配電自動(dòng)化設(shè)備通信協(xié)議的一致性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐 明 胡 勇 何霄鵬 吳冬松 柳開祿

（深圳市金宏威技術(shù)股份有限公司，廣東 深圳 518057）

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等方面制定了一系列的電網(wǎng)核心標(biāo)準(zhǔn)。其中 IEC60870系列已被列入了智能電網(wǎng)首批核心標(biāo)準(zhǔn)[1]。在智能配網(wǎng)建設(shè)中，IEC60870-5-101和IEC60870-5-104作為配電網(wǎng)設(shè)備間的通信標(biāo)準(zhǔn)得到廣泛應(yīng)用。我國已等同采用出版 DLZ 634.5101-2009、DLZ 634.5104-2009標(biāo)準(zhǔn)，各地區(qū)也相繼頒布了 101/104的規(guī)約細(xì)則，如南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，廣東、廣西等。這些細(xì)則的內(nèi)容各有差異，因而在配電自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)過程中，設(shè)備間通信的一致性及互操作性難以保證。為了提高配電自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備間通信的標(biāo)準(zhǔn)化，很有必要對(duì)通信協(xié)議采用有效的方法來進(jìn)行測試，以保證協(xié)議的一致性及互操作性。當(dāng)前有關(guān)協(xié)議測試的文獻(xiàn)中，大多集中在負(fù)控、繼電保護(hù)規(guī)約方面[2-4]，對(duì)配電自動(dòng)化設(shè)備間 101、104規(guī)約的一致性測試內(nèi)容及方法缺乏描述。

本文通過研究 IEC60870標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 101、104協(xié)議一致性測試要求和測試系統(tǒng)給出測試系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，使用UML(Unified Modeling Language)進(jìn)行軟件架構(gòu)和軟件組成設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，針對(duì)一致性測試所規(guī)定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測試給出相應(yīng)的測試方法。

1 配電自動(dòng)化及IEC60870一致性測試

1.1 配電自動(dòng)化

配電自動(dòng)化系統(tǒng)是使配電企業(yè)在遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)測、協(xié)調(diào)和操作配電設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本SCADA以及故障判斷隔離恢復(fù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等功能。配電自動(dòng)化設(shè)備包括FTU、DTU終端單元、子站和主站等，自動(dòng)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在終端單元、子站與主站之間通過101或者104協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在目前配電自動(dòng)化的運(yùn)行現(xiàn)場中，104較多的使用以太網(wǎng)、光纖等方式通信，非平衡101使用RS232、RS485方式通信，平衡式101使用GPRS/CDMA[10]方式通信。

1.2 IEC60870一致性測試[11-12]

IEC 60870-5系列文件對(duì)一致性測試做出了技術(shù)指導(dǎo)。我國等同采用并出版相應(yīng)的文件。文獻(xiàn)[11]給出了一致性測試的基本概念：一致性測試按照適用的測試計(jì)劃進(jìn)行測試以驗(yàn)證設(shè)備的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，包括了協(xié)議的物理層和鏈路層規(guī)則、ASDU/APDU、基本應(yīng)用功能等。并明確定義了并一致性測試要求、方法及測試結(jié)果，并對(duì)測試內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的描述。（按照這個(gè)順序講）一致性測試要求分為靜態(tài)一致性測試要求和動(dòng)態(tài)一致性測試要求。靜態(tài)一致性測試要求對(duì)其靜態(tài)一致性進(jìn)行審查，包括選擇和參數(shù)。動(dòng)態(tài)一致性測試要求對(duì)基本互聯(lián)測試，能力測試、行為測試提出測試要求。這些測試的內(nèi)容均由 PICS（protocol implementation conformance statement協(xié)議實(shí)現(xiàn)一致性陳述）和 PID（protocol implementation document 協(xié)議實(shí)現(xiàn)文件）進(jìn)行詳細(xì)的定義。PICS給出明確的測試設(shè)備或系統(tǒng)相應(yīng)測試集，規(guī)定強(qiáng)制測試項(xiàng)和任選測試項(xiàng)。PICS是PID的一部分，PID以PICS為基礎(chǔ)并擴(kuò)充附加的系統(tǒng)特定要求。

