基于RTDS的实时仿真自动测试系统研发

董磊超, 浮明军, 于朝辉(许继电气股份有限公司，河南 许昌　461000)

0　引　言

RTDS(Real Time Digital Simulation)电力系统实时仿真装置是一种实时全数字电力系统电磁暂态仿真装置[1-7]，其元件模型和仿真精度已获得仿真领域内较高的认可度，广泛应用于电气设备仿真实验，尤其是继保设备校验试验。是研究和分析电力系统特征、对继电保护进行闭环测试的重要检验工具。

针对一般的电力系统RTDS仿真模型，根据系统运行状态、故障点位置、故障类型等不同测试项目的组合，往往都是上百项甚至上千项的测试操作步骤。测试的重复性和复杂度均比较高，并且最终的测试结果，如测试波形的存储、被测对象的反馈和动作行为记录等数据量也是非常庞大且比较分散，如果单纯靠人工去判断整理费时费力、效率低下。RTDS仿真系统的自动测试就显得非常必要。

文献[8]中详细论述了当前国内三种基于RTDS实现的仿真自动测试系统。目前的主要实现手段是通过RTDS仿真系统的脚本编辑功能实现。三种系统不同的是脚本生成方式：一是由测试人员手动编写执行控制脚本，另一种是通过第三方开发工具根据测试项目生成执行脚本。该种方法可以实现一定程度的自动测试，而且也可以在脚本中对测试对象的反馈做一定的判别和保存测试波形。但是，在利用RTDS仿真系统进行仿真试验的过程中，往往需要执行一个测试项目后，对结果进行分析研究，而脚本文件的执行过程是无法终止或暂停的，测试人员无法对RTDS仿真系统测试过程进行有效干预。而且一旦脚本编制完成或者生成后，测试项目就相对固定，并且脚本是和模型绑定的，脚本的可扩展性和重用性比较差，测试的仿真数据也无法与测试项目有效关联。

本文通过研究与RTDS仿真系统交互的方式，结合仿真类测试的特点，提出了基于命令行与测试项目映射的方式来实现RTDS仿真系统自动测试的新方法。

1　关键技术研究

1.1　与RTDS仿真系统的交互方式

如果RTDS仿真系统自动测试过程要做到可控，就必须研究采用可靠且友好的交互方式。通过研究RTDS仿真系统具备Socket通信能力。RTDS仿真系统与自动测试系统可以采用Server/Client方式通过TCP报文进行通信。自动测试系统通过Socket发送命令语句，RTDS仿真系统收到后执行命令语句。关键问题就是必须保证每一条命令执行完毕后，自动测试系统才能继续下发下一条命令语句，否则下一条命令将得不到执行。RTDS仿真系统具备命令回读机制，可以利用该回读机制，在自动测试系统发送一条命令后，紧接着发送一条带一定语义字符的回读命令，如果自动测试系统接收到刚刚发的回读字符，就表示刚发送的命令语句已经执行完毕，此时可以发送下一条命令语句。充分利用该回读机制保证了每条语句均可被执行，还可以在空闲时发送回读命令探知连接是否还存在，从而保证了通信的可靠性。

另一方面自动测试系统发送命令语句之间有的还存在发送时机问题。比如录波保存命令，录波保存命令的发送必须在RTDS仿真系统录波完成后才能下发，否则保存录波将不是当前故障类型模式下的录波，而是上一次故障的录波。所以这类命令的下发，必须在自动测试系统检测到仿真系统反馈的录波完成标志后进行。

1.2　命令映射方式

自动测试下发的仿真命令需要与测试项目映射。通过映射可以实现将仿真命令转化为测试人员容易识别的继电保护语言，测试项目的执行通过一序列的继电保护命令语言来完成，最终继电保护命令通过映射转化为仿真命令执行。仿真命令与仿真模型绑定，测试项目在测试用例中相对固定。不同的模型，只需要修改仿真命令与测试项目中继电保护命令的映射，就可以达到测试用例重用的目的。

