本发明涉及模拟测试技术领域，特别涉及一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试平台与测试方法。
背景技术：
风电控制系统是风力发电机组的重要组成部分，实现了风力发电机组的运行监控和远程控制。伴随着风电控制系统自动化程度信息化程度的不断提高，风力发电机组的安全稳定运行对风电控制系统的设计提出了更高的要求。风电控制系统的合理控制策略及其自身安全性，决定了风力发电机组是否能够稳定正常运行，是否具备抗故障抗攻击的能力。
风电控制系统的安全包含功能安全和信息安全两个方面。风电控制系统的功能安全侧重于风电控制系统的电气电子元器件、系统软硬件、机械结构等控制系统部件的故障控制和恢复能力。虽然风电控制系统的设计中已经考虑安全链的设计，但如何保证所设计的安全链控制逻辑是否能满足功能安全的相关国家标准，相关研究仍处于空白。信息安全侧重于风电控制系统中软件、网络等信息系统部件的抗攻击能力。
现有技术中，如公开号为cn105867161a，公开时间为2016年8月17日，名称为“基于rtds的风力发电数字物理混合仿真系统及方法”的中国发明专利文献，公开了基于rtds的风力发电数字物理混合仿真系统及方法，该仿真系统既可实现纯rtds风力发电系统仿真又可实现数字物理混合rtds风力发电系统仿真，由纯rtds风力发电仿真系统和数字物理混合rtds风力发电系统两部分组成；纯rtds风力发电仿真系统在rtds-rscad软件中实现，包括仿真控制器、风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型；数字物理混合rtds风力发电仿真系统由rtds-rscad软件、接口卡和物理设备构成；本发明可通过多种模式的仿真对风力发电系统进行综合分析，既可在物理平台上对控制策略的性能进行检验和调试，又可实时修正控制参数、控制策略，为实际工程设计提供重要实践依据；但是这种技术方案依然不能实现风电场的安全模拟测试。
再如，公开号为cn203102283u，公开时间为2013年7月31日，名称为“一种基于实时数字仿真仪rtds的风电场建模仿真系统”的中国实用新型专利文献，提供一种基于实时数字仿真仪rtds的风电场建模仿真系统，所述基于实时数字仿真仪rtds的风电场建模仿真系统包括：rtds电网仿真装置、rtds风电场仿真装置和双馈风机变流器，其中：所述rtds电网仿真装置，用于仿真电网；所述rtds风电场仿真装置，分别与所述rtds电网仿真装置和所述双馈风机变流器相连接，用于仿真风电场，并通过与所述rtds电网仿真装置配合以对所述双馈风机变流器进行性能检测的技术手段，所以达到了如下的技术效果：该系统可以仿真风电场的静态运行特性以及故障情况下风电场与电网的动态交互过程，复现电网运行事故，并对双馈风机变流器进行性能检测，分析事故发生机理。但同样的，这种技术方案所提供的仿真系统依然不能解决安全测试的模拟。
技术实现要素：
为了研究风电控制系统所存在安全隐患可能带来的灾难性影响，本发明提供了一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试平台与测试方法利用了rtds半实物仿真技术，结合现场使用的真实风电控制系统，设计功能安全测试集和信息安全测试集，以评估安全隐患对在运行的风电控制系统可能造成的影响，重点验证风电控制系统的控制系统、信息系统是否符合国家标准。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试系统，其特征在于：包括通过风电现场就地控制系统数据相连的rtds半实物仿真系统和风电主控室远程控制系统；所述rtds系统包括rscad仿真软件和硬件仿真器，硬件仿真器包括i/o输入输出接口，rscad仿真软件用于编写和设计风力发电机仿真模型；所述rtds半实物仿真系统对风力发电机及其现场环境进行仿真模拟，实现实际被控对象及其物理过程的硬件在环仿真功能。
