变电站在线监测智能电子设备的自动化测试

分类：电力论文发表 时间：2018-08-25 10:10 关注：(1)

　　王德文，葛亮

　　(华北电力大学控制与计算机工程学院，河北省保定市071003)

　　摘要：变电站在线监测智能电子设备(IED)通过IEC61850标准通信方式采集并上传一次设备的状态信息到综合应用服务器等站控层装置，是变电站一体化监控系统的重要组成部分，对其进行功能测试是保证系统正常运行的基础。文中通过分析在线监测IED的功能，设计其功能测试用例，通过自动化测试脚本以及测试引擎，代替手动测试，提高测试效率。通过研制的在线监测IED自动化测试系统，以油中溶解气体监测数据上传功能为例，进行了自动化测试实验，并给出了测试流程及测试结果，验证了该方法的正确性和可行性。

　　关键词：在线监测;智能电子设备;IEC61850;测试脚本;自动化测试

　　0引言

　　为实现变电站全景数据的统一采集管理以及综合分析、智能告警等高级应用，国家电网公司制定了变电站一体化监控系统的相关规范[1-2]。在线监测智能电子设备(IED)作为一体化监控系统的重要组成部分，采用IEC61850标准实现在线监测建模和通信，已得到了行业的公认[3-5]。

　　变电站一体化监控系统需要接入不同厂商的在线监测IED，对其进行功能测试是保证系统正常运行的前提。目前针对在线监测IED的测试方案和测试技术研究还存在以下不足。

　　1)目前，在线监测IED种类众多，通信协议不统一。变电站一体化监控系统功能规范中规定，一次设备的在线监测信息模型应遵循基于DL/T860标准的变电设备在线监测装置应用规范，使用IEC61850标准方式实现监测数据的传输[6]。国内外对在线监测IED的建模已有一定的研究和实践[7-8]，但变电站一体化监控系统规范应用还不够广泛，在线监测IED的功能模型还不够完善，缺乏应用经验。

　　2)在线监测IED的研发与工程实践缺乏完整的测试工具。国内外针对一致性测试进行了大量的实践，主要针对变电站中继电保护、测量和控制装置的测试[9-11]。文献[12]提出了在线监测IED的一致性测试方案，给出了在线监测IED的对象模型及通信服务的测试方法。功能测试是在通信服务满足规约一致性的基础上，验证IED通过一定的通信服务序列能否正确执行某项功能，是对IED通信序列组合的测试。文献[13-14]中都提及了IED的功能测试，其测试方案需要人工参与配置测试工具、执行测试等工作，未实现IED的自动化功能测试，测试的规范化和自动化程度较低。本文提出了在线监测IED的自动化功能测试方法，并研制了自动化测试系统，实现了基于测试用例和测试脚本的自动化测试，完成了在线监测IED的功能测试，并给出了图形化的测试结果。

　　1在线监测IED功能分析及测试用例

　　在线监测IED采集处理变压器等一次设备的状态信息，通过IEC61850标准实现与综合应用服务器等站控层装置的通信，主要包含以下功能。

　　1)采集加工一次设备的状态信息，生成符合IEC61850标准的数据模型，并通过抽象通信服务接口(ACSI)提供模型访问、数据获取和设置服务，完成数据的接入和下装。

　　2)支持监测数据告警、周期性上传。对于告警类数据，采用缓存方式;对于测量类数据，采用非缓存方式。该功能主要通过ACSI提供的报告服务实现，通过设置报告控制块的参数控制监测数据上传功能。

　　3)接收站控层装置发出的操作命令，如控制、计算模型参数下装、数据召唤、对时等，这些功能通过ACSI提供的控制服务、定值服务、报告服务和时间同步服务来实现。

　　综上所述，在线监测IED功能的实现需要多个ACSI服务配合完成。其功能测试用例描述了各项功能对于ACSI服务的调用步骤以及需要输入的数据，易于转化为测试脚本，同时提供预期结果作为测试结果的评估标准。在线监测IED的部分功能测试用例如表1所示。

　　2在线监测IED自动化功能测试方法

　　在线监测IED的功能测试需要将实际装置作为被测装置(DUT)，使用客户端通信模拟器与DUT通信，通过分析响应报文判定其功能是否正确。常规的测试需要测试人员参与，无法形成闭环。本文方法提供在线监测IED功能测试用例，自动化测试系统会将测试用例解析为测试脚本，使用测试脚本控制客户端通信模拟器完成与DUT的通信，分析响应报文并给出测试结果，形成了从测试用例选择到测试结果生成的闭环。同时测试用例提供了对于测试过程的记录，便于测试的重现。