仿真命令的映射根据命令功能不同分为几种方式。(1)直接映射方式，即通过Socket直接发送仿真命令。(2)参数类仿真命令，需要在测试过程中修改仿真命令中的相关参数。如故障持续时间命令，持续时间参数需要测试过程中修改。(3)变量类获取命令，变量类一般都是浮点类数据，如保护动作时间、仿真系统的稳态标志等，需要将数据格式化为字符类数据，通过回读命令将该字符回读获取变量值。(4)录波命令，需要将录波命令中路径和文件名替换为测试人员定义的路径和文件名。

1.3　测试结果获取

智能变电站中IEC 61850标准的应用为自动测试技术的发展提供了更好的技术支持平台[9-13]。智能电子设备(IED)与监控系统之间的通信均采用IEC 61850/制造报文规范(MMS)。自动测试与手动测试对比一个最突出优点就是一个测试项目执行完毕后，测试结果的关联展现。对于每一个测试项目，需要关联的测试结果有测试过程中的SOE、动作时间参数反馈、RTDS仿真录波、装置录波和录波仪录波等。测试过程中的SOE收集应以故障触发命令下发为时间起点，通过MMS获取报文中的SOE名称、故障相别，对于故障相对时间可以通过SOE报文和启动报文的时间戳差值获取；动作时间等参数通过回读命令获取；RTDS仿真系统记录的录波通过保存录波命令获取；装置录波通过MMS文件服务方式获取；录波仪录波通过自动测试系统ftp服务方式获取。所有获得的测试结果通过友好的人机界面方式关联具体测试项目直接展现给测试人员。这将对于仿真测试结果的分析带来巨大的便利性，从根本上解决仿真数据分散的问题。

2　系统架构

2.1　系统硬件构成

RTDS仿真自动测试系统由自动测试控制系统软件和RTDS仿真装置及放大器、录波装置、待测设备和交换机组成。系统架构如图1所示。

图1　测试系统硬件组成

自动测试控制软件基于网络的Socket通信与RTDS仿真装置进行命令交互并进行自动测试流程的控制，通过交换机获取录波装置录波和装置动作行为及录波。RTDS仿真装置主要完成电力系统模型的数字仿真运算并接收装置的测试反馈。录波装置记录RTDS仿真经过放大器后的实际输出波形。交换机用于搭建MMS站控层网络。

2.2　系统软件实现

软件架构如图2所示。主要包括命令交互、MMS报文处理、测试用例编制、控制执行、测试结果处理、测试报告生成和人机交互等。

图2　测试系统软件架构示意图

测试用例包括测试方案、测试项目的制定和命令映射文件的编制。测试用例的相关操作通过人机界面完成，测试结果及测试报告通过人机交互界面最终展示给测试人员。命令交互完成与RTDS仿真系统的命令下发与接收，是整个自动测试系统的核心，MMS报文处理统计装置的SOE动作情况及装置相关参数的修改。

1)测试用例编制

测试用例编辑分为三个部分，测试命令映射、测试方案定制及具体测试用例编辑。测试命令映射是将继电保护语言映射为RTDS仿真装置能够识别的命令行，是整个用例执行的基础，是将RTDS系统仿真模型控制命令转换为继电保护语言的关键。测试方案定制具体的测试项目及执行语句，该文件限定了仿真模型能够实现的自动测试的关键项目，以及自动测试执行的测试流程。具体的测试用例涉及到每个测试项目下的具体测试点，是对测试项目的细化与执行。

2)控制执行与命令交互

控制执行过程是以测试用例中的具体内容控制下发不同的命令行。主要包括测试前的测试准备和将测试用例转化为命令行下发两个部分。①测试条件准备：仿真测试之前需要修改模型绑定的定值压板状态，通过IEC 61850定值服务、控制服务对仿真前继电保护定值、压板状态进行初始化整定，为自动测试做准备。②命令行交互：按照测试用例内容完成具体的命令交互，主要包括模型数据的初始化、设置故障点及故障类型，触发故障，然后进行实际测试结果与用例预期的比较判别，给出测试结论。每个具体的执行过程均是通过命令交互来完成。命令的下发会参照命令的映射方式不同，采取不同的命令形式，同时根据执行过程中特殊的时间关键点，选择科学合理的下发时间节点。保证整个执行流程可控，并且合理准确。

