繼電保護(hù)裝置智能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張著韜　張沛超

摘 要：該文在分析繼電保護(hù)裝置自動(dòng)化測(cè)試需求的基礎(chǔ)上，介紹了一種繼電保護(hù)智能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其包括了自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行系統(tǒng)和智能測(cè)試管理系統(tǒng)，具有智能化，通用化，自動(dòng)化程度高及測(cè)試覆蓋多樣化等特性。該系統(tǒng)充分滿足了不同廠家常規(guī)站和數(shù)字站繼電保護(hù)裝置功能性和非功能性測(cè)試需求。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)極大地提高了測(cè)試質(zhì)量和測(cè)試效率，以及自動(dòng)化測(cè)試管理水平。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù) 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 測(cè)試管理 測(cè)試用例 測(cè)試需求

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（c）-0108-05

Abstract：This paper is based on the analysis of automatic test request for relay protection device， and describes a set of smart and automatic test system for relay protection device including automatic test execution system and smart test management system， with intelligentization， generalized， higher automation and higher test coverage characteristics. The automatic system can meet fully functional and nonfunctional test requirements of relay protection device for conventional substation and digital substation. The proposed automatic system can guarantee the test quality fully and improve the test efficiency further in practical validation and verification testing of relay protection device.

Key Words：Relay protection；Automatic test system；Test management；Test case；Test requirements

繼電保護(hù)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)保護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在電力工業(yè)的廣泛應(yīng)用，以及發(fā)、輸電在運(yùn)行和管理中對(duì)信息化、數(shù)字化、智能化的迫切需求，新型繼電保護(hù)裝置尤其是智能化繼電保護(hù)裝置集保護(hù)、測(cè)控及數(shù)據(jù)通信等于一體，變得更加復(fù)雜[1-4]。繼電保護(hù)系統(tǒng)的極高可靠性要求繼電保護(hù)裝置需要大量的測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，加之有些測(cè)試無(wú)法手工操作，這些都給繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)提出了新的要求和新的挑戰(zhàn)[1-3]。

近些年來(lái)，隨著繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，繼電保護(hù)測(cè)試技術(shù)得到了專門的研究和發(fā)展，尤其是繼電保護(hù)自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)[1-3]。一些繼電保護(hù)測(cè)試儀廠家開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化測(cè)試軟件的應(yīng)用，一定程度上提高了自動(dòng)化測(cè)試水平，但是目前這些自動(dòng)化測(cè)試存在對(duì)測(cè)試人員技能和素養(yǎng)依賴性高，自動(dòng)化率和測(cè)試覆蓋率低及通用性差等不足[5]。

鑒于此，在深入分析繼電保護(hù)裝置自動(dòng)化測(cè)試需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前繼電保護(hù)裝置測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了SmartT&Ms（Smart Test and Management System）繼電保護(hù)智能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其包括了自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行系統(tǒng)和智能測(cè)試管理系統(tǒng)，具有智能化、通用化、自動(dòng)化程度高及測(cè)試覆蓋多樣化等特性。

1 繼電保護(hù)裝置自動(dòng)化測(cè)試需求

數(shù)字型繼電保護(hù)裝置集保護(hù)、測(cè)控及數(shù)據(jù)通信等于一體，是一個(gè)完整且復(fù)雜的有機(jī)整體，應(yīng)該有完整有效的測(cè)試來(lái)確保其質(zhì)量[2]。繼電保護(hù)裝置在研發(fā)階段一般有單元測(cè)試、集成測(cè)試、驗(yàn)證測(cè)試和確認(rèn)測(cè)試等幾個(gè)測(cè)試過(guò)程，測(cè)試復(fù)雜，重復(fù)性強(qiáng)，工作量大，且非常耗時(shí)。因此繼電保護(hù)裝置研發(fā)過(guò)程具備引入自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的基本條件和現(xiàn)實(shí)意義[1]。經(jīng)深入分析認(rèn)為自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)必須滿足以下基本需求：

