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[电气施工]电力规约通用测试方法的研究
[电气施工]电力规约通用测试方法的研究         ★★★
浏览: 更新时间:2015/8/29 15:03:36

随着变电站自动化技术的不断发展,现代电网结构日趋复杂,实时信息传送量成倍增多,对数据通信提出了更高的要求。变电站自动化系统的传输规约和传输网络的标准化,是实现可靠快速通信的保证。

  变电站的通信网络已经实现了从早期的RS485到现场总线,再到以太网的进步,相应的就有CDT、IEC60870-5-101、103、104等多种通信规约。为了能够在各种自动化系统内部准确、快速地收集、处理并传送各种实时信息,国际标准化组织已经制定了一个统一的标准《IEC 61850变电站通信网络和系统》1。该标准是今后电力系统无缝通信体系的基础,将得到日益广泛的应用,但在很长一段时间,电力系统的多种通信规约共存,要求在测试方面,能有较为通用的技术和方法。

  本文结合电力通信规约IEC61850及IEC60870的应用及测试特点,提出了通用测试策略和方法研究,在节省人力物力,灵活优化配置各种测试资源,长期、及时地满足产品规约测试需求。以及达到规范性方面都是大有裨益的。

  1 我国电力行业通信规约现状及发展

  1.1 我国电力行业通信规约应用现状

  目前,电力系统的通信规约种类很多,有国际标准、国家标准,也有行业标准。经常使用的主要有:部颁CDT循环通信协议、DNP3.0通信协议、MODBUS通信协议、IEC60870-5系列、IEC61850标准等。这些规约被多个厂家的产品使用,常出现在同一个变电站中。

  1.2 IEC61850通信标准将广泛应用

  IEC61850《变电站通信网络和系统》标准已于2005年5月份全部出版完毕,目的是想实现不同厂商产品之间的互操作性。国内外各大电力公司、研究机构都在积极调整产品研发方向,力图和新的国际标准接轨,以适应未来的发展方向。而电力自动化产品是否符合IEC 61850标准,以及如何来判断产品是否符合标准,这就要用到IEC 61850中的第十部分《一致性测试》。

  1.3 多种通信规约近期将在电力行业共存

  从长远看,IEC61850标准终将取代原有的通信协议,但由于下列因素的存在,必然存在过渡期:

  (1) 实现IEC61850的开发难度很大,不同厂家的研发水平存在差异,一定会有IEC61850系统与非IEC61850系统共存的过渡阶段;

  (2) 正在使用的非IEC61850系统,经过长期的运行和维护,较为稳定,不宜变动。进行扩建、改造等工作时,需要支持IEC61850的系统和现役的系统进行接口,也可能延用原系统的通信方式。

  所以,在很长一段时间,电力系统的多种通信规约将共存,在测试方面,通用的技术和方法是很有必要的1。

  2 通信规约的测试通用性研究

  本文以广泛应用的IEC60870系列标准、IEC61850标准为例,分析其特点及测试方法,寻求通用的测试技术。

  2.1 IEC60870通信规约的特点及测试方法

  IEC60870系列通信标准分5篇,着重于远动设备及系统的通信传输。其内容包括:传输帧格式、传输链路规则、应用数据的一般结构、应用信息元素定义和编码和基本应用功能。IEC60870系列标准的配套标准,如IEC60870-5-103《继电保护设备信息接口配套标准》等,可以适应电力自动化系统中各种网络配置和各种传输模式的需要。

  IEC60870-5系列通信规约的一致性测试起始于欧洲的KEMA咨询公司。国内的DL/Z 634.56-2004《远动设备及系统第5-6部分IEC60870-5规约系列测试规则》指导性文件,描述了101规约、103规约和104规约的测试方法,针对物理层、链路层和应用层,有具体的测试用例,例如:

  (1) 物理层的检验项目包括字节格式和传输速率是否正确;

(2) 链路层的检验项目有FT1.2帧格式是否正确,以及传输规则是否满足;

  (3) 针对具体ASDU的检验,包括:在监视方向的过程信息ASDU的检验,在控制方向的过程信息ASDU的检验,在监视方向系统命令ASDU的检验,在控制方向系统命令ASDU的检验,在控制方向参数命令ASDU的检验,在监视方向和控制方向的文件传输ASDU的检验;

  (4) 基本应用功能检验,包括:站初始化,循环数据传输,站召唤,时钟同步等;

  (5) 远动数据正确性的检验,包括:遥测、遥信、累计量数据是否正确,遥控、遥调、设点执行是否正确,以及对时数据是否正确。

  通信规约的测试方法,主要是软件体系,其结构如图1所示。

  图1 IEC60870-5通信规约的测试结构

2.2 IEC61850标准的特点及测试方法

  IEC61850标准是基于通用网络通信平台的变电站自动化系统的唯一国际标准,其具有一系列的优点:采用抽象通信服务接口ACSI、特定通信服务映射SCSM以适应网络技术迅猛发展的要求;采用对象建模技术,面向设备建模和自我描述以适应应用功能的需要和发展,满足应用开放互操性要求;快速传输变化值;传输采样测量值等。并制定了变电站通信网络和系统总体要求、系统和工程管理、一致性测试等标准3。

  IEC61850-10中定义,装置的一致性测试,要根据模型实现一致性陈述MICS,协议实现一致性陈述PICS和协议实现额外信息PIXIT,做测试内容和参数的选择。