3)测试结果处理

测试结果处理主要是根据用例中的预期进行测试结果搜集和判别。搜集的测试结果有的直接可以参与测试结果判别，例如保护动作行为(出口时间、相对时间等)，有的是作为仿真结果重要的原始数据保留(如录波、MMS报文等)，为仿真分析提供最原始的依据。①测试结果搜集：对所有仿真测试的相关结果汇总，并且和测试项目相关联，从根本上解决仿真测试结果比较离散的问题，更加方便测试人员分析和研究模型的仿真效果。通过MMS报文可以将继电保护装置的SOE动作情况、保护相对时间、出口时间、动作录波直接获取保存；仿真波形可以通过命令交互获取，录波装置记录整个自动测试系统的仿真波形，通过FTP传送给自动测试系统。测试结果均保留为本地文件，测试人员可以离线查看所有仿真结果。②测试结果判别：自动测试的一个关键特征就是要形成闭环判别。仿真的测试结果判别主要是保护动作行为判别(出口动作时间与相对时间精度判别、SOE动作与用例预期比较等)，仿真系统搜集的保护行为与用例中预期的进行比较判别，系统自动做出测试结论。

4)测试报告生成

整个测试完成后，系统自动生成标准格式的测试报告，报告格式采用标准的Word。报告内容主要包括测试项目的测试次数、每次的详细测试结果(动作报告、告警信息、出口时间等)及测试结论。报告内容清晰简洁，是对测试结果的总结概括。

5)人机交互界面

自动测试系统与目前的脚本实现的自动测试相比，让仿真测试人员从抽象的脚本编程中解脱出来。例如测试项目与仿真命令的映射是通过用例树的拖拽完成，测试用例文件完全采用标准的xml文件格式，测试用例的加载采用树型结构，可以轻松实现测试次数的设置和是否测试的选择，用户的操作及用例的加载情况均保存为文件，记忆测试人员的测试环境的设置情况。对于每一个具体的测试项目，其测试过程和与仿真系统命令交互的情况，完全实时展示给测试人员，且保存为测试过程文件，可以实现离线查看测试时的具体执行情况。测试人员选择不同的测试项目时，测试结果展示界面可以显示所有与该测试项目相关的测试结果。整个自动测试系统的设计完全实现了离线全景再现当时测试执行情况及测试结果，为仿真结果的离线分析和研究带来了方便。

3　系统测试流程

本文列举了RTDS仿真自动测试的典型流程，一个典型的测试项目执行流程如图3所示。

图3　自动测试流程图

4　应用举例

本文介绍的自动测试系统的一个特色是通过命令映射的方式实现了与仿真系统的命令交互，摆脱了复杂的脚本编制，实现了从继电保护语言的角度实现RTDS仿真的自动测试。下面将通过线路保护的仿真测试进一步阐述。根据搭建的线路保护模型，编制具体的测试方案，该模型可以实现模拟区内故障、区外故障、转换性故障、永久性故障、系统振荡、饱和等测试类型。针对每一类测试，根据测试流程编制测试操作项目，针对每个操作项目通过RTDS仿真系统的录制操作命令功能，录制对应的命令行，建立映射文件。映射文件中每个操作项目与具体命令一一对应。依据测试方案模板编制具体的测试用例，如K2_AN故障模拟，测试用例执行时加载映射文件转换为一系列命令行，最终通过命令行与仿真系统交互，完成测试用例中规定的测试项目，如图4所示。

5　结束语

该自动测试系统通过继电保护语言与命令行映射的方式实现了测试流程可以灵活控制的仿真自动测试。与复杂难懂的编制脚本实现自动测试相比，测试人员更加容易接受，而且测试方式更加灵活，适应性更广泛。借助智能变电站MMS通信的广泛应用优势，将分散的测试结果与测试用例有效关联并进行自动判别测试结果，使仿真测试结果分析更加高效便捷。本文主要结合继电保护装置的仿真自动测试来阐述，该方法在其他基于RTDS的仿真应用方面也具有借鉴价值。

图4　测试方案映射流程

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