一種閉環(huán)設(shè)計(jì)的IEC 61850一致性測(cè)試系統(tǒng)*

鄭永康，魏博淵，張?jiān)迫A，劉明忠，蔡驥然，高磊，卜強(qiáng)生

（1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都610000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京210000）

0 引 言

一致性測(cè)試試驗(yàn)是確定被測(cè)對(duì)象與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一致的重要手段［1］。通常利用一組測(cè)試用例序列，在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行黑盒測(cè)試［2－3］，通過(guò)比較實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的異同判定被測(cè)對(duì)象與協(xié)議描述的一致性［4］。

IEC 61850一致性測(cè)試是智能電子設(shè)備（Smart Electronic Device，IED）互操作測(cè)試和性能測(cè)試的基礎(chǔ)，也是智能電網(wǎng)中產(chǎn)品質(zhì)量保證鏈的重要環(huán)節(jié)，是保障智能變電站IED質(zhì)量的重要方法［5］。通常是由被測(cè)IED、一致性測(cè)試軟件系統(tǒng)組成，其中一致性測(cè)試軟件系統(tǒng)可包含上百個(gè)測(cè)試用例。由于一致性測(cè)試是判斷IED與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)一致性的決定判據(jù)，因此一致性測(cè)試系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)性、全面性以及可靠性，將直接關(guān)系到IED產(chǎn)品的質(zhì)量和效能［6］。

目前，在IEC 61850的一致性測(cè)試中，尚存在下列問(wèn)題［7-12］：（1）被測(cè)IED和測(cè)試軟件系統(tǒng)之間沒(méi)有形成閉環(huán)，測(cè)試過(guò)程中需要測(cè)試人員手動(dòng)變化多種物理量；（2）現(xiàn)有的部分測(cè)試用例尚不能自動(dòng)判斷，需要人為干預(yù)，依據(jù)通信報(bào)文和操作日志進(jìn)行人工測(cè)定。

針對(duì)現(xiàn)階段IEC 61850一致性測(cè)試技術(shù)中存在的上述缺陷，提出了一種基于閉環(huán)的IEC 61850一致性測(cè)試系統(tǒng)，給出了測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，研究了一致性測(cè)試系統(tǒng)的軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)，提出了基于閉環(huán)的一致性測(cè)試方法，即通過(guò)程序自動(dòng)判別測(cè)試用例的方法杜絕了人工干預(yù)，從而提高一致性測(cè)試的測(cè)試效率，加強(qiáng)一致性測(cè)試的可信度和嚴(yán)謹(jǐn)性。

1 常見(jiàn)的IEC 61850一致性測(cè)試系統(tǒng)

IEC 61850一致性測(cè)試主要是驗(yàn)證IED通信接口與IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求的一致性，其包括正向測(cè)試用例集合和反向測(cè)試用例集合［13］。IEC 61850-10即一致性測(cè)試部分的根本目的是使制造商和用戶也能客觀評(píng)價(jià)所測(cè)試的設(shè)備（或系統(tǒng)）支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的情況。通常用測(cè)試系統(tǒng)或模擬器對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，常見(jiàn)IEC 61850一致性測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)IEC 61850一致性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Common conformance testing structure on IEC 61850

圖1中，被測(cè)設(shè)備（如保護(hù)或智能控制設(shè)備等）的一致性測(cè)試過(guò)程如下：

通常用一個(gè)通信仿真器作為一個(gè)IEC 61850客戶端，通過(guò)以太網(wǎng)向被測(cè)設(shè)備請(qǐng)求發(fā)送并記錄和處理結(jié)果信息。通信仿真器通常采用某公司UniCAsim 61850 simulator［14］。

被測(cè)設(shè)備的輔助試驗(yàn)可由另外的一個(gè)設(shè)備仿真器提供，包含電流電壓互感器和仿真開(kāi)關(guān)，進(jìn)行環(huán)境仿真，并與通信仿真器互相通信。通常采用Omicron公司的 CMC Test Set等［15］。

通常使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)監(jiān)控測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，并分析所得檢測(cè)結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠采集并分析以太網(wǎng)上IEC 61850的信息流量，此外用于記錄網(wǎng)絡(luò)事件、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全以及建立連接并檢驗(yàn)系統(tǒng)配置等。分析儀在鑒別和最小化互操作危險(xiǎn)方面有重大作用，一般采用某公司的UniCA 61850 Analyzer，其在以易讀格式顯示通信包的同時(shí)，兼具分析和報(bào)告錯(cuò)誤的功能［16］。