（1）提高測(cè)試覆蓋率和測(cè)試效率。自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)首先應(yīng)該解決人工測(cè)試中效率低，出錯(cuò)率高，測(cè)試覆蓋有限以及測(cè)試過(guò)分依賴測(cè)試人員技能和素養(yǎng)等基本問(wèn)題。

（2）無(wú)需人工干預(yù)的閉環(huán)自動(dòng)測(cè)試。測(cè)試人員只需輸入測(cè)試信息，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成測(cè)試，判斷結(jié)果，生成測(cè)試報(bào)告，構(gòu)成閉環(huán)測(cè)試，全程無(wú)需人工干預(yù)，確保測(cè)試結(jié)果的可靠性。

（3）測(cè)試過(guò)程透明化。透明的測(cè)試過(guò)程，比如測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄、測(cè)試日志的打印等，有助于測(cè)試過(guò)程的追蹤和測(cè)試失敗時(shí)問(wèn)題的分析和解決。

（4）自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行和智能測(cè)試管理系統(tǒng)兼?zhèn)?。繼電保護(hù)裝置測(cè)試復(fù)雜，測(cè)試量大，高效的智能測(cè)試管理是自動(dòng)化測(cè)試高效進(jìn)行的保證。

（5）自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通用性和易用性強(qiáng)。繼電保護(hù)裝置有常規(guī)站和數(shù)字站繼電保護(hù)裝置，且同一類的保護(hù)裝置在不同廠家之間也存在差異，為滿足不同類裝置的測(cè)試需求，測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試腳本必須設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，以方便地適用不同裝置的測(cè)試。

2 智能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

SmartT&Ms智能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)方法，按照分布式設(shè)計(jì)模式特點(diǎn)設(shè)計(jì)，兼顧了自動(dòng)化測(cè)試執(zhí)行和智能測(cè)試管理。此系統(tǒng)由測(cè)試用例與測(cè)試需求追蹤管理子系統(tǒng)，測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行子系統(tǒng)，缺陷管理子系統(tǒng)4個(gè)部分組成。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

測(cè)試用例與測(cè)試需求追蹤管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)試需求管理，包括測(cè)試需求的更新、刪除和變更等。測(cè)試用例設(shè)計(jì)人員根據(jù)輸入的測(cè)試需求，在系統(tǒng)模板上制定測(cè)試計(jì)劃，編寫(xiě)測(cè)試用例規(guī)格說(shuō)明書(shū)，系統(tǒng)為每個(gè)測(cè)試用例規(guī)格說(shuō)明書(shū)建立唯一的識(shí)別編號(hào)，分別為TestSpec00，TestSpec01……TestSpec描述了測(cè)試目標(biāo)、步驟、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)等，它重點(diǎn)考慮的是測(cè)試需求是否被有效覆蓋，而不需過(guò)多地關(guān)注自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)本身，確保了測(cè)試用例設(shè)計(jì)的靈活性和有效性。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)試用例和測(cè)試需求的追蹤屬性自動(dòng)建立測(cè)試覆蓋矩陣圖或樹(shù)表，檢測(cè)測(cè)試需求是否被測(cè)試用例有效覆蓋。這是自動(dòng)化測(cè)試管理中確保高測(cè)試覆蓋的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)是按照待測(cè)裝置的型號(hào)和功能，依據(jù)TestSpecXX對(duì)測(cè)試用例實(shí)例化的管理系統(tǒng)。TestSpec并不是一個(gè)可執(zhí)行的測(cè)試文件，需要對(duì)其實(shí)例化，包括自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)、測(cè)試場(chǎng)景、待測(cè)裝置參數(shù)配置、測(cè)試內(nèi)容數(shù)據(jù)化、測(cè)試步驟指令化等，從而生成可自動(dòng)執(zhí)行的測(cè)試用例。同樣系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)實(shí)例化后的測(cè)試用例建立唯一的識(shí)別編號(hào)，分別為TestSpecXX_TestCase00，TestSpecXX_TestCase01……同一個(gè)TestSpec也許會(huì)實(shí)例化出多個(gè)可執(zhí)行的測(cè)試用例。