所述风力发电仿真模型包括机械模型、电气模型和风场模型；
所述机械模型包括风轮转矩子模型、风力机子模型、齿轮箱传递模型、液压系统子模型和机械负载力矩子模型，机械模型用于实现对风力发电机组机械部分的机械力学特性的仿真建模；
所述电气模型包括发电机子模型、变压器转换模型和电网负载子模型，电气模型用于实现风力发电机组电气部分的电磁学特性的仿真建模；
所述风场模型包括风速子模型、温度子模型、湿度子模型和雷电天气子模型，风场模型用于实现风力发电机组动力来源及其所处环境的仿真模型。
所述机械模型、电气模型和风场模型分别单独占用rtds系统的一个处理器，模型之间通过rtds系统的实时信号同步实现分布式运算。
所述风电现场就地控制系统包括主控系统、变桨控制系统和变流系统，用于实现风力发电机组的现场控制。
所述主控系统采用实际工程使用的风电主控制器，控制器内运行真实工程的控制逻辑和安全链策略；所述变桨控制系统采用实际工程使用的风电变桨控制器，控制器内运行真实工程的变桨控制逻辑；所述变流系统采用实际工程使用的机侧变流控制器，运行实际的变流变频控制策略。
所述风电主控室远程控制系统包括风电scada系统、场内通信系统和辅助测量系统，用于实现风力发电机组的远程控制和调度。
所述风电scada系统包含scada服务器和操作站，负责对风电现场就地控制系统采集的信号进行统一监控，并对风机下达控制指令；所述场内通信系统实现风电场的网络拓扑模拟，包括多种网络通信设备；所述辅助测量系统实现风速风向、电能质量、温湿度环境等信号的测量。
正常的电能质量测量方法是采用电能计量装置对三相电压和电流进行采集和分析，电能质量采集的简化处理方法是指用±10v模拟电压信号来简单模拟经过变送器和正常计量装置处理过的三相电压和电流信号。
一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试装置，其特征在于：包括依次连接的通信系统、rtds机柜、rtds操作站和交换机，交换机通过功能安全测试站和信息安全测试站分别接入通信系统；还包括分别接入通信系统的辅助测量操作站、scada服务器和scada操作站。
所述rtds机柜包括若干风机控制柜和至少一个辅助测量机柜。
所述风机控制柜包括变桨控制器、主控制器和交流控制器。
所述辅助测量机柜包括测风站仪表、电能质量仪表和温湿度仪表。
所述rtds操作站、功能安全测试站、信息安全测试站、辅助测量操作站和scada操作站均为独立的计算机设备。
本发明的有益效果如下：
一、本发明提供的一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试系统，采用基于rtds的半实物仿真建模方法，首次提出了风电控制系统的安全测试平台的构建方法和测试流程，解决了当前风电控制系统控制逻辑设计和安全应急响应策略制定过程中缺乏有效测试和验证平台的问题，通过借助rtds半实物仿真系统，本发明能避免功能安全测试和信息安全测试可能对风力发电机组实体所造成的不良影响；在此基础上，搭建现场实际在运行的风力发电机组控制系统，完成风力发电控制系统与rtds仿真模型联调，保证测试过程尽可能还原现场运行状况。最后针对风电控制系统各个环节展开功能安全测试和信息安全测试，从而发现在运行的风电控制系统可能存在的功能安全问题和信息安全问题。
二、本发明提供的一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试系统，模拟风场环境、风力机、发电机等风力发电机组主要部件的物理特性，搭建工程中实际应用的风电控制系统，实现了测试环境对现场运行环境的还原，因此测试结果更加具有工程意义；安全测试策略软件分别对rtds半实物仿真系统、风电现场就地控制系统和风电主控室远程控制系统进行操作，配置测试场景，运行测试用例。
