基于RTDS的實時仿真自動測試系統(tǒng)研發(fā)

董磊超, 浮明軍, 于朝輝(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌　461000)

0　引　言

RTDS(Real Time Digital Simulation)電力系統(tǒng)實時仿真裝置是一種實時全數(shù)字電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真裝置[1-7]，其元件模型和仿真精度已獲得仿真領域內(nèi)較高的認可度，廣泛應用于電氣設備仿真實驗，尤其是繼保設備校驗試驗。是研究和分析電力系統(tǒng)特征、對繼電保護進行閉環(huán)測試的重要檢驗工具。

針對一般的電力系統(tǒng)RTDS仿真模型，根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障點位置、故障類型等不同測試項目的組合，往往都是上百項甚至上千項的測試操作步驟。測試的重復性和復雜度均比較高，并且最終的測試結果，如測試波形的存儲、被測對象的反饋和動作行為記錄等數(shù)據(jù)量也是非常龐大且比較分散，如果單純靠人工去判斷整理費時費力、效率低下。RTDS仿真系統(tǒng)的自動測試就顯得非常必要。

文獻[8]中詳細論述了當前國內(nèi)三種基于RTDS實現(xiàn)的仿真自動測試系統(tǒng)。目前的主要實現(xiàn)手段是通過RTDS仿真系統(tǒng)的腳本編輯功能實現(xiàn)。三種系統(tǒng)不同的是腳本生成方式：一是由測試人員手動編寫執(zhí)行控制腳本，另一種是通過第三方開發(fā)工具根據(jù)測試項目生成執(zhí)行腳本。該種方法可以實現(xiàn)一定程度的自動測試，而且也可以在腳本中對測試對象的反饋做一定的判別和保存測試波形。但是，在利用RTDS仿真系統(tǒng)進行仿真試驗的過程中，往往需要執(zhí)行一個測試項目后，對結果進行分析研究，而腳本文件的執(zhí)行過程是無法終止或暫停的，測試人員無法對RTDS仿真系統(tǒng)測試過程進行有效干預。而且一旦腳本編制完成或者生成后，測試項目就相對固定，并且腳本是和模型綁定的，腳本的可擴展性和重用性比較差，測試的仿真數(shù)據(jù)也無法與測試項目有效關聯(lián)。

本文通過研究與RTDS仿真系統(tǒng)交互的方式，結合仿真類測試的特點，提出了基于命令行與測試項目映射的方式來實現(xiàn)RTDS仿真系統(tǒng)自動測試的新方法。

1　關鍵技術研究

1.1　與RTDS仿真系統(tǒng)的交互方式

如果RTDS仿真系統(tǒng)自動測試過程要做到可控，就必須研究采用可靠且友好的交互方式。通過研究RTDS仿真系統(tǒng)具備Socket通信能力。RTDS仿真系統(tǒng)與自動測試系統(tǒng)可以采用Server/Client方式通過TCP報文進行通信。自動測試系統(tǒng)通過Socket發(fā)送命令語句，RTDS仿真系統(tǒng)收到后執(zhí)行命令語句。關鍵問題就是必須保證每一條命令執(zhí)行完畢后，自動測試系統(tǒng)才能繼續(xù)下發(fā)下一條命令語句，否則下一條命令將得不到執(zhí)行。RTDS仿真系統(tǒng)具備命令回讀機制，可以利用該回讀機制，在自動測試系統(tǒng)發(fā)送一條命令后，緊接著發(fā)送一條帶一定語義字符的回讀命令，如果自動測試系統(tǒng)接收到剛剛發(fā)的回讀字符，就表示剛發(fā)送的命令語句已經(jīng)執(zhí)行完畢，此時可以發(fā)送下一條命令語句。充分利用該回讀機制保證了每條語句均可被執(zhí)行，還可以在空閑時發(fā)送回讀命令探知連接是否還存在，從而保證了通信的可靠性。

另一方面自動測試系統(tǒng)發(fā)送命令語句之間有的還存在發(fā)送時機問題。比如錄波保存命令，錄波保存命令的發(fā)送必須在RTDS仿真系統(tǒng)錄波完成后才能下發(fā)，否則保存錄波將不是當前故障類型模式下的錄波，而是上一次故障的錄波。所以這類命令的下發(fā)，必須在自動測試系統(tǒng)檢測到仿真系統(tǒng)反饋的錄波完成標志后進行。

1.2　命令映射方式

自動測試下發(fā)的仿真命令需要與測試項目映射。通過映射可以實現(xiàn)將仿真命令轉化為測試人員容易識別的繼電保護語言，測試項目的執(zhí)行通過一序列的繼電保護命令語言來完成，最終繼電保護命令通過映射轉化為仿真命令執(zhí)行。仿真命令與仿真模型綁定，測試項目在測試用例中相對固定。不同的模型，只需要修改仿真命令與測試項目中繼電保護命令的映射，就可以達到測試用例重用的目的。

