一种闭环设计的IEC 61850一致性测试系统*

郑永康，魏博渊，张云华，刘明忠，蔡骥然，高磊，卜强生

（1.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610000；2.许继电气股份有限公司，河南 许昌461000；3.国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京210000）

0 引 言

一致性测试试验是确定被测对象与相关标准一致的重要手段［1］。通常利用一组测试用例序列，在一定的网络环境下，对被测对象进行黑盒测试［2－3］，通过比较实际输出与预期输出的异同判定被测对象与协议描述的一致性［4］。

IEC 61850一致性测试是智能电子设备（Smart Electronic Device，IED）互操作测试和性能测试的基础，也是智能电网中产品质量保证链的重要环节，是保障智能变电站IED质量的重要方法［5］。通常是由被测IED、一致性测试软件系统组成，其中一致性测试软件系统可包含上百个测试用例。由于一致性测试是判断IED与IEC 61850标准一致性的决定判据，因此一致性测试系统的严谨性、全面性以及可靠性，将直接关系到IED产品的质量和效能［6］。

目前，在IEC 61850的一致性测试中，尚存在下列问题［7-12］：（1）被测IED和测试软件系统之间没有形成闭环，测试过程中需要测试人员手动变化多种物理量；（2）现有的部分测试用例尚不能自动判断，需要人为干预，依据通信报文和操作日志进行人工测定。

针对现阶段IEC 61850一致性测试技术中存在的上述缺陷，提出了一种基于闭环的IEC 61850一致性测试系统，给出了测试系统的总体结构，研究了一致性测试系统的软件平台和硬件平台，提出了基于闭环的一致性测试方法，即通过程序自动判别测试用例的方法杜绝了人工干预，从而提高一致性测试的测试效率，加强一致性测试的可信度和严谨性。

1 常见的IEC 61850一致性测试系统

IEC 61850一致性测试主要是验证IED通信接口与IEC 61850标准要求的一致性，其包括正向测试用例集合和反向测试用例集合［13］。IEC 61850-10即一致性测试部分的根本目的是使制造商和用户也能客观评价所测试的设备（或系统）支持IEC 61850标准的情况。通常用测试系统或模拟器对单个设备进行独立测试，常见IEC 61850一致性测试结构如图1所示。

图1 常见IEC 61850一致性测试系统结构Fig.1 Common conformance testing structure on IEC 61850

图1中，被测设备（如保护或智能控制设备等）的一致性测试过程如下：

通常用一个通信仿真器作为一个IEC 61850客户端，通过以太网向被测设备请求发送并记录和处理结果信息。通信仿真器通常采用某公司UniCAsim 61850 simulator［14］。

被测设备的辅助试验可由另外的一个设备仿真器提供，包含电流电压互感器和仿真开关，进行环境仿真，并与通信仿真器互相通信。通常采用Omicron公司的 CMC Test Set等［15］。

通常使用一个网络分析仪来监控测试过程中出现的错误，并分析所得检测结果。网络分析仪能够采集并分析以太网上IEC 61850的信息流量，此外用于记录网络事件、监控网络安全以及建立连接并检验系统配置等。分析仪在鉴别和最小化互操作危险方面有重大作用，一般采用某公司的UniCA 61850 Analyzer，其在以易读格式显示通信包的同时，兼具分析和报告错误的功能［16］。

最后，应配置一个时钟同步装置用来对一致性测试系统中各个设备的时间进行同步。以上设备组成IEC 61850一致性测试的框架结构。若被测设备作为客户端运行，则通信仿真器将作为仿真服务器的角色运行；若被测设备作为服务器运行，则通信仿真器将用作仿真客户端以测试其要求的通信功能。

2 一致性闭环测试系统设计

2.1 总体结构设计

传统的IEC 61850一致性测试系统被测设备和测试软件系统之间没有形成闭环，测试用例不能自动判断，仍需人工干预，影响了测试的全面性，无法完全保障被测设备的一致性水平。

基于闭环的IEC 61850一致性测试系统，主要包括一致性测试软件平台、一致性测试硬件平台以及被测试设备。其中，一致性测试软件平台通过以太网与一致性测试硬件平台和被测试设备分别相连，一致性测试硬件平台则通过光纤以太网以及电缆与被测试设备相连，所述的三个部分即形成闭环的测试环境，如图2所示。

图2 IEC 61850一致性闭环测试结构示意图Fig.2 Schematic diagram of closed-loop conformance testing structure based on IEC 61850

图2中，一致性测试软件平台整合了通信仿真器、分析仪、时间控制器的功能，一致性测试硬件平台则替代了设备仿真器的功能，同时具有八组GOOSE／SV物理端口。

基于闭环的IEC 61850一致性测试总体思路为：一致性测试软件平台直接与被测试设备交互，进行报告服务、控制服务、定值服务等测试；GOOSE服务、SV服务等测试用例的执行过程中，常规物理量或者数字化物理量的触发则由软件平台通过内部协议传递至硬件测试平台，之后由硬件测试平台与被测设备交互，进而完成测试。其典型流程为一致性测试软件平台读取测试用例，向一致性测试硬件平台发出测试信号，一致性测试硬件平台模拟出被测设备的仿真环境，并输出给被测设备，被测设备接收响应后，回送MMS报文，由一致性测试软件平台接收并自动判别，分析并得出测试结果后继续下一个测试用例，从而形成了闭环连续测试。