三、本发明提供的一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试装置，rtds半实物仿真系统由rtds机柜和rtds操作站构成；rtds机柜是仿真模型的物理载体，负责仿真模型的实施解算；本发明中rtds机柜负责运行所述机械模型、电气模型和风场模型；单个rtds机柜仿真单台风机；rtds操作站采用标准pc计算机来实现，操作站内安装rscad建模软件；rtds操作站与rtds机柜采用以太网连接；风电现场就地控制系统由多个风机控制柜构成。每个控制柜内均有一套主控制器、一套变桨控制器和一套变流控制器；每个风机控制柜通过硬接线方式连接单个rtds机柜，实现对单个风机仿真模型的控制；本发明支持对多台风机的模拟，但受限于rtds半实物仿真系统的限制。
附图说明
图1是本发明一种优选方案的系统结构示意图；
图2是本发明一种优选方案的rtds仿真模型示意图；
图3是本发明测试装置一种优选方案的结构示意图；
图4是本发明一种优选方案的功能安全测试流程图；
图5是本发明一种优选方案的信息安全测试流程图。
具体实施方式
以下通过几个具体实施例来进一步说明实现本发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明的技术方案包含但不限于以下实施例。
实施例1
如图1，一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试系统，包括通过风电现场就地控制系统数据相连的rtds半实物仿真系统和风电主控室远程控制系统；所述rtds系统包括rscad仿真软件和硬件仿真器，硬件仿真器包括i/o输入输出接口，rscad仿真软件用于编写和设计风力发电机仿真模型；所述rtds半实物仿真系统对风力发电机及其现场环境进行仿真模拟，实现实际被控对象及其物理过程的硬件在环仿真功能。
这是本发明一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试系统的最基本实施方案。采用基于rtds的半实物仿真建模方法，首次提出了风电控制系统的安全测试平台的构建方法和测试流程，解决了当前风电控制系统控制逻辑设计和安全应急响应策略制定过程中缺乏有效测试和验证平台的问题，通过借助rtds半实物仿真系统，本发明能避免功能安全测试和信息安全测试可能对风力发电机组实体所造成的不良影响；在此基础上，搭建现场实际在运行的风力发电机组控制系统，完成风力发电控制系统与rtds仿真模型联调，保证测试过程尽可能还原现场运行状况。最后针对风电控制系统各个环节展开功能安全测试和信息安全测试，从而发现在运行的风电控制系统可能存在的功能安全问题和信息安全问题。
实施例2
如图1和2，一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试系统，包括通过风电现场就地控制系统数据相连的rtds半实物仿真系统和风电主控室远程控制系统；所述rtds系统包括rscad仿真软件和硬件仿真器，硬件仿真器包括i/o输入输出接口，rscad仿真软件用于编写和设计风力发电机仿真模型；所述rtds半实物仿真系统对风力发电机及其现场环境进行仿真模拟，实现实际被控对象及其物理过程的硬件在环仿真功能；
所述风力发电仿真模型包括机械模型、电气模型和风场模型；
所述机械模型包括风轮转矩子模型、风力机子模型、齿轮箱传递模型、液压系统子模型和机械负载力矩子模型，机械模型用于实现对风力发电机组机械部分的机械力学特性的仿真建模；
所述电气模型包括发电机子模型、变压器转换模型和电网负载子模型，电气模型用于实现风力发电机组电气部分的电磁学特性的仿真建模；
所述风场模型包括风速子模型、温度子模型、湿度子模型和雷电天气子模型，风场模型用于实现风力发电机组动力来源及其所处环境的仿真模型；