自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行子系統(tǒng)是測(cè)試執(zhí)行部分。此系統(tǒng)按照實(shí)際項(xiàng)目要求，從實(shí)例化后的測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇需要的測(cè)試用例，生成自動(dòng)化測(cè)試任務(wù)，并自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試任務(wù)和生成測(cè)試報(bào)告。若某個(gè)測(cè)試未通過(guò)，系統(tǒng)自動(dòng)將測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試報(bào)告、測(cè)試日志等信息導(dǎo)入缺陷管理系統(tǒng)，為缺陷分析人員提供詳細(xì)的分析數(shù)據(jù)。

缺陷管理子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)執(zhí)行未通過(guò)的測(cè)試用例數(shù)據(jù)管理及缺陷狀態(tài)跟蹤、管理等，是自動(dòng)化測(cè)試的輸出管理系統(tǒng)和測(cè)試人員與開(kāi)發(fā)人員的交互系統(tǒng)。

2.2 硬件平臺(tái)

SmartT&Ms智能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)如圖2所示。此系統(tǒng)主要由一臺(tái)具有雙網(wǎng)卡的通用型計(jì)算機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)、繼電保護(hù)測(cè)試儀、對(duì)時(shí)系統(tǒng)、一臺(tái)支持以太網(wǎng)通信的PLC、測(cè)試信號(hào)編碼器、服務(wù)器及其他設(shè)備組成。

雙網(wǎng)卡通用型計(jì)算機(jī)是整個(gè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的智能中樞，它通過(guò)一個(gè)網(wǎng)卡與測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行信息交互。包括控制繼電保護(hù)測(cè)試儀向待測(cè)裝置輸出模擬量和開(kāi)入量或GOOSE信息；根據(jù)待測(cè)裝置具體型號(hào)控制PLC對(duì)測(cè)試信號(hào)編碼器編碼，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)硬件的智能配置等；計(jì)算機(jī)的另一個(gè)網(wǎng)口與服務(wù)器進(jìn)行信息交互，包括獲取實(shí)例化后的測(cè)試用例、在測(cè)試結(jié)束后保存測(cè)試結(jié)果和測(cè)試缺陷等；此臺(tái)計(jì)算機(jī)還通過(guò)一個(gè)串口與待測(cè)裝置進(jìn)行串口信息交互，以滿足像MODBUS，DNP3等傳統(tǒng)規(guī)約的測(cè)試需要。

測(cè)試信號(hào)編碼器是繼電保護(hù)測(cè)試儀與待測(cè)保護(hù)裝置之間模擬量通道和開(kāi)關(guān)量通道的切換開(kāi)關(guān)，由PLC智能控制[4]?？蓪?shí)現(xiàn)繼電保護(hù)測(cè)試儀與任何一臺(tái)或多臺(tái)待測(cè)裝置的模擬量和開(kāi)關(guān)量通道自動(dòng)匹配連接，滿足不同類型裝置的自動(dòng)測(cè)試，有更強(qiáng)的通用性。

服務(wù)器是一個(gè)具有嚴(yán)格用戶權(quán)限管理的虛擬服務(wù)器，可以使用外部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，也可直接使用測(cè)試平臺(tái)的通用計(jì)算機(jī)作為虛擬服務(wù)器，選擇靈活，通用性強(qiáng)。測(cè)試用例與測(cè)試需求追蹤管理子系統(tǒng)，測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)和缺陷管理子系統(tǒng)都位于此服務(wù)器。測(cè)試用例設(shè)計(jì)工程師可以登錄服務(wù)器進(jìn)行測(cè)試用例編寫(xiě)和測(cè)試配置等操作；項(xiàng)目經(jīng)理可以隨時(shí)查看測(cè)試進(jìn)度和測(cè)試報(bào)告；缺陷分析人員可以獲取測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行缺陷分析等。

