变电站综合自动化监控主站的动态测试

摘　要　针对监控主站进行动态测试对提高变电站综合自动化系统的整体性能具有十分重要的意义。在对测试对象的特性和测试任务进行分析后，提出并建立了一种符合实际的数模混合的动态测试环境。对照各测试项目，详细阐述了测试方法和测试过程。应用该模型，对一种基于LonWorks局域网络的变电站综合自动化系统监控主站进行了动态测试，效果良好。
关键词　变电站综合自动化　监控主站　动态测试

0　引言
　　随着国内许多变电站综合自动化系统的投入运行，相应的研究和讨论也趋于深入^［1～5］。在变电站综合自动化系统中，监控主站充当站内的保护、测量、控制及通信装置与变电站运行人员之间的接口，它正确、及时地转换与传输变电站的运行状态信息以及运行人员的控制命令，是整个系统正常运转的前提，地位十分重要。目前，站内的各微机保护装置、控制单元及通信网络的性能指标都已较高，但监控主站的性能却是薄弱环节。
　　如何尽早消除监控主站的缺陷，尽量避免发生事故时遭受损失，如何对监控主站的性能进行合理评价，都是亟待解决的问题。软件工程提供的“测试”(testing)概念是一个好的解决方案^［6～8］。
　　针对基于LonWorks局域网络的变电站综合自动化系统监控主站软件平台，在充分分析测试对象的基础上，本文提出了一种实用的动态测试模型，建立了一套数模混合的变电站模拟系统，并对监控主站进行了完整的动态测试。

1　目前现状
　　目前在许多系统的监控主站的应用验收上存在以下观点：
　　a.各个测量和控制“对点”正确，用户所需的各项功能均能满足(如各类图形、表格)，因此系统的监控主站是合格的；
　　b.系统已经在现场投运了数套，目前尚无问题，所以系统的性能过硬。
　　事实上，对于观点a，虽然正常数据信息下的“对点”正确是必须的，但对于无效或错误信息的容错能力同样很关键，因为系统长期运行中站内装置发出错误信息的可能性是存在的。对于观点b，用现场运行的数量和时间来衡量显然不够严格。因为现场运行中，事故运行状况和正常运行状况差异很大(如信息量和信息的重要性)，监控主站能否在各种事故运行情况下保证可靠性更为重要。但是，事故状况出现较少，一些复杂故障情况，在一个具体的变电站中可能几年才会遇到。

2　测试对象及测试任务分析
2.1　测试对象及特点
　　本文讨论的变电站自动化系统的结构如图1所示。

图1　基于LonWorks的变电站自动化系统结构

　　系统采用分层分布式，站内通信网络采用美国ECHELON公司的LonWorks总线结构，站内的保护、测量、控制及通信装置分别作为一个智能网络节点同总线相连。由于采用面向对象的设计，变电站所包括的变压器、电容器、备自投装置及各条线路等均对应一个LonWorks网络节点；担当就地监控的PC机和远动任务的PC机也对应一个LonWorks网络节点。所有连接在网络上的节点是平等的，但从功能角度将前者称为间隔层，后者称为主站层。各节点按照功能下放的原则完成其独立的任务，节点之间按LonWorks规约以报文的形式传递信息。
　　后台监控软件是在Windows NT 4.0下采用PC Soft公司的WIZCON 7.0平台开发，自LonWorks网络到WIZCON的上行报文处理采用WIZCON的API机制，自WIZCON到LonWorks网络的下行过程采用DDE热链接。由于本文探讨监控主站的动态测试，因此为了分析清晰起见，以下不考虑远动PC机。
　　按照变电站自动化的要求，监控主站主要完成两项任务。一个是上行任务：接收并解释站内保护、测量等装置发送的上行报文，并将结果通过友好、直观的人机界面显示给变电站的运行人员；另一个是下行任务：接收并解释运行人员通过人机界面下达的控制命令，随后通过LonWorks将其下传至保护及控制装置。两项任务的特点是：上行任务是大量的和持续性的；而下行任务是少量的和间歇性的。
　　值得注意的是，在变电站正常运行和事故运行两种状态下，监控主站的任务具有不同的特点。正常运行时，站内各装置定时上送遥测、遥信等报文，数量较少，且每帧报文的处理过程简单。发生故障时，可能引发多个装置一起上送保护动作、保护告警、SOE等报文，这些报文较遥测和遥信报文优先级高，处理过程复杂。但此时运行人员往往更需要进行一些操作(下行任务)，以控制事态，而这些下行报文同样具有高优先级。
2.2　动态测试的任务分析
　　衡量监控主站性能的指标比较多，如功能齐全，响应速度快，可靠性高，维护方便等。其中，功能齐全和维护方便等项的测试方法简单且容易实现(如对照需求分析进行人工走查等)。除此之外，动态测试需完成的任务分以下两类。
2.2.1　单信息的测试
　　从集合论的观点讲，监控主站体现的是物理设备与计算机界面之间的映射关系。
　　对于上行任务，物理设备集合用A表示，监控主站界面集合用A′表示：
　　A=｛模拟量a₁,…，模拟量a_m，数字量b₁，…，数字量b_n，伪变量c｝
　　　　　　　　　　　　　
其中　伪变量c存在的原因在于数据传输中的可能错误；c′为当c出现时界面的相关响应信息；v_ai为a_i实际取值；Φ_ai为a_i的定义域；α_i为取值在定义域外时界面的相关处理信息；b_i′的表示形式与a_i′类似。
　　这样集合A与集合A′建立起一一映射关系(见图2)。类似地，下行任务也存在监控主站界面集合B′与物理设备集合B之间的一一映射关系。

图2　A与A′的一一映射关系

　　单信息测试的目的就是要验证A与A′、B′与B之间的一一映射关系。因此，测试不仅包括传统的“对点”工作，而且要进行大量的无效代码测试。
2.2.2　大量信息的测试
　　a.不仅满足正常环境下，而且要保证当变电站出现故障而信息大规模地涌上LonWorks网络时，监控主站不死机、不丢失重要信息。为此，采用主站系统的负载水平^［2］、报文的处理率、主站系统的内存变化趋势等指标来衡量；
　　b.不仅满足正常环境下，而且要保证当变电站出现故障而信息大规模地涌上LonWorks网络时，信息的快速响应。为衡量系统的响应速度，定义主站的响应时间HRT(host response time)为：从操作员下达一个遥控命令开始，到由命令而引起的设备动作并在屏幕上显示为止的整个过程时间。

3　动态测试模型
3.1　模型结构
　　完成上述的动态测试任务，需要有良好的动态测试环境。动态测试环境可以采用的模型有物理模型、数字模型及数模混合模型。
　　本文采用的数模混合模型是用计算机和实际装置一起构成动态测试环境，能够较好地满足动态测试的要求。数模混合模型的结构如图3所示。

图3　变电站自动化数模混合测试模型的结构

　　变电站自动化系统中的同一类装置在模型中都必须有一个对应的RN，其余装置则用VN来模拟。操作机构是一个能跳、合闸的物理设备，它同RN的数据是双向的。在测试时，操作机构同RN的连接可以手工完成。保护测试仪的作用是向RN提供模拟量或开关量(折合成高、低电平)。LonBuilder是LonWorks总线网的监视节点，可以监视网络信息流的统计特征。
3.2　VN的实现
　　在数模混合模型中，赋予VN的作用是单一地模拟各类RN的上行过程。RN的上行过程可以分解为3步：采集数据；数据打包成Lo