所述机械模型、电气模型和风场模型分别单独占用rtds系统的一个处理器，模型之间通过rtds系统的实时信号同步实现分布式运算；
所述风电现场就地控制系统包括主控系统、变桨控制系统和变流系统，用于实现风力发电机组的现场控制；
所述主控系统采用实际工程使用的风电主控制器，控制器内运行真实工程的控制逻辑和安全链策略；所述变桨控制系统采用实际工程使用的风电变桨控制器，控制器内运行真实工程的变桨控制逻辑；所述变流系统采用实际工程使用的机侧变流控制器，运行实际的变流变频控制策略；
所述风电主控室远程控制系统包括风电scada系统、场内通信系统和辅助测量系统，用于实现风力发电机组的远程控制和调度；
所述风电scada系统包含scada服务器和操作站，负责对风电现场就地控制系统采集的信号进行统一监控，并对风机下达控制指令；所述场内通信系统实现风电场的网络拓扑模拟，包括多种网络通信设备；所述辅助测量系统实现风速风向、电能质量、温湿度环境等信号的测量。
这是本发明一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试系统的优选的实施方案。采用基于rtds的半实物仿真建模方法，首次提出了风电控制系统的安全测试平台的构建方法和测试流程，解决了当前风电控制系统控制逻辑设计和安全应急响应策略制定过程中缺乏有效测试和验证平台的问题，通过借助rtds半实物仿真系统，本发明能避免功能安全测试和信息安全测试可能对风力发电机组实体所造成的不良影响；在此基础上，搭建现场实际在运行的风力发电机组控制系统，完成风力发电控制系统与rtds仿真模型联调，保证测试过程尽可能还原现场运行状况。最后针对风电控制系统各个环节展开功能安全测试和信息安全测试，从而发现在运行的风电控制系统可能存在的功能安全问题和信息安全问题；模拟风场环境、风力机、发电机等风力发电机组主要部件的物理特性，搭建工程中实际应用的风电控制系统，实现了测试环境对现场运行环境的还原，因此测试结果更加具有工程意义；安全测试策略软件分别对rtds半实物仿真系统、风电现场就地控制系统和风电主控室远程控制系统进行操作，配置测试场景，运行测试用例。
实施例3
如图1至图3，一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试装置，包括依次连接的通信系统、rtds机柜、rtds操作站和交换机，交换机通过功能安全测试站和信息安全测试站分别接入通信系统；还包括分别接入通信系统的辅助测量操作站、scada服务器和scada操作站。
这是本发明一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试装置的最基本实施方案。rtds半实物仿真系统由rtds机柜和rtds操作站构成；rtds机柜是仿真模型的物理载体，负责仿真模型的实施解算；本发明中rtds机柜负责运行所述机械模型、电气模型和风场模型；单个rtds机柜仿真单台风机；rtds操作站采用标准pc计算机来实现，操作站内安装rscad建模软件；rtds操作站与rtds机柜采用以太网连接；风电现场就地控制系统由多个风机控制柜构成。每个控制柜内均有一套主控制器、一套变桨控制器和一套变流控制器；每个风机控制柜通过硬接线方式连接单个rtds机柜，实现对单个风机仿真模型的控制；本发明支持对多台风机的模拟，但受限于rtds半实物仿真系统的限制。
实施例4
如图1至图3，一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试装置，包括依次连接的通信系统、rtds机柜、rtds操作站和交换机，交换机通过功能安全测试站和信息安全测试站分别接入通信系统；还包括分别接入通信系统的辅助测量操作站、scada服务器和scada操作站；所述rtds机柜包括若干风机控制柜和至少一个辅助测量机柜；所述风机控制柜包括变桨控制器、主控制器和交流控制器；所述辅助测量机柜包括测风站仪表、电能质量仪表和温湿度仪表；所述rtds操作站、功能安全测试站、信息安全测试站、辅助测量操作站和scada操作站均为独立的计算机设备。