對(duì)時(shí)系統(tǒng)，包括GPS時(shí)鐘源、模擬的SNTP時(shí)鐘源等，為待測(cè)裝置的對(duì)時(shí)和時(shí)間管理功能測(cè)試提供輸入源，同時(shí)也負(fù)責(zé)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)各模塊的時(shí)鐘統(tǒng)一。

其他測(cè)試設(shè)備包括網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷發(fā)生儀、溫度傳感器、弧光模擬裝置等。

2.3 軟件系統(tǒng)

SmartT&Ms智能自動(dòng)化測(cè)試軟件系統(tǒng)主要由自動(dòng)化測(cè)試管理系統(tǒng)和自動(dòng)化測(cè)試執(zhí)行系統(tǒng)組成，兩個(gè)系統(tǒng)之間通過(guò)任務(wù)生成模塊、報(bào)告和測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)模塊、缺陷記錄模塊進(jìn)行交互。其軟件架構(gòu)如圖3所示。

與系統(tǒng)總體架構(gòu)相對(duì)應(yīng)，自動(dòng)化測(cè)試管理系統(tǒng)由測(cè)試用例與測(cè)試需求追蹤管理模塊、測(cè)試用例管理模塊、測(cè)試結(jié)果和測(cè)試報(bào)告管理模塊、缺陷管理模塊組成，完整地實(shí)現(xiàn)了測(cè)試輸入、測(cè)試輸出、測(cè)試中間數(shù)據(jù)的高效管理，同時(shí)也為測(cè)試人員與項(xiàng)目經(jīng)理、研發(fā)人員等提供了溝通和協(xié)作的渠道。

自動(dòng)化測(cè)試執(zhí)行系統(tǒng)由自動(dòng)化測(cè)試序列控制模塊（Test Sequence，TS）和自動(dòng)化測(cè)試經(jīng)理模塊（Test Manager， TM）組成。TS主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)測(cè)試任務(wù)，從服務(wù)器獲取可執(zhí)行的測(cè)試用例，控制PLC自動(dòng)配置測(cè)試平臺(tái)，按照測(cè)試順序逐個(gè)觸發(fā)TM進(jìn)行測(cè)試，收集TM的測(cè)試結(jié)果，結(jié)束測(cè)試任務(wù)并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。TS流程圖如圖4所示。

TM是每個(gè)測(cè)試用例指令的具體執(zhí)行者，包括控制繼電保護(hù)測(cè)試儀向待測(cè)裝置輸出模擬量、控制模擬的SCADA系統(tǒng)與待測(cè)裝置進(jìn)行信息交互、控制對(duì)時(shí)系統(tǒng)及其他測(cè)試設(shè)備等。TM的生命周期是從收到TS的測(cè)試觸發(fā)信息開(kāi)始，到當(dāng)前測(cè)試用例執(zhí)行結(jié)束并返回測(cè)試結(jié)果為止。每個(gè)測(cè)試用例的執(zhí)行由唯一的TM負(fù)責(zé)。TM流程圖如圖5所示。

測(cè)試任務(wù)生成接口模塊負(fù)責(zé)從測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)中建立測(cè)試用例序列。報(bào)告和測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)接口模塊，缺陷記錄接口模塊負(fù)責(zé)將測(cè)試輸出自動(dòng)導(dǎo)入測(cè)試管理系統(tǒng)。

3 自動(dòng)化測(cè)試用例腳本設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的自動(dòng)化測(cè)試用例包含的信息如圖6所示。其中PLC控制腳本和測(cè)試用例腳本是測(cè)試實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的關(guān)鍵和核心，是具有正則語(yǔ)法的數(shù)據(jù)和指令的集合。為確保較高自動(dòng)化測(cè)試水平，測(cè)試腳本應(yīng)該具有易學(xué)性、易維護(hù)或免維護(hù)性、高效性和健壯性的特點(diǎn)。