一致性測試的方法是用一致性測試系統(tǒng)或模擬器的單個(gè)測試源測試單個(gè)設(shè)備，一致性測試包含肯定測試和否定測試。

一致性測試內(nèi)容包括測試計(jì)劃和測試項(xiàng)目。測試項(xiàng)目包括物理層和鏈路層測試、信息元素測試、APCI（application protocol control informat應(yīng)用規(guī)約控制信息）測試、ASDU（application service data unit應(yīng)用數(shù)據(jù)服務(wù)單元）測試和基本應(yīng)用功能測試。測試計(jì)劃是對(duì)以上測試項(xiàng)目有選擇的測試順序。經(jīng)過一致性測試，需要給出一致性測試報(bào)告。

2 一致性測試系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

測試系統(tǒng)具有測試主站、子站和終端設(shè)備的功能，測試協(xié)議包括 101和 104。依據(jù)配電自動(dòng)化設(shè)備通信協(xié)議及其一致性測試的要求，軟件功能主要包括：參數(shù)配置、制定測試計(jì)劃、幀測試、ASDU測試、應(yīng)用功能測試，正常測試錯(cuò)誤測試功能，測試過程可控功能，輸出測試結(jié)果和界面顯示。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)，分別為設(shè)備層、通信層和測試層。系統(tǒng)的硬件由被測設(shè)備、串口服務(wù)器、以太網(wǎng)交換機(jī)以及測試主機(jī)組成。測試主機(jī)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)及測試軟件構(gòu)成，測試軟件安裝在測試主機(jī)上進(jìn)行被測設(shè)備的一致性測試。被測設(shè)備與測試主機(jī)之間通過串口、以太網(wǎng)絡(luò)或GPRS/CDMA無線方式鏈接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一致性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 軟件架構(gòu)

依據(jù)功能要求軟件劃分為 101主站端、104客戶端、101廠站端、104主站端。101主站端和104客戶端模擬主站用以測試終端及子站設(shè)備，101廠站端和104主站端模擬子站用以測試主站設(shè)備。本文采用UML[10]進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)

2.4 軟件組成

軟件基于組件方式實(shí)現(xiàn)。主要由主程序、實(shí)時(shí)庫類、通道組件、規(guī)約組件、各顯示窗口及配置文件組成。軟件組成及調(diào)用關(guān)系如圖3所示。

主界面程序：參數(shù)配置、測試計(jì)劃，控制測試的啟停、測試運(yùn)行方式，并調(diào)用管理類進(jìn)行測試。控制顯示測試計(jì)劃窗口，報(bào)文分析窗口、錯(cuò)誤報(bào)文窗口、實(shí)時(shí)值窗口等，并輸出測試結(jié)果等。

圖3 軟件組成及調(diào)用關(guān)系

管理類：軟件核心類，調(diào)用規(guī)約組件、通道組件、實(shí)時(shí)庫。根據(jù)測試計(jì)劃和報(bào)文交互對(duì)測試設(shè)備的通信一致性進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等內(nèi)容以一定的格式寫入實(shí)時(shí)庫。

實(shí)時(shí)庫類：緩存測試報(bào)文及結(jié)果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)等信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容主要包括接收到測試設(shè)備的遙測、遙信的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值，品質(zhì)、刷新時(shí)間；SOE、YX變位、YC越限、遙控等數(shù)據(jù)，并以隊(duì)列的形式存放。模擬數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)生成的遙測數(shù)據(jù)、遙信變位、SOE數(shù)據(jù)等，用于測試主站時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)庫類提供以上各類數(shù)據(jù)的讀、寫接口。

通道組件：抽象組件，提供數(shù)據(jù)交互的讀寫接口。程序根據(jù)通道的配置實(shí)例化出不同的實(shí)例化通信組件與測試設(shè)備進(jìn)行物理通信。包括串口、TCP/IP、GPRS/CDMA等通信組件。

規(guī)約組件：抽象組件，提供解析規(guī)約報(bào)文及交互過程接口?？蓪?shí)例化出具體的國網(wǎng)、南網(wǎng)、廣東等特定101、104規(guī)約組件。程序根據(jù)測試配置調(diào)用相應(yīng)的實(shí)例化規(guī)約組件按照一定的規(guī)約進(jìn)行信息交互。