仿真命令的映射根據(jù)命令功能不同分為幾種方式。(1)直接映射方式，即通過Socket直接發(fā)送仿真命令。(2)參數(shù)類仿真命令，需要在測試過程中修改仿真命令中的相關參數(shù)。如故障持續(xù)時間命令，持續(xù)時間參數(shù)需要測試過程中修改。(3)變量類獲取命令，變量類一般都是浮點類數(shù)據(jù)，如保護動作時間、仿真系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)標志等，需要將數(shù)據(jù)格式化為字符類數(shù)據(jù)，通過回讀命令將該字符回讀獲取變量值。(4)錄波命令，需要將錄波命令中路徑和文件名替換為測試人員定義的路徑和文件名。

1.3　測試結果獲取

智能變電站中IEC 61850標準的應用為自動測試技術的發(fā)展提供了更好的技術支持平臺[9-13]。智能電子設備(IED)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信均采用IEC 61850/制造報文規(guī)范(MMS)。自動測試與手動測試對比一個最突出優(yōu)點就是一個測試項目執(zhí)行完畢后，測試結果的關聯(lián)展現(xiàn)。對于每一個測試項目，需要關聯(lián)的測試結果有測試過程中的SOE、動作時間參數(shù)反饋、RTDS仿真錄波、裝置錄波和錄波儀錄波等。測試過程中的SOE收集應以故障觸發(fā)命令下發(fā)為時間起點，通過MMS獲取報文中的SOE名稱、故障相別，對于故障相對時間可以通過SOE報文和啟動報文的時間戳差值獲??；動作時間等參數(shù)通過回讀命令獲??；RTDS仿真系統(tǒng)記錄的錄波通過保存錄波命令獲取；裝置錄波通過MMS文件服務方式獲??；錄波儀錄波通過自動測試系統(tǒng)ftp服務方式獲取。所有獲得的測試結果通過友好的人機界面方式關聯(lián)具體測試項目直接展現(xiàn)給測試人員。這將對于仿真測試結果的分析帶來巨大的便利性，從根本上解決仿真數(shù)據(jù)分散的問題。

2　系統(tǒng)架構

2.1　系統(tǒng)硬件構成

RTDS仿真自動測試系統(tǒng)由自動測試控制系統(tǒng)軟件和RTDS仿真裝置及放大器、錄波裝置、待測設備和交換機組成。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)硬件組成

自動測試控制軟件基于網(wǎng)絡的Socket通信與RTDS仿真裝置進行命令交互并進行自動測試流程的控制，通過交換機獲取錄波裝置錄波和裝置動作行為及錄波。RTDS仿真裝置主要完成電力系統(tǒng)模型的數(shù)字仿真運算并接收裝置的測試反饋。錄波裝置記錄RTDS仿真經(jīng)過放大器后的實際輸出波形。交換機用于搭建MMS站控層網(wǎng)絡。

2.2　系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

軟件架構如圖2所示。主要包括命令交互、MMS報文處理、測試用例編制、控制執(zhí)行、測試結果處理、測試報告生成和人機交互等。

圖2　測試系統(tǒng)軟件架構示意圖

測試用例包括測試方案、測試項目的制定和命令映射文件的編制。測試用例的相關操作通過人機界面完成，測試結果及測試報告通過人機交互界面最終展示給測試人員。命令交互完成與RTDS仿真系統(tǒng)的命令下發(fā)與接收，是整個自動測試系統(tǒng)的核心，MMS報文處理統(tǒng)計裝置的SOE動作情況及裝置相關參數(shù)的修改。

1)測試用例編制

測試用例編輯分為三個部分，測試命令映射、測試方案定制及具體測試用例編輯。測試命令映射是將繼電保護語言映射為RTDS仿真裝置能夠識別的命令行，是整個用例執(zhí)行的基礎，是將RTDS系統(tǒng)仿真模型控制命令轉換為繼電保護語言的關鍵。測試方案定制具體的測試項目及執(zhí)行語句，該文件限定了仿真模型能夠?qū)崿F(xiàn)的自動測試的關鍵項目，以及自動測試執(zhí)行的測試流程。具體的測試用例涉及到每個測試項目下的具體測試點，是對測試項目的細化與執(zhí)行。

2)控制執(zhí)行與命令交互

控制執(zhí)行過程是以測試用例中的具體內(nèi)容控制下發(fā)不同的命令行。主要包括測試前的測試準備和將測試用例轉化為命令行下發(fā)兩個部分。①測試條件準備：仿真測試之前需要修改模型綁定的定值壓板狀態(tài)，通過IEC 61850定值服務、控制服務對仿真前繼電保護定值、壓板狀態(tài)進行初始化整定，為自動測試做準備。②命令行交互：按照測試用例內(nèi)容完成具體的命令交互，主要包括模型數(shù)據(jù)的初始化、設置故障點及故障類型，觸發(fā)故障，然后進行實際測試結果與用例預期的比較判別，給出測試結論。每個具體的執(zhí)行過程均是通過命令交互來完成。命令的下發(fā)會參照命令的映射方式不同，采取不同的命令形式，同時根據(jù)執(zhí)行過程中特殊的時間關鍵點，選擇科學合理的下發(fā)時間節(jié)點。保證整個執(zhí)行流程可控，并且合理準確。