2.2 测试系统硬件平台设计

一致性测试硬件平台的主要用于为被测设备提供模拟环境的仿真，可为被测设备具体提供GOOSE／SV数字信号输出以及常规开入开出功能，从而满足不同类型智能设备测试的需求。

一致性测试硬件平台由多块站控层过程层一体化通信板卡、常规开入开出板卡、内部以太网高速通道组成，同时支持通信板卡的灵活增减和分布式管理。

站控／过程层一体化通信板卡是集通信编解码、通信接口、通信管理、参数配置、人机接口多种功能于一体的板卡，同时满足与被测试设备的站控层和过程层通信的需求，采用DSP和ARM双核处理器、FPGA、网路交换芯片的硬件架构，并采用Linux2.6、QT、Sqlite数据库、虚拟内存、虚拟CAN的软件架构。

常规开入开出板卡通过传统电缆与被测试设备连接，用于获得被测试设备的开入状态，并输出控制节点到被测试设备。其主要应用于被测试设备仍有传统开入和开出的场合，例如数字化二次设备的检修硬压板的投退等。内部以太网高速通道可将各个硬件板卡通过内部以太网进行互连互通，为内部数据的以太网交互提供支持。

2.3 测试系统软件平台设计

一致性测试软件平台的主要功能为根据被测设备的角色，设定客户端模式或服务器模式，并通过以太网通信向一致性测试硬件平台发出测试用例相关控制信息，由一致性测试硬件平台生成各种模拟测试环境。

一致性测试软件平台同时用于记录和处理被测设备的反馈测试结果信息以及监控测试过程中出现的错误、采集并分析以太网上IEC 61850的信息流量、记录网络事件、监控网络安全以及建立连接并检验系统配置等。

一致性测试软件平台采用Python语言编写，由QT环境、Python环境、测试用例脚本、内部通信库、MMS通信库组成。QT环境是Python、测试用例、各类通信库的协同环境容器，支持跨平台快速移植，包括人机界面、全局测试参数、脚本管理、模型管理、测试结果输出、警告结果输出等。

Python语言又被称为“胶水语言”，具有丰富强大的库的同时，也可以调用其他语言制作的各种模块。软件平台借助Python语言的高扩展性，将IEC 61850的各个测试子项进行独立模块化编程。这一架构可以允许使用者在进行一致性测试时对测试子项进行灵活组合，以提高测试的多样度和效率。同时，开放的Python平台可以允许用户自行编写额外的测试脚本，提高一致性测试平台的灵活性和兼容性。

软件平台算例的一个典型执行过程为：执行所选算例后，一致性软件测试平台根据算例程序要求调用内部通信库与一致性测试硬件平台进行通信，在一致性测试硬件平台的协助下（主要是SV报文和GOOSE报文的通信），与受测设备进行通信或工作状态模拟，之后截取受测设备返回的相关报文，并与相关标准要求进行对比，对于MMS报文，软件平台可以直接调用MMS通信库与受测设备直接通信。完成一次典型的闭环测试，进而自动得出测试结论，无需人工干预。

3 一致性闭环测试方法

基于闭环的IEC 61850一致性测试典型流程如图3所示。

典型一致性测试的主要步骤如下：

（1）标准测试用例的搭建。根据通信库函数、封装函数和IEC 61850-10的正反向测试逻辑，在一致性测试软件平台的人机界面编写测试方法，形成测试用例库；

（2）扩展测试用例的搭建。根据通信库函数、封装函数和国内智能电网标准的正反向测试逻辑，在一致性测试软件平台的人机界面编写测试方法，形成扩展测试用例库，作为标准测试用例库的补充；

图3 IEC 61850一致性闭环测试方法流程图Fig.3 Flowchart of closed-loop conformance testing method based on IEC 61850

（3）测试用例的读取解析。一致性测试软件平台的人机界面可进行读取测试用例的语法语义错误信息、解析脚本逻辑、记录测试逻辑的步骤日志、调用内部通信库和IEC 61850通信库函数等操作。根据测试用例的类型，进行站控层相关用例或过程层相关用例的分类执行；

（4）站控层相关测试用例的执行。如模型服务、连接服务、控制服务、报告服务、定值服务、文件服务等，由一致性测试软件平台直接与被测试设备交互，被测设备反馈被测结果的方式进行；

（5）过程层相关测试用例的执行。如GOOSE服务和SV服务等，由一致性测试软件平台首先通过内部协议与硬件测试平台通信，令硬件测试平台模拟仿真环境，通过GOOSE和SV协议与被测试设备交互，进而获取被测设备的反馈结果；

（6）测试用例的结果判断。程序依据测试中间结果、测试报文交互等信息，自动判别测试结果，并对一致性测试不合格结果进行记录；

（7）测试用例的结果输出。一致性测试软件平台将各个测试用例的执行结果形成输出单，得到一致性测试报告。

4 结束语

论文总结了智能变电站常用的IEC 61850一致性测试平台存在的不足，提供了一种基于闭环的IEC 61850一致性测试系统的总体结构，并进行了一致性测试软件平台和硬件平台的的设计，给出了基于闭环的一致性测试系统的测试方法。

针对智能变电站IED的一致性测试需求，通过闭环测试系统令程序自动判别测试用例结果，同时增加国内规范的测试用例，该闭环测试系统减少了一致性测试的人工操作环节，从而提高测试效率和质量。测试用例覆盖IEC 61850标准的全部服务和国内重要规范的技术要求，并可由用户自行设计更多扩展用例，提高了国际标准的测试全面性和国内标准的执行力，为一致性测试在国内的广泛推广奠定了技术基础。