數(shù)據(jù)顯示窗口：包括報(bào)文分析窗口、告警窗口、錯(cuò)誤報(bào)文窗口、實(shí)時(shí)值窗口等。這些窗口從實(shí)時(shí)庫獲取相應(yīng)信息并顯示。報(bào)文分析窗口取得實(shí)時(shí)通信報(bào)文并對(duì)之進(jìn)行每個(gè)字節(jié)、位的含義解析。告警窗口顯示SOE、遙信變位、遙測越限等。錯(cuò)誤報(bào)文窗口顯示通過分析得出的錯(cuò)誤的報(bào)文和錯(cuò)誤之處。實(shí)時(shí)值窗口顯示當(dāng)前接收或發(fā)送的遙測遙信的實(shí)時(shí)值。

3 測試方法

3.1 測試內(nèi)容的定義

系統(tǒng)將測試項(xiàng)內(nèi)容分為數(shù)據(jù)項(xiàng)和過程項(xiàng)的測試，并選擇各測試項(xiàng)內(nèi)容制定測試計(jì)劃。

1）數(shù)據(jù)項(xiàng)

數(shù)據(jù)項(xiàng)測試包括標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有信息元素

APCI、ASDU。數(shù)據(jù)項(xiàng)的測試根據(jù)數(shù)據(jù)幀及其包含的每個(gè)八位組的含義進(jìn)行有選擇的測試。圖4（a）顯示了南網(wǎng)101規(guī)約初始化結(jié)束幀的測試內(nèi)容。測試內(nèi)可變結(jié)構(gòu)限定詞、數(shù)據(jù)單元公共地址、信息體地址及初始化原因的正確性，并對(duì)初始化原因作具體測試。

2）過程項(xiàng)

過程項(xiàng)測試包括初始化、總召、組召、對(duì)時(shí)、事件采集、遙控、設(shè)定值等101、104標(biāo)準(zhǔn)中要求的應(yīng)用測試。每個(gè)過程項(xiàng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的定義分解為詳細(xì)的交互步驟，以此對(duì)每個(gè)過程項(xiàng)交互的正確性進(jìn)行判斷。圖4（b）顯示了一個(gè)單點(diǎn)遙控過程的測試內(nèi)容。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將單點(diǎn)遙控過程分解為如圖所示的五個(gè)步驟，根據(jù)發(fā)送或收到的報(bào)文類型判斷每一步操作的正確性，并以此判斷單點(diǎn)遙控過程的正確性。

圖4 測試項(xiàng)的定義

3.2 運(yùn)行方式

系統(tǒng)運(yùn)行方式包括測試態(tài)和運(yùn)行態(tài)。測試態(tài)對(duì)測試設(shè)備的通信進(jìn)行一致性判斷，支持自動(dòng)模式、單步模式和手動(dòng)模式。運(yùn)行態(tài)是模擬主站或子站、終端的通信功能運(yùn)行，不進(jìn)行一致性判斷。

3.3 自動(dòng)、單步、手動(dòng)測試

這三種方式都在測試態(tài)下進(jìn)行。自動(dòng)測試不需要用戶進(jìn)行干預(yù)，程序根據(jù)測試計(jì)劃自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的測試，根據(jù)測試計(jì)劃依次發(fā)送、接收各過程項(xiàng)的每一步驟的報(bào)文、自動(dòng)發(fā)送遙測、遙信、SOE模擬數(shù)據(jù)。測試主站和測試子站及終端采用同樣的測試方法，根據(jù)測試計(jì)劃，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)及過程項(xiàng)的每一步驟進(jìn)行判斷，只是主動(dòng)發(fā)送與被動(dòng)接收?qǐng)?bào)文。

單步測試由用戶控制順序執(zhí)行測試計(jì)劃中每個(gè)每個(gè)過程項(xiàng)及其每個(gè)步驟并進(jìn)行測試。這種方式可在測試子站及終端時(shí)使用。在測試主站時(shí)沒有單步測試，子站屬于被動(dòng)的模式。

手動(dòng)測試是在保持與被測設(shè)備鏈路連接的狀態(tài)下，選擇界面提供的各種報(bào)文類，如總召，對(duì)時(shí)，召一級(jí)、二級(jí)數(shù)據(jù)等等進(jìn)行發(fā)送，亦可手工輸入報(bào)文進(jìn)行發(fā)送，并分析顯示響應(yīng)報(bào)文。此測試方法可用來控制報(bào)文發(fā)送時(shí)間，測試規(guī)約特定時(shí)間參數(shù)等。亦可模擬錯(cuò)誤報(bào)文進(jìn)行測試。

