一種閉環設計的IEC 61850一致性測試系統*

鄭永康，魏博淵，張云華，劉明忠，蔡驥然，高磊，卜強生

（1.國網四川省電力公司電力科學研究院，成都610000；2.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000；3.國網江蘇省電力公司電力科學研究院，南京210000）

0 引 言

一致性測試試驗是確定被測對象與相關標準一致的重要手段［1］。通常利用一組測試用例序列，在一定的網絡環境下，對被測對象進行黑盒測試［2－3］，通過比較實際輸出與預期輸出的異同判定被測對象與協議描述的一致性［4］。

IEC 61850一致性測試是智能電子設備（Smart Electronic Device，IED）互操作測試和性能測試的基礎，也是智能電網中產品質量保證鏈的重要環節，是保障智能變電站IED質量的重要方法［5］。通常是由被測IED、一致性測試軟件系統組成，其中一致性測試軟件系統可包含上百個測試用例。由于一致性測試是判斷IED與IEC 61850標準一致性的決定判據，因此一致性測試系統的嚴謹性、全面性以及可靠性，將直接關系到IED產品的質量和效能［6］。

目前，在IEC 61850的一致性測試中，尚存在下列問題［7-12］：（1）被測IED和測試軟件系統之間沒有形成閉環，測試過程中需要測試人員手動變化多種物理量；（2）現有的部分測試用例尚不能自動判斷，需要人為干預，依據通信報文和操作日志進行人工測定。

針對現階段IEC 61850一致性測試技術中存在的上述缺陷，提出了一種基于閉環的IEC 61850一致性測試系統，給出了測試系統的總體結構，研究了一致性測試系統的軟件平臺和硬件平臺，提出了基于閉環的一致性測試方法，即通過程序自動判別測試用例的方法杜絕了人工干預，從而提高一致性測試的測試效率，加強一致性測試的可信度和嚴謹性。

1 常見的IEC 61850一致性測試系統

IEC 61850一致性測試主要是驗證IED通信接口與IEC 61850標準要求的一致性，其包括正向測試用例集合和反向測試用例集合［13］。IEC 61850-10即一致性測試部分的根本目的是使制造商和用戶也能客觀評價所測試的設備（或系統）支持IEC 61850標準的情況。通常用測試系統或模擬器對單個設備進行獨立測試，常見IEC 61850一致性測試結構如圖1所示。

圖1 常見IEC 61850一致性測試系統結構Fig.1 Common conformance testing structure on IEC 61850

圖1中，被測設備（如保護或智能控制設備等）的一致性測試過程如下：

通常用一個通信仿真器作為一個IEC 61850客戶端，通過以太網向被測設備請求發送并記錄和處理結果信息。通信仿真器通常采用某公司UniCAsim 61850 simulator［14］。

被測設備的輔助試驗可由另外的一個設備仿真器提供，包含電流電壓互感器和仿真開關，進行環境仿真，并與通信仿真器互相通信。通常采用Omicron公司的 CMC Test Set等［15］。

通常使用一個網絡分析儀來監控測試過程中出現的錯誤，并分析所得檢測結果。網絡分析儀能夠采集并分析以太網上IEC 61850的信息流量，此外用于記錄網絡事件、監控網絡安全以及建立連接并檢驗系統配置等。分析儀在鑒別和最小化互操作危險方面有重大作用，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，兼具分析和報告錯誤的功能［16］。

最后，應配置一個時鐘同步裝置用來對一致性測試系統中各個設備的時間進行同步。以上設備組成IEC 61850一致性測試的框架結構。若被測設備作為客戶端運行，則通信仿真器將作為仿真服務器的角色運行；若被測設備作為服務器運行，則通信仿真器將用作仿真客戶端以測試其要求的通信功能。

2 一致性閉環測試系統設計

2.1 總體結構設計

傳統的IEC 61850一致性測試系統被測設備和測試軟件系統之間沒有形成閉環，測試用例不能自動判斷，仍需人工干預，影響了測試的全面性，無法完全保障被測設備的一致性水平。

基于閉環的IEC 61850一致性測試系統，主要包括一致性測試軟件平臺、一致性測試硬件平臺以及被測試設備。其中，一致性測試軟件平臺通過以太網與一致性測試硬件平臺和被測試設備分別相連，一致性測試硬件平臺則通過光纖以太網以及電纜與被測試設備相連，所述的三個部分即形成閉環的測試環境，如圖2所示。

圖2 IEC 61850一致性閉環測試結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of closed-loop conformance testing structure based on IEC 61850

圖2中，一致性測試軟件平臺整合了通信仿真器、分析儀、時間控制器的功能，一致性測試硬件平臺則替代了設備仿真器的功能，同時具有八組GOOSE／SV物理端口。

基于閉環的IEC 61850一致性測試總體思路為：一致性測試軟件平臺直接與被測試設備交互，進行報告服務、控制服務、定值服務等測試；GOOSE服務、SV服務等測試用例的執行過程中，常規物理量或者數字化物理量的觸發則由軟件平臺通過內部協議傳遞至硬件測試平臺，之后由硬件測試平臺與被測設備交互，進而完成測試。其典型流程為一致性測試軟件平臺讀取測試用例，向一致性測試硬件平臺發出測試信號，一致性測試硬件平臺模擬出被測設備的仿真環境，并輸出給被測設備，被測設備接收響應后，回送MMS報文，由一致性測試軟件平臺接收并自動判別，分析并得出測試結果后繼續下一個測試用例，從而形成了閉環連續測試。

2.2 測試系統硬件平臺設計

一致性測試硬件平臺的主要用于為被測設備提供模擬環境的仿真，可為被測設備具體提供GOOSE／SV數字信號輸出以及常規開入開出功能，從而滿足不同類型智能設備測試的需求。

