，并进行软硬件资源查看和调试。
( 3) 支持与逻辑图仿真和调试模块交互。
( 4) 支持与虚拟测试仪进行信息交互。
资源调试模块架构如图 5 所示。
( 1) 通信组件: 将逻辑图仿真和调试模块与虚拟装置建立通信连接; 支持逻辑图仿真和调试模块根据仿真和调试操作与虚拟装置进行实时消息交互，以保证资源调试模块可以获得实时数据。
( 2) 软硬件资源调试 UI 组件: 用于查看当前真实装置或者虚拟装置软件资源和硬件资源的实时值和默认值等相关信息; 可以通过调试界面对软件 资 源 和 硬 件 资 源 的 实 时 值 进 行 修 改 和调试［13］。
( 3) 软硬件资源 IO 组件: 用于接收来源于保护逻辑的输出实时信号; 用于实时向保护逻辑输入实时信号。
2． 5 HMI 面板仿真
HMI 面板仿真与继电保护装置共享一份源代码和资源配置文件，提供一种可以运行在 PC机上的类似装置 HMI 界面的可执行程序。通过这样的方式，可以仿真验证 HMI 部分的代码的正确性; 可以便于展示产品竞争力，以及提高客户培训质量和满意度。
HMI 面板仿真架构如图 6 所示。
( 1) 通信组件: 该组件主要用于辅助 HMI 面板仿真和虚拟装置建立连接和信息交互。
( 2) HMI 面板 UI 组件: 该组件主要用于通过编译同一份 HMI 代码，生成一份可以运行在 PC机上的具有类似装置 HMI 界面的可执行程序。
3 系统应用
本系统的仿真和调试功能已经在多个电压等级和多个继电保护领域装置研发中投入使用。以某 110 kV 线路保护测控一体化装置为例，展示仿真和调试一体化系统的数据流向和时序图。仿真和调试时序图如图 7 所示。
( 1) 启动虚拟装置，通过解析资源配置文件和运行真实装置的代码，以实现模拟和仿真继电保护装置的行为。
( 2) 虚拟测试仪发出正弦波或者 0 /1 信号激励。
( 3) 通过特定的通信规约传递，资源调试模块输入部分接收到虚拟测试仪发出的激励信号。
( 4) 图形化逻辑图仿真和调试模块通过软硬件资源的输入接收到外部传入的激励，根据配置好的保护逻辑关系以及运行每个保护和平台的算法实现，将所需输出的反馈信号传递给资源调试模块的软件资源和硬件资源的输出部分。
( 5) 将输出信号在虚拟测试仪上展示和分析。
( 6) 如果在仿真运行的过程中，需要设置断点、暂停节拍扫描、恢复节拍扫描和修改实时数据，则需要通过图形化逻辑图仿真和调试模块的调试界面进行控制和调试。
4 结 语
本文从系统架构设计、详细模块设计和实际应用 3 个方面介绍了继电保护装置研发的仿真和调试一体化系统的设计思想和整体架构。
系统的特点:
( 1) 提供图形化展示、人机交互性更强、设计更合理的继电保护逻辑的仿真和调试界面;
( 2) 系统提供了可以仿真继电保护装置行为的虚拟装置;
( 3) 系统提供了可以为继电保护装置和虚拟装置提供激励的虚拟测试仪;
( 4) 系统的 5 个模块既可以独立运行，如虚拟测试仪为装置输入激励和资源调试模块调试继电保护装置，也可以整合在一起成为一套完整的解决方案;
( 5) 系统提供了便于客户培训和产品演示的HMI 面板仿真。
实际运行和测试结果表明了该方案的可行性、正确性和易用性。实践证明，本系统将极大提高继电保护装置的研发和测试效率、缩短开发周期、降低开发人力成本、增加产品竞争力以及提高客户培训质量和满意度。