3.4 錯(cuò)誤測試

對(duì)應(yīng)否定測試。在測試態(tài)，測試軟件可模擬各種錯(cuò)誤報(bào)文和場景，結(jié)合手工測試方法輸入錯(cuò)誤報(bào)文及非正常通信過程，測試被測設(shè)備是對(duì)錯(cuò)誤報(bào)文及非正常通信過程的響應(yīng)能力。

3.5 運(yùn)行態(tài)

運(yùn)行態(tài)不做通信雙方一致性的判斷，根據(jù)協(xié)議要求進(jìn)行正常的通信，是作為模擬主站、終端的一種模式。作為模擬終端，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置產(chǎn)生模擬遙測、遙信及SOE數(shù)據(jù)。運(yùn)行態(tài)中可提供手動(dòng)發(fā)送遙控、設(shè)定值。

3.6 測試結(jié)果

測試內(nèi)容中的每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)及過程項(xiàng)都具有通過、未通過、未測試三個(gè)狀態(tài)。當(dāng)判斷為未通過狀態(tài)時(shí)，會(huì)顯示未通過原因。如某一幀未通過，可顯示某一字節(jié)響應(yīng)錯(cuò)誤。某一通信過程未通過，可顯示此過程中的錯(cuò)誤步驟或錯(cuò)誤幀。以表格方式給出測試結(jié)果并存檔。

綜上所述，系統(tǒng)的測試方法與IEC 60870 5-6文件一致性測試對(duì)應(yīng)表如表1所示。

表1 測試方法與一致性測試對(duì)應(yīng)表

4 系統(tǒng)應(yīng)用

依據(jù)此配電網(wǎng)設(shè)備一致性測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，根據(jù)《南方電網(wǎng) DL/T634.5104-2002遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議實(shí)施細(xì)則》、《 南方電網(wǎng)DL/T634.5101-2002遠(yuǎn)動(dòng)協(xié)議實(shí)施細(xì)則》、《廣東電網(wǎng) DL/T634.5104-2002實(shí)施細(xì)則》、《廣東電網(wǎng) DL/T 634.5101-2002實(shí)施細(xì)則》開發(fā)的測試系統(tǒng)已應(yīng)用到廣東電科院的配電網(wǎng)自動(dòng)化主站、子站及終端設(shè)備的入網(wǎng)檢測中。并取得一項(xiàng)軟件著作權(quán)，一項(xiàng)發(fā)明專利。

同時(shí)，應(yīng)用此測試系統(tǒng)，完成多個(gè)工程項(xiàng)目中進(jìn)行針對(duì)配電終端FTU、DTU的開發(fā)測試、工廠測試等環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

在智能配電網(wǎng)的逐步建設(shè)中，配電網(wǎng)設(shè)備間的通信起著關(guān)鍵的作用，保證設(shè)備間通信的一致性尤其重要。本文在分析配電網(wǎng)設(shè)備間的通信規(guī)約、IEC 60870一致性測試要求的基礎(chǔ)上，采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎ褂肬ML設(shè)計(jì)了一致性測試的系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致性測試的測試方法。實(shí)現(xiàn)的一致性測試系統(tǒng)在配電設(shè)備的入網(wǎng)檢側(cè)、現(xiàn)場驗(yàn)收及產(chǎn)品開發(fā)等環(huán)節(jié)中，保證設(shè)備間通信的一致性起到重要的作用。

[1]王益民.堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系研究框架[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(22):1-6.

[2]王峰,張智銳,任春梅,等.繼電保護(hù)故障信息系統(tǒng)子站自動(dòng)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012,40(18):127-131.

[3]王麗麗,郭傳鐵,祁兵.負(fù)控規(guī)約測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(20):108-112.

[4]賴擎,華建衛(wèi),呂云,等.通用繼電保護(hù)自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(3):90-94.

[5]劉藝,聶一雄,王星華,等.基于 GPRS的低壓配電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)下行控制信號(hào)通信研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(11):147-150.

[6]DL/Z 634.56-2004 遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)：第5-6部分 IEC 60870-5規(guī)約系列測試規(guī)則.2004.

[7]何衛(wèi)，徐勁松.IEC 61870-5-6一致性測試規(guī)則探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2003, 27(15): 78-79.

[8]DL/T634.5 101-2002.遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5-101部分：傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動(dòng)任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)[S].2002.

[9]DL/T634.5 104-2009.遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備及系統(tǒng)第5-104部分：傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議的IEC 60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問[S].2009.

[10]邵維忠,麻志毅,張文娟.UML用戶指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.