这是本发明一种基于rtds的风电控制系统功能及信息安全测试装置优选的实施方案。rtds半实物仿真系统由rtds机柜和rtds操作站构成；rtds机柜是仿真模型的物理载体，负责仿真模型的实施解算；本发明中rtds机柜负责运行所述机械模型、电气模型和风场模型；单个rtds机柜仿真单台风机；rtds操作站采用标准pc计算机来实现，操作站内安装rscad建模软件；rtds操作站与rtds机柜采用以太网连接；风电现场就地控制系统由多个风机控制柜构成。每个控制柜内均有一套主控制器、一套变桨控制器和一套变流控制器；每个风机控制柜通过硬接线方式连接单个rtds机柜，实现对单个风机仿真模型的控制；本发明支持对多台风机的模拟，但受限于rtds半实物仿真系统的限制。
实施例5
如图1和2，所述风电控制系统功能及信息安全仿真测试系统平台由三个硬件系统和一套软件测试策略构成。三个硬件系统包括rtds半实物仿真系统、风电现场就地控制系统和风电主控室远程控制系统组成，一套软件测试策略是针对风力发电的安全测试策略，如图1所示。
所述rtds半实物仿真系统对风力发电机及其现场环境进行仿真模拟，实现实际被控对象及其物理过程的硬件在环仿真功能。所述rtds系统由rscad仿真软件和硬件仿真器构成，其中，硬件仿真器具备io输入输出功能，rscad仿真软件用于编写和设计风力发电机仿真模型。
所述风力发电仿真模型至少包括机械模型、电气模型和风场模型等三套模型，如图2所示。
机械模型主要实现对风力发电机组机械部分的机械力学特性的仿真建模，具体包括风轮转矩子模型、风力机子模型、齿轮箱传递模型、液压系统子模型、机械负载力矩子模型等部分。
电气模型主要实现风力发电机组电气部分的电磁学特性的仿真建模，具体包括发电机子模型、变压器转换模型、电网负载子模型等部分。
风场模型主要实现风力发电机组动力来源及其所处环境的仿真模型，具体包括风速子模型、温度子模型、湿度子模型、雷电天气子模型等部分。
风力发电仿真模型总共使用了rtds系统的3个cpu核进行运算。机械、电气、风场模型分别单独占用rtds的一个cpu核，模型之间通过rtds的实时信号同步实现分布式运算。
每个仿真模型均利用rtds系统的rscad仿真软件进行仿真编程，采用实际工程的现场数据进行参数拟合，形成具有工程精度的rtds仿真模型。
所述风电现场就地控制系统实现风力发电机组的现场控制，至少包括主控系统、变桨控制系统和变流系统三个部分。
主控系统采用实际工程使用的风电主控制器，控制器内运行真实工程的控制逻辑和安全链策略。变桨控制系统采用实际工程使用的风电变桨控制器，控制器内运行真实工程的变桨控制逻辑。变流系统采用实际工程使用的机侧变流控制器，运行实际的变流变频控制策略。
所述风电主控室远程控制系统实现风力发电机组的远程控制和调度，至少包括风电scada系统、场内通信系统、辅助测量系统三个部分。
风电scada系统包含scada服务器和操作站，负责对风电现场就地控制系统采集的信号进行统一监控，并对风机下达控制指令。场内通信系统实现风电场的网络拓扑模拟，包括多种网络通信设备。辅助测量系统实现风速风向、电能质量、温湿度环境等信号的测量。电能质量信号测量是本专利所述平台对风机入网电能测量的简化处理。正常的电能质量测量方法是采用电能计量装置对三相电压和电流进行采集和分析，电能质量采集的简化处理方法是指用±10v模拟电压信号来简单模拟经过变送器和正常计量装置处理过的三相电压和电流信号。
所述安全测试策略是运行于测试计算机的软件，软件中集成了功能安全测试集和信息安全测试集两套测试集。安全测试策略软件分别对rtds半实物仿真系统、风电现场就地控制系统和风电主控室远程控制系统进行操作，配置测试场景，运行测试用例。