　　变电站在线监测IED自动化测试使用测试过程文件作为测试的提交文件，以文字化形式描述了对其各项功能的测试。自动化测试系统提供的预定义用例涵盖了在线监测IED全部的功能。从测试用例数据库选择用例，测试平台将测试用例转化为自动化测试脚本，同时选择需要输入的测试数据，与测试脚本一起输入自动化测试引擎中自动执行，具体过程如图1所示为实现上述测试方法，需要解决自动化测试脚本设计、测试用例向测试脚本的转化、测试脚本执行及测试结果分析等关键问题。下文将给出具体解决方法。

　　3在线监测IED自动化功能测试关键技术

　　3.1自动化测试脚本设计

　　功能测试用例描述了对在线监测IED各项功能的测试步骤和预期结果，人工测试方法通常由测试人员根据测试用例中的步骤，逐步执行测试并将实际结果与预期结果进行比较。本文方法使用自动化测试脚本代替人工控制测试的自动执行。

　　基于可扩展标记语言(XML)，专门为在线监测IED功能测试设计了一种脚本描述语言。每个功能测试用例都生成与之对应的测试脚本。为了避免重复工作，启动测试环境，执行通信测试和检查测试结果等功能采用了模块化思想，将相同的操作抽象出来，定义为自动化测试语言的脚本元素，不同的脚本元素定义到相应的空间中。不同功能的测试用例使用各自空间中的脚本元素，组成自动化测试脚本。在线监测IED自动化测试脚本元素如表2所示。

　　3.2功能测试用例生成测试脚本

　　3.2.1功能测试用例存储

　　自动化测试系统读取数据库中的在线监测IED功能测试用例，根据其对应的测试序列及用户提供的测试输入数据生成测试脚本。功能测试用例存储结构如表3所示。

　　在线监测IED各个功能的实现需要调用多个通信服务来完成，创建测试序列表(见表4)存储对应的通信服务命令，并创建测试用例—序列表(见表5)存储测试用例与序列的多对多关系。

　　3.2.2测试脚本生成

　　以在线监测IED的监测数据上传功能为例，分析测试用例生成测试脚本的过程。其脚本流程如图2所示。

　　1)读取测试用例表中记录，根据输入数据参数在脚本中定义相应的变量，并根据测试员提供的数据初始化变量，如图2中①所示。

　　2)查找测试用例对应的测试序列，并按照执行顺序排列。监测数据上传功能的测试序列为关联、读报告控制块、设置报告触发方式、写报告控制块、开始报告和暂停报告，如图2中②和③所示。测试序列的通信服务参数在测试序列表中定义，并根据参数名称查找脚本中定义变量，使用或设置其值。对于定义了执行时间的测试序列，在脚本中使用timer元素进行定义。

　　3)根据测试用例定义的预期结果，在测试序列执行之后定义、收集相应结果的脚本描述，如图2中④所示。

　　使用测试序列表存储测试控制信息，并结合测试人员输入数据生成测试脚本，实现了测试逻辑与测试数据的分离。对于监测数据上传功能测试用例，通过对报告ID和报告控制块变量赋予不同的值，即可实现状态量和模拟量监测数据在数据变化、品质变化、周期性上传和总召唤等不同触发方式下的上传功能测试。

　　3.3自动化测试引擎设计

　　在线监测IED自动化测试引擎负责整个测试的流程控制，各测试步骤分别由接入的组件完成。自动化测试脚本由测试引擎提供的统一入口输入，集中控制所有测试组件的行为，从而实现自动化测试。测试引擎架构如图3所示。测试引擎采用开放式接口设计，只实现了测试的流程控制，通过接口方式调用脚本解析、客户端通信和结果分析组件。该设计保持了测试引擎的独立性，同时符合开发接口的组件能够相互替换，保证测试引擎的扩展性。测试引擎核心组件的功能如下。

　　1)测试脚本解析组件解析XML格式的测试脚本。首先在程序中初始化脚本中定义的变量，并以键值对格式存储变量名称和变量值;其次解析脚本中的预期结果描述，生成测试结果分析规则;最后根据脚本中定义的测试用例、测试序列等逻辑控制元素在程序中生成方法调用，调用的顺序与测试逻辑的定义顺序一致。结合测试序列中的通信服务名称和通信参数，利用计算机程序语言中的反射机制调用客户端通信组件进行通信测试。