最后，應(yīng)配置一個(gè)時(shí)鐘同步裝置用來(lái)對(duì)一致性測(cè)試系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行同步。以上設(shè)備組成IEC 61850一致性測(cè)試的框架結(jié)構(gòu)。若被測(cè)設(shè)備作為客戶端運(yùn)行，則通信仿真器將作為仿真服務(wù)器的角色運(yùn)行；若被測(cè)設(shè)備作為服務(wù)器運(yùn)行，則通信仿真器將用作仿真客戶端以測(cè)試其要求的通信功能。

2 一致性閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的IEC 61850一致性測(cè)試系統(tǒng)被測(cè)設(shè)備和測(cè)試軟件系統(tǒng)之間沒(méi)有形成閉環(huán)，測(cè)試用例不能自動(dòng)判斷，仍需人工干預(yù)，影響了測(cè)試的全面性，無(wú)法完全保障被測(cè)設(shè)備的一致性水平。

基于閉環(huán)的IEC 61850一致性測(cè)試系統(tǒng)，主要包括一致性測(cè)試軟件平臺(tái)、一致性測(cè)試硬件平臺(tái)以及被測(cè)試設(shè)備。其中，一致性測(cè)試軟件平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)與一致性測(cè)試硬件平臺(tái)和被測(cè)試設(shè)備分別相連，一致性測(cè)試硬件平臺(tái)則通過(guò)光纖以太網(wǎng)以及電纜與被測(cè)試設(shè)備相連，所述的三個(gè)部分即形成閉環(huán)的測(cè)試環(huán)境，如圖2所示。

圖2 IEC 61850一致性閉環(huán)測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of closed-loop conformance testing structure based on IEC 61850

圖2中，一致性測(cè)試軟件平臺(tái)整合了通信仿真器、分析儀、時(shí)間控制器的功能，一致性測(cè)試硬件平臺(tái)則替代了設(shè)備仿真器的功能，同時(shí)具有八組GOOSE／SV物理端口。

基于閉環(huán)的IEC 61850一致性測(cè)試總體思路為：一致性測(cè)試軟件平臺(tái)直接與被測(cè)試設(shè)備交互，進(jìn)行報(bào)告服務(wù)、控制服務(wù)、定值服務(wù)等測(cè)試；GOOSE服務(wù)、SV服務(wù)等測(cè)試用例的執(zhí)行過(guò)程中，常規(guī)物理量或者數(shù)字化物理量的觸發(fā)則由軟件平臺(tái)通過(guò)內(nèi)部協(xié)議傳遞至硬件測(cè)試平臺(tái)，之后由硬件測(cè)試平臺(tái)與被測(cè)設(shè)備交互，進(jìn)而完成測(cè)試。其典型流程為一致性測(cè)試軟件平臺(tái)讀取測(cè)試用例，向一致性測(cè)試硬件平臺(tái)發(fā)出測(cè)試信號(hào)，一致性測(cè)試硬件平臺(tái)模擬出被測(cè)設(shè)備的仿真環(huán)境，并輸出給被測(cè)設(shè)備，被測(cè)設(shè)備接收響應(yīng)后，回送MMS報(bào)文，由一致性測(cè)試軟件平臺(tái)接收并自動(dòng)判別，分析并得出測(cè)試結(jié)果后繼續(xù)下一個(gè)測(cè)試用例，從而形成了閉環(huán)連續(xù)測(cè)試。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

一致性測(cè)試硬件平臺(tái)的主要用于為被測(cè)設(shè)備提供模擬環(huán)境的仿真，可為被測(cè)設(shè)備具體提供GOOSE／SV數(shù)字信號(hào)輸出以及常規(guī)開(kāi)入開(kāi)出功能，從而滿足不同類型智能設(shè)備測(cè)試的需求。

一致性測(cè)試硬件平臺(tái)由多塊站控層過(guò)程層一體化通信板卡、常規(guī)開(kāi)入開(kāi)出板卡、內(nèi)部以太網(wǎng)高速通道組成，同時(shí)支持通信板卡的靈活增減和分布式管理。