PLC控制嵌入在TS中，其包括了PLC控制腳本和一個(gè)測(cè)試平臺(tái)配置文件Platform.INI，此文件描述了待測(cè)裝置的功能信息、端子信息以及測(cè)試信號(hào)編碼器的編碼信息。這些信息在腳本運(yùn)行時(shí)作為配置參數(shù)自動(dòng)導(dǎo)入。PLC控制腳本無(wú)需維護(hù)，測(cè)試人員只需根據(jù)測(cè)試裝置信息配置此文件即可。

測(cè)試用例腳本采用一種解釋型的類BASIC腳本語(yǔ)言描述了自動(dòng)化測(cè)試步驟。測(cè)試用例同樣包括一個(gè)裝置配置和定值文件Setting.INI，此文件描述了待測(cè)裝置的配置信息和定值信息。

4 系統(tǒng)應(yīng)用舉例

繼電保護(hù)裝置根據(jù)保護(hù)對(duì)象可分為發(fā)電機(jī)保護(hù)、線路保護(hù)等型號(hào)、其測(cè)試內(nèi)容包括保護(hù)、測(cè)控等功能性測(cè)試和魯邦性、持久性等非功能性測(cè)試。此節(jié)以變壓器保護(hù)裝置的保護(hù)功能測(cè)試為例，來(lái)闡述智能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試過(guò)程主要有：

第一，測(cè)試準(zhǔn)備階段。

（1）依據(jù)權(quán)限登錄服務(wù)器測(cè)試用例與測(cè)試需求追蹤管理子系統(tǒng)，根據(jù)變壓器保護(hù)測(cè)試需求設(shè)計(jì)TestSpec01，TestSpec02……

（2）在測(cè)試用例數(shù)據(jù)庫(kù)子系統(tǒng)根據(jù)變壓器保護(hù)裝置型號(hào)、端子信息等配置PLC平臺(tái)配置文件Platform.INI。

（3）依據(jù)TestSpecXX配置保護(hù)定值文件Setting.INI，設(shè)定變壓器故障前、故障中、故障后的模擬量、開(kāi)關(guān)量等，以及故障狀態(tài)序列，生成可執(zhí)行的測(cè)試用例。

第二，測(cè)試執(zhí)行階段。

（1）通過(guò)TS的界面生成測(cè)試用例序列。

（2）點(diǎn)擊測(cè)試開(kāi)始按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)逐個(gè)下載Platform.INI和Setting.INI配置信息和測(cè)試數(shù)據(jù)。

（3）PLC自動(dòng)導(dǎo)入Platform.INI信息，控制測(cè)試信號(hào)編碼器連接待測(cè)裝置模擬量和開(kāi)關(guān)量。

（4）自動(dòng)觸發(fā)TM下載Setting.INI到待測(cè)裝置。

（5）TM啟動(dòng)執(zhí)行變壓器故障狀態(tài)序列，依據(jù)待測(cè)裝置的保護(hù)動(dòng)作開(kāi)出或GOOSE信息反饋判斷保護(hù)動(dòng)作正確性，生成測(cè)試報(bào)告。若測(cè)試失敗，則建立缺陷報(bào)告。

（6）當(dāng)所有測(cè)試執(zhí)行結(jié)束，TS界面彈出測(cè)試結(jié)束信息。

點(diǎn)擊測(cè)試開(kāi)始按鈕后的測(cè)試步驟均為自動(dòng)執(zhí)行過(guò)程，無(wú)需人工干預(yù)。

5 結(jié)語(yǔ)

文章介紹的智能自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)滿足了通用性和易用性，自動(dòng)化程度和測(cè)試覆蓋率高，測(cè)試過(guò)程透明，兼顧自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行和智能測(cè)試管理等自動(dòng)化測(cè)試需求，其可應(yīng)用到不同廠家的常規(guī)站和數(shù)字站的保護(hù)裝置研發(fā)和生成測(cè)試中。目前，此系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用到多個(gè)系列的保護(hù)裝置的驗(yàn)證和確認(rèn)測(cè)試中，極大地提高了測(cè)試效率和測(cè)試質(zhì)量，以及測(cè)試管理水平，產(chǎn)生了很好的效益。

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