  一致性测试的要求分为静态一致性要求和动态一致性要求,MICS文件详细说明了由系统或设备支持的标准数据对象模型元素。MICS在变电站配置描述SCD文件中实现2。

  PICS文件是被测设备通信能力的汇总,对于不同的特定通信服务映射SCSM,应定义具体的PICS,PICS用于三种目的:适当的测试组合的选择;保证执行适合一致性要求的测试;提供检查静态一致性的基础2。

  PIXIT文件是用于测试的协议实现额外信息。在测试过程中,需要一些预先设定的参数来配合装置的运行。一致性测试的过程如图2所示2。

 

  图2 一致性测试过程

2.3一致性测试的架构

  IEC61850一致性测试环境如图3所示。应使用恰当定义的测试用例进行动态性能的测试。为测试通信能力必需生成报文信息。可以使用硬件激励(触点、电压、电流等等)以及来自串行链路的激励,也可以用软件模拟硬件设备的返回信息。

  图3 测试系统结构示意图

3 通用测试策略及方法

  3.1 通用测试系统的研究

  由以上的研究可知,常用的电力系统通信规约在测试方面一些共同的特点,例如针对具体的应用功能,测试系统运行测试用例,根据抓取的报文进行分析,得出结论。所以,可以研制一套测试系统,在此平台上能够对电力系统常用的通信规约给出一致性测试的报告,建立电力规约通用测试环境,灵活优化配置各种测试资源,能长期、及时地满足产品规约测试需求。先以IEC61850标准为例,进而扩展到其他规约,如IEC60870-5系列等。典型电力规约通用测试结构图见图3。

  图3 典型电力规约通用测试结构

  1. 仿真系统

  指能提供被测设备输入所需的仿真数据的系统,可以是一台具体嵌入式装置,也可以是一个带仿真软件的PC机。

  本测试系统的仿真系统分三种

  (1) 数字仿真装置,提供被测Server设备的现场模拟信号的输入;

        (2) 运行于PC机的软件包,为站控层Server设备提供模拟通讯功能;

  (3) 运行于PC机的软件包,为监控系统或Client设备提供模拟通讯功能。

  2. 分析系统

  分析系统分Server服务分析系统与Client服务分析系统。通过控制仿真系统,使用各种模拟报文,与被测设备进行通讯,对被测设备的反馈通讯报文分析,最后给出报告。Server服务分析系统的结果正确性判断可以是自动实现,是闭环测试;Client服务分析系统的结果正确性判断由人工实现,是开环测试。

  3. 测试用例

  测试用例由组态程序事先配置,也可直接从实际运行系统或测试系统的通讯数据中记录得到。其中正向测试用例是对被测设备提供正常通讯数据的功能测试,反向测试是对被测设备的容错、性能等相关的测试。仿真系统模拟异常通讯状况,用大数量或异常报文来测试。

  3.2 系统架构及测试用例设计

  1. Server服务测试

  IEC61850的Server服务测试架构如图4所示。在Server服务分析系统中载入不同的测试用例,分析系统控制MU仿真系统为被测设备提供U、I等实时电力数据同时控制Clent仿真系统与被测的Server端设备通讯,分析系统根据测试用例的内容以及网络报文自动给出测试结果评估。

  图4 IEC61850 Server服务的测试架构

被测装置的控制输出目前国内主要有两种,一是直接控制输出,一种是通过智能操作箱,目前由智能操作箱的控制输出没有标准(多采用自定义的Goose输出),因此为测试需要,智能操作由各被测设备厂家自行提供。

  测试内容以IEC61850-10部份为准,待《中国数字化变电站工程实施规范》或相关规范制定后再增加新的内容,采用闭环测试手段。

  站控Client仿真系统,提供了一个脚本运行的平台,针对不同装置的PICS和MICS,可以自行挑选测试脚本,甚至可以根据用户的要求,编写新的测试脚本。在通信规约的反向测试方面,可根据现场测试的需求,做到更加完善。

  在测试用例的编写中,要考虑组合测试,例如报告和控制服务的组合,测试其是否能保持规定的性能,以及对于IEC61850-10中的反向测试的扩充。

Server服务的测试,在面向ACSI服务模型的基础上,利用电力系统数字仿真,模拟出变电站的现场运行环境,构成一个闭环的测试,不仅测试了装置利用61850标准进行通信的功能,也可以测试性能是否满足要求,例如重合闸功能,对于goose的软闭锁。Server测试数据流如图5所示。

  图5 Server服务测试数据流

  2. Client服务测试

  IEC61850的Client服务测试架构如图6所示。Client测试系统提供测试仿真用例管理,测试人在测试系统中先选择测试用例,测试系统将自动为Server仿真系统提供仿真模型及数据,然后给出一个测试结果表格,由测试人根据被测的Client系统中测试结果填写,最后给出测试报告。

  图6 IEC61850 Client服务的测试架构

  通常由于Client服务通常不提供外部编程接口,分析系统无法得知测试结果,因此主要采用开环测试手段。Client测试数据流如图7所示。

  图7 Client服务测试数据流

  4 总结

  综上所述,本测试系统,符合IEC61850及IEC60870标准对于一致性测试的要求,并具有通用性和灵活性,用例管理和仿真系统模块是通用的,而对于不同通信规约,需要灵活配置或者增减测试用例,还有其编辑,用例组合等功能。本测试系统的完成和完善,可以使规约测试越来越规范化,提高规约实现的一致性。


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