站控／過(guò)程層一體化通信板卡是集通信編解碼、通信接口、通信管理、參數(shù)配置、人機(jī)接口多種功能于一體的板卡，同時(shí)滿足與被測(cè)試設(shè)備的站控層和過(guò)程層通信的需求，采用DSP和ARM雙核處理器、FPGA、網(wǎng)路交換芯片的硬件架構(gòu)，并采用Linux2.6、QT、Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬內(nèi)存、虛擬CAN的軟件架構(gòu)。

常規(guī)開(kāi)入開(kāi)出板卡通過(guò)傳統(tǒng)電纜與被測(cè)試設(shè)備連接，用于獲得被測(cè)試設(shè)備的開(kāi)入狀態(tài)，并輸出控制節(jié)點(diǎn)到被測(cè)試設(shè)備。其主要應(yīng)用于被測(cè)試設(shè)備仍有傳統(tǒng)開(kāi)入和開(kāi)出的場(chǎng)合，例如數(shù)字化二次設(shè)備的檢修硬壓板的投退等。內(nèi)部以太網(wǎng)高速通道可將各個(gè)硬件板卡通過(guò)內(nèi)部以太網(wǎng)進(jìn)行互連互通，為內(nèi)部數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)交互提供支持。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

一致性測(cè)試軟件平臺(tái)的主要功能為根據(jù)被測(cè)設(shè)備的角色，設(shè)定客戶端模式或服務(wù)器模式，并通過(guò)以太網(wǎng)通信向一致性測(cè)試硬件平臺(tái)發(fā)出測(cè)試用例相關(guān)控制信息，由一致性測(cè)試硬件平臺(tái)生成各種模擬測(cè)試環(huán)境。

一致性測(cè)試軟件平臺(tái)同時(shí)用于記錄和處理被測(cè)設(shè)備的反饋測(cè)試結(jié)果信息以及監(jiān)控測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、采集并分析以太網(wǎng)上IEC 61850的信息流量、記錄網(wǎng)絡(luò)事件、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全以及建立連接并檢驗(yàn)系統(tǒng)配置等。

一致性測(cè)試軟件平臺(tái)采用Python語(yǔ)言編寫(xiě)，由QT環(huán)境、Python環(huán)境、測(cè)試用例腳本、內(nèi)部通信庫(kù)、MMS通信庫(kù)組成。QT環(huán)境是Python、測(cè)試用例、各類通信庫(kù)的協(xié)同環(huán)境容器，支持跨平臺(tái)快速移植，包括人機(jī)界面、全局測(cè)試參數(shù)、腳本管理、模型管理、測(cè)試結(jié)果輸出、警告結(jié)果輸出等。

Python語(yǔ)言又被稱為“膠水語(yǔ)言”，具有豐富強(qiáng)大的庫(kù)的同時(shí)，也可以調(diào)用其他語(yǔ)言制作的各種模塊。軟件平臺(tái)借助Python語(yǔ)言的高擴(kuò)展性，將IEC 61850的各個(gè)測(cè)試子項(xiàng)進(jìn)行獨(dú)立模塊化編程。這一架構(gòu)可以允許使用者在進(jìn)行一致性測(cè)試時(shí)對(duì)測(cè)試子項(xiàng)進(jìn)行靈活組合，以提高測(cè)試的多樣度和效率。同時(shí)，開(kāi)放的Python平臺(tái)可以允許用戶自行編寫(xiě)額外的測(cè)試腳本，提高一致性測(cè)試平臺(tái)的靈活性和兼容性。

軟件平臺(tái)算例的一個(gè)典型執(zhí)行過(guò)程為：執(zhí)行所選算例后，一致性軟件測(cè)試平臺(tái)根據(jù)算例程序要求調(diào)用內(nèi)部通信庫(kù)與一致性測(cè)試硬件平臺(tái)進(jìn)行通信，在一致性測(cè)試硬件平臺(tái)的協(xié)助下（主要是SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文的通信），與受測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信或工作狀態(tài)模擬，之后截取受測(cè)設(shè)備返回的相關(guān)報(bào)文，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于MMS報(bào)文，軟件平臺(tái)可以直接調(diào)用MMS通信庫(kù)與受測(cè)設(shè)備直接通信。完成一次典型的閉環(huán)測(cè)試，進(jìn)而自動(dòng)得出測(cè)試結(jié)論，無(wú)需人工干預(yù)。