　　2)客户端通信组件实现ACSI服务到制造报文规范(MMS)协议的映射，提供标准的ACSI接口，被测试引擎调用完成与被测在线监测IED通信。3)测试引擎收集被测在线监测IED发出的响应报文，交由测试结果分析组件，进行响应报文分析并生成测试报告。测试结果分析组件通过结果分析规则逐一对比响应报文中的内容，满足全部规则即测试通过。对于监测数据上传功能的测试，表6给出了结果分析规则。

　　监测数据的报告方式与设置的触发方式相同测试结果分析组件利用反射机制，根据分析规则中定义的变量名称，分别获取响应报告(report)和报告控制块(rcb)中的变量进行对比，生成测试报告。4在线监测IED自动化测试系统及测试实验

　　4.1在线监测IED自动化测试系统

　　在线监测IED自动化测试系统由展示层、测试

　　1)展示层为图形用户接口，提供测试配置、功能测试项选择以及测试报告展示模块。测试配置模块完成被测在线监测IED以及客户端通信模拟器的接入、模型导入等配置功能;功能测试项选择模块完成被测IED功能测试用例的选择和执行;测试报告以数据表形式展示。

　　2)测试层实现自动化测试功能。测试脚本解析与执行模块将数据库存储的测试用例转换为自动化测试脚本，提交测试引擎执行;测试记录维护模块以数据库形式存储测试过程;测试结果收集与分析模块收集测试结果，分析和汇总后提交展示层处理。

　　3)仿真层包含整个测试系统的基础软件。数据库用于存储测试系统的持久化数据;测试引擎执行测试脚本;客户端通信模拟器模拟与被测在线监测IED的通信，并收集响应报文提交测试层处理。

　　4.2在线监测IED自动化测试实验

　　4.2.1测试实验环境通过研发的在线监测IED模拟器、客户端通信模拟器和自动化测试系统，构建测试实验环境，如图5所示。图中PDU表示协议数据单元。

　　PC机1上运行在线监测IED模拟器，加载监测模型文件。PC机2上运行在线监测IED自动化测试系统。自动化测试系统能够建立多个客户端通信模拟器，同时向在线监测IED发送服务请求，测试其功能，并收集响应报文，分析测试结果。

　　4.2.2测试过程与结果

　　在上述实验环境下，以变压器在线监测IED的油中溶解气体分析(DGA)监测数据上传功能测试为例，DGA模拟量监测数据模型如表7所示。

　　1)配置两台PC机上的在线监测IED模拟器和客户端通信模拟器的IP地址、模型文件、IED名称、访问点名称以及数据映射文件。

　　2)使用在线监测IED自动化测试系统选择监测数据上传功能测试用例，并选择测试DGA模拟量数据的总召唤上传方式，执行该测试用例，生成的自动化测试脚本见附录A图A1。

　　3)自动化测试系统执行该测试脚本，依据脚本调用客户端通信模拟器向在线监测IED发出开启总召唤请求并开启报告使能，测试过程见附录A图A2。由附录A图A3所示测试结果表明，该自动化测试方案对于验证在线监测IED的功能可行。

　　5结语

　　本文提出了在线监测IED的自动化测试方法，并设计了测试系统。通过客户端通信模拟器、测试脚本生成工具、测试引擎、数据库等组件集成，实现了在线监测IED的自动化测试。该方法不仅提高了测试效率，而且有助于基于测试结果对在线监测IED进行改进，对基于IEC61850标准的IED的研发和测试具有重要的参考价值。今后将继续改善测试脚本的生成和执行性能，进一步开展性能测试方法的研究。

　　参考文献

　　[1]国家电网公司.智能变电站一体化监控系统功能规范[S].2011.

　　[2]国家电网公司.智能变电站一体化监控系统建设技术规范[S].2011.

　　[3]马义，郑建勇，梅军，等.基于IEC61850的SF6断路器在线监测系统的信息建模及通信实现[J].电力自动化设备，2010，30(2)：131-134.MAYi，ZHENGJianyong，MEIJun，etal.InformationmodelingandcommunicationofSF6circuitbreakeron-linemonitoringsystembasedonIEC61850[J].ElectricPowerAutomationEquipment，2010，30(2)：131-134.

　　[4]陈安伟，乐全明，张宗益，等.智能变电站一次主设备在线监测系统工程实现[J].电力系统自动化，2012，36(13)：110-114.CHENAnwei，YUEQuanming，ZHANGZongyi，etal.Engineeringapplicationofprimaryequipmentson-linemonitoringsysteminsmartsubstation[J].AutomationofElectricPowerSystems，2012，36(13)：110-114.