3)測試結果處理

測試結果處理主要是根據(jù)用例中的預期進行測試結果搜集和判別。搜集的測試結果有的直接可以參與測試結果判別，例如保護動作行為(出口時間、相對時間等)，有的是作為仿真結果重要的原始數(shù)據(jù)保留(如錄波、MMS報文等)，為仿真分析提供最原始的依據(jù)。①測試結果搜集：對所有仿真測試的相關結果匯總，并且和測試項目相關聯(lián)，從根本上解決仿真測試結果比較離散的問題，更加方便測試人員分析和研究模型的仿真效果。通過MMS報文可以將繼電保護裝置的SOE動作情況、保護相對時間、出口時間、動作錄波直接獲取保存；仿真波形可以通過命令交互獲取，錄波裝置記錄整個自動測試系統(tǒng)的仿真波形，通過FTP傳送給自動測試系統(tǒng)。測試結果均保留為本地文件，測試人員可以離線查看所有仿真結果。②測試結果判別：自動測試的一個關鍵特征就是要形成閉環(huán)判別。仿真的測試結果判別主要是保護動作行為判別(出口動作時間與相對時間精度判別、SOE動作與用例預期比較等)，仿真系統(tǒng)搜集的保護行為與用例中預期的進行比較判別，系統(tǒng)自動做出測試結論。

4)測試報告生成

整個測試完成后，系統(tǒng)自動生成標準格式的測試報告，報告格式采用標準的Word。報告內(nèi)容主要包括測試項目的測試次數(shù)、每次的詳細測試結果(動作報告、告警信息、出口時間等)及測試結論。報告內(nèi)容清晰簡潔，是對測試結果的總結概括。

5)人機交互界面

自動測試系統(tǒng)與目前的腳本實現(xiàn)的自動測試相比，讓仿真測試人員從抽象的腳本編程中解脫出來。例如測試項目與仿真命令的映射是通過用例樹的拖拽完成，測試用例文件完全采用標準的xml文件格式，測試用例的加載采用樹型結構，可以輕松實現(xiàn)測試次數(shù)的設置和是否測試的選擇，用戶的操作及用例的加載情況均保存為文件，記憶測試人員的測試環(huán)境的設置情況。對于每一個具體的測試項目，其測試過程和與仿真系統(tǒng)命令交互的情況，完全實時展示給測試人員，且保存為測試過程文件，可以實現(xiàn)離線查看測試時的具體執(zhí)行情況。測試人員選擇不同的測試項目時，測試結果展示界面可以顯示所有與該測試項目相關的測試結果。整個自動測試系統(tǒng)的設計完全實現(xiàn)了離線全景再現(xiàn)當時測試執(zhí)行情況及測試結果，為仿真結果的離線分析和研究帶來了方便。

3　系統(tǒng)測試流程

本文列舉了RTDS仿真自動測試的典型流程，一個典型的測試項目執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3　自動測試流程圖

4　應用舉例

本文介紹的自動測試系統(tǒng)的一個特色是通過命令映射的方式實現(xiàn)了與仿真系統(tǒng)的命令交互，擺脫了復雜的腳本編制，實現(xiàn)了從繼電保護語言的角度實現(xiàn)RTDS仿真的自動測試。下面將通過線路保護的仿真測試進一步闡述。根據(jù)搭建的線路保護模型，編制具體的測試方案，該模型可以實現(xiàn)模擬區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外故障、轉換性故障、永久性故障、系統(tǒng)振蕩、飽和等測試類型。針對每一類測試，根據(jù)測試流程編制測試操作項目，針對每個操作項目通過RTDS仿真系統(tǒng)的錄制操作命令功能，錄制對應的命令行，建立映射文件。映射文件中每個操作項目與具體命令一一對應。依據(jù)測試方案模板編制具體的測試用例，如K2_AN故障模擬，測試用例執(zhí)行時加載映射文件轉換為一系列命令行，最終通過命令行與仿真系統(tǒng)交互，完成測試用例中規(guī)定的測試項目，如圖4所示。

5　結束語

該自動測試系統(tǒng)通過繼電保護語言與命令行映射的方式實現(xiàn)了測試流程可以靈活控制的仿真自動測試。與復雜難懂的編制腳本實現(xiàn)自動測試相比，測試人員更加容易接受，而且測試方式更加靈活，適應性更廣泛。借助智能變電站MMS通信的廣泛應用優(yōu)勢，將分散的測試結果與測試用例有效關聯(lián)并進行自動判別測試結果，使仿真測試結果分析更加高效便捷。本文主要結合繼電保護裝置的仿真自動測試來闡述，該方法在其他基于RTDS的仿真應用方面也具有借鑒價值。

圖4　測試方案映射流程

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