功能安全测试集指的是由多组仿真参数构成的参数集合。每组仿真参数对应风电机组机械部分或电气部分中某个元器件的一种故障场景，例如齿轮箱齿轮断裂、发电机功率异常等等。测试过程中，仿真参数需要下发到rtds仿真系统中，以模拟一次风电机组的故障。
信息安全测试集指的是由多种类型的网络攻击用例构成的测试用例集合，网络攻击用例的类型包括syn洪水攻击、icmp洪水攻击、分片攻击、泪滴攻击等等；在测试过程中，网络攻击用例通过场内通信系统对风电主控室远程控制系统发起攻击。
实施例6
如图1至图5，rtds半实物仿真系统由rtds机柜和rtds操作站构成。rtds机柜是仿真模型的物理载体，负责仿真模型的实施解算。本发明中rtds机柜负责运行所述机械模型、电气模型和风场模型。单个rtds机柜仿真单台风机。rtds操作站采用标准pc计算机来实现，操作站内安装rscad建模软件。rtds操作站与rtds机柜采用以太网连接。
风电现场就地控制系统由多个风机控制柜构成。每个控制柜内均有一套主控制器、一套变桨控制器和一套变流控制器。每个风机控制柜通过硬接线方式连接单个rtds机柜，实现对单个风机仿真模型的控制。本发明支持对多台风机的模拟，但受限于rtds半实物仿真系统的限制。
风电主控室远程控制系统由风电scada系统、场内通信系统和辅助测量系统构成。其中，风电scada系统包括一台scada服务器和一台scada操作站。scada服务器采用预装windowsserver操作系统的服务器实现，搭载scada服务软件。scada操作站采用标准pc实现，预装windows7操作系统，搭载scada图形软件。所述scada服务软件和scada图形软件均采用现场工程中使用的国产厂商或国外厂商scada软件。场内通信系统采用光纤环网的形式进行构建，包含多个光纤交换机。辅助测量系统由辅助测量机柜和辅助测量操作站构成。辅助测量机柜中安装测风站仪表、电能质量仪表和温湿度仪表，并与rtds机柜通过硬接线方式进行连接。辅助测量操作站上显示辅助测量的结果。
风电现场就地控制系统和风电主控室远程控制系统通过场内通信系统进行连接。
安全测试站包括功能安全测试站和信息安全测试站两个部分，均由标准pc搭载对应的测试软件实现。功能安全测试站搭载功能安全测试集，信息安全测试站搭载信息安全测试集。所述两个测试站同时接入场内通信系统，并通过交换机与rtds操作站连接。
本发明所述功能安全测试步骤和信息安全测试步骤分别如图4、5所示。
功能安全测试流程为：
1.配置风电主控室远程控制系统、风电现场就地控制系统和rtds半实物仿真系统处于正常工况状态。运行工况应符合实际工程下实际风机的运行规律，并满足精度要求。
2.通过功能安全测试站，向rtds半实物仿真系统导入功能安全测试场景。例如设置风机机械模型的参数、设置电气模型参数、设置现场风速、设置恶劣气候等。
3.通过rtds操作站运行已经导入的功能安全测试场景。
4.通过风电scada系统和辅助测量系统监控风电现场就地控制系统和主控室远程控制系统的运行状态，记录运行数据。
5.根据设置的功能安全测试场景，结合运行数据结果，得到测试结果，检查测试结果并判断被测试系统是否符合功能安全的相关国家标准。
信息安全测试流程为：
1.配置风电主控室远程控制系统、风电现场就地控制系统和rtds半实物仿真系统处于正常工况状态。运行工况应符合实际工程下实际风机的运行规律，并满足精度要求。
2.通过信息安全测试站模拟对风电主控室远程控制系统的信息安全攻击事件。
3.监控风电现场就地控制系统的运行状态，同时监控风电主控室远程控制系统的运行状态，特别是风电scada系统的报警信息。
4.测试中同时记录rtds半实物仿真系统中运行计算结果。
5.测试完毕后对比rtds仿真模型计算结果和风电控制系统的采集结果是否一致，是否存在延时，得到测试结果。
6.根据风电控制的功能要求和信息安全的国家标准来检查测试结果，判断被测试系统是否符合信息安全的相关国家标准。