一致性測試硬件平臺由多塊站控層過程層一體化通信板卡、常規開入開出板卡、內部以太網高速通道組成，同時支持通信板卡的靈活增減和分布式管理。

站控／過程層一體化通信板卡是集通信編解碼、通信接口、通信管理、參數配置、人機接口多種功能于一體的板卡，同時滿足與被測試設備的站控層和過程層通信的需求，采用DSP和ARM雙核處理器、FPGA、網路交換芯片的硬件架構，并采用Linux2.6、QT、Sqlite數據庫、虛擬內存、虛擬CAN的軟件架構。

常規開入開出板卡通過傳統電纜與被測試設備連接，用于獲得被測試設備的開入狀態，并輸出控制節點到被測試設備。其主要應用于被測試設備仍有傳統開入和開出的場合，例如數字化二次設備的檢修硬壓板的投退等。內部以太網高速通道可將各個硬件板卡通過內部以太網進行互連互通，為內部數據的以太網交互提供支持。

2.3 測試系統軟件平臺設計

一致性測試軟件平臺的主要功能為根據被測設備的角色，設定客戶端模式或服務器模式，并通過以太網通信向一致性測試硬件平臺發出測試用例相關控制信息，由一致性測試硬件平臺生成各種模擬測試環境。

一致性測試軟件平臺同時用于記錄和處理被測設備的反饋測試結果信息以及監控測試過程中出現的錯誤、采集并分析以太網上IEC 61850的信息流量、記錄網絡事件、監控網絡安全以及建立連接并檢驗系統配置等。

一致性測試軟件平臺采用Python語言編寫，由QT環境、Python環境、測試用例腳本、內部通信庫、MMS通信庫組成。QT環境是Python、測試用例、各類通信庫的協同環境容器，支持跨平臺快速移植，包括人機界面、全局測試參數、腳本管理、模型管理、測試結果輸出、警告結果輸出等。

Python語言又被稱為“膠水語言”，具有豐富強大的庫的同時，也可以調用其他語言制作的各種模塊。軟件平臺借助Python語言的高擴展性，將IEC 61850的各個測試子項進行獨立模塊化編程。這一架構可以允許使用者在進行一致性測試時對測試子項進行靈活組合，以提高測試的多樣度和效率。同時，開放的Python平臺可以允許用戶自行編寫額外的測試腳本，提高一致性測試平臺的靈活性和兼容性。

軟件平臺算例的一個典型執行過程為：執行所選算例后，一致性軟件測試平臺根據算例程序要求調用內部通信庫與一致性測試硬件平臺進行通信，在一致性測試硬件平臺的協助下（主要是SV報文和GOOSE報文的通信），與受測設備進行通信或工作狀態模擬，之后截取受測設備返回的相關報文，并與相關標準要求進行對比，對于MMS報文，軟件平臺可以直接調用MMS通信庫與受測設備直接通信。完成一次典型的閉環測試，進而自動得出測試結論，無需人工干預。

3 一致性閉環測試方法

基于閉環的IEC 61850一致性測試典型流程如圖3所示。

典型一致性測試的主要步驟如下：

（1）標準測試用例的搭建。根據通信庫函數、封裝函數和IEC 61850-10的正反向測試邏輯，在一致性測試軟件平臺的人機界面編寫測試方法，形成測試用例庫；

（2）擴展測試用例的搭建。根據通信庫函數、封裝函數和國內智能電網標準的正反向測試邏輯，在一致性測試軟件平臺的人機界面編寫測試方法，形成擴展測試用例庫，作為標準測試用例庫的補充；

圖3 IEC 61850一致性閉環測試方法流程圖Fig.3 Flowchart of closed-loop conformance testing method based on IEC 61850

（3）測試用例的讀取解析。一致性測試軟件平臺的人機界面可進行讀取測試用例的語法語義錯誤信息、解析腳本邏輯、記錄測試邏輯的步驟日志、調用內部通信庫和IEC 61850通信庫函數等操作。根據測試用例的類型，進行站控層相關用例或過程層相關用例的分類執行；

（4）站控層相關測試用例的執行。如模型服務、連接服務、控制服務、報告服務、定值服務、文件服務等，由一致性測試軟件平臺直接與被測試設備交互，被測設備反饋被測結果的方式進行；

（5）過程層相關測試用例的執行。如GOOSE服務和SV服務等，由一致性測試軟件平臺首先通過內部協議與硬件測試平臺通信，令硬件測試平臺模擬仿真環境，通過GOOSE和SV協議與被測試設備交互，進而獲取被測設備的反饋結果；

（6）測試用例的結果判斷。程序依據測試中間結果、測試報文交互等信息，自動判別測試結果，并對一致性測試不合格結果進行記錄；

（7）測試用例的結果輸出。一致性測試軟件平臺將各個測試用例的執行結果形成輸出單，得到一致性測試報告。

4 結束語

論文總結了智能變電站常用的IEC 61850一致性測試平臺存在的不足，提供了一種基于閉環的IEC 61850一致性測試系統的總體結構，并進行了一致性測試軟件平臺和硬件平臺的的設計，給出了基于閉環的一致性測試系統的測試方法。

針對智能變電站IED的一致性測試需求，通過閉環測試系統令程序自動判別測試用例結果，同時增加國內規范的測試用例，該閉環測試系統減少了一致性測試的人工操作環節，從而提高測試效率和質量。測試用例覆蓋IEC 61850標準的全部服務和國內重要規范的技術要求，并可由用戶自行設計更多擴展用例，提高了國際標準的測試全面性和國內標準的執行力，為一致性測試在國內的廣泛推廣奠定了技術基礎。