3 一致性閉環(huán)測(cè)試方法

基于閉環(huán)的IEC 61850一致性測(cè)試典型流程如圖3所示。

典型一致性測(cè)試的主要步驟如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試用例的搭建。根據(jù)通信庫(kù)函數(shù)、封裝函數(shù)和IEC 61850-10的正反向測(cè)試邏輯，在一致性測(cè)試軟件平臺(tái)的人機(jī)界面編寫(xiě)測(cè)試方法，形成測(cè)試用例庫(kù)；

（2）擴(kuò)展測(cè)試用例的搭建。根據(jù)通信庫(kù)函數(shù)、封裝函數(shù)和國(guó)內(nèi)智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的正反向測(cè)試邏輯，在一致性測(cè)試軟件平臺(tái)的人機(jī)界面編寫(xiě)測(cè)試方法，形成擴(kuò)展測(cè)試用例庫(kù)，作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試用例庫(kù)的補(bǔ)充；

圖3 IEC 61850一致性閉環(huán)測(cè)試方法流程圖Fig.3 Flowchart of closed-loop conformance testing method based on IEC 61850

（3）測(cè)試用例的讀取解析。一致性測(cè)試軟件平臺(tái)的人機(jī)界面可進(jìn)行讀取測(cè)試用例的語(yǔ)法語(yǔ)義錯(cuò)誤信息、解析腳本邏輯、記錄測(cè)試邏輯的步驟日志、調(diào)用內(nèi)部通信庫(kù)和IEC 61850通信庫(kù)函數(shù)等操作。根據(jù)測(cè)試用例的類型，進(jìn)行站控層相關(guān)用例或過(guò)程層相關(guān)用例的分類執(zhí)行；

（4）站控層相關(guān)測(cè)試用例的執(zhí)行。如模型服務(wù)、連接服務(wù)、控制服務(wù)、報(bào)告服務(wù)、定值服務(wù)、文件服務(wù)等，由一致性測(cè)試軟件平臺(tái)直接與被測(cè)試設(shè)備交互，被測(cè)設(shè)備反饋被測(cè)結(jié)果的方式進(jìn)行；

（5）過(guò)程層相關(guān)測(cè)試用例的執(zhí)行。如GOOSE服務(wù)和SV服務(wù)等，由一致性測(cè)試軟件平臺(tái)首先通過(guò)內(nèi)部協(xié)議與硬件測(cè)試平臺(tái)通信，令硬件測(cè)試平臺(tái)模擬仿真環(huán)境，通過(guò)GOOSE和SV協(xié)議與被測(cè)試設(shè)備交互，進(jìn)而獲取被測(cè)設(shè)備的反饋結(jié)果；

（6）測(cè)試用例的結(jié)果判斷。程序依據(jù)測(cè)試中間結(jié)果、測(cè)試報(bào)文交互等信息，自動(dòng)判別測(cè)試結(jié)果，并對(duì)一致性測(cè)試不合格結(jié)果進(jìn)行記錄；

（7）測(cè)試用例的結(jié)果輸出。一致性測(cè)試軟件平臺(tái)將各個(gè)測(cè)試用例的執(zhí)行結(jié)果形成輸出單，得到一致性測(cè)試報(bào)告。

4 結(jié)束語(yǔ)

論文總結(jié)了智能變電站常用的IEC 61850一致性測(cè)試平臺(tái)存在的不足，提供了一種基于閉環(huán)的IEC 61850一致性測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了一致性測(cè)試軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)的的設(shè)計(jì)，給出了基于閉環(huán)的一致性測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法。

針對(duì)智能變電站IED的一致性測(cè)試需求，通過(guò)閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)令程序自動(dòng)判別測(cè)試用例結(jié)果，同時(shí)增加國(guó)內(nèi)規(guī)范的測(cè)試用例，該閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)減少了一致性測(cè)試的人工操作環(huán)節(jié)，從而提高測(cè)試效率和質(zhì)量。測(cè)試用例覆蓋IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的全部服務(wù)和國(guó)內(nèi)重要規(guī)范的技術(shù)要求，并可由用戶自行設(shè)計(jì)更多擴(kuò)展用例，提高了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試全面性和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行力，為一致性測(cè)試在國(guó)內(nèi)的廣泛推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。