基于等價(jià)類的電能表可靠性檢測(cè)案例設(shè)計(jì)研究

梁 捷

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心，廣西 南寧 530023）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)信息化水平的提升，智能電能表和計(jì)量終端等電子設(shè)備在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用。在長(zhǎng)時(shí)間的信息采集與數(shù)據(jù)傳輸中，電子設(shè)備在功能、通信、接口、軟件等諸多方面存在的可靠性缺陷問題，在現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾或極限條件下逐漸暴露出來。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電能表軟件可靠性故障約占總故障率的20%，已成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，并呈逐漸上升的趨勢(shì)[1]。軟件引發(fā)的故障具有批量性的特點(diǎn)，給現(xiàn)場(chǎng)電能表數(shù)據(jù)的采集等帶來了風(fēng)險(xiǎn)。目前，南方電網(wǎng)公司在電能表軟件可靠性評(píng)估和檢測(cè)方法方面尚未有成熟的技術(shù)規(guī)范和應(yīng)用，以基本電能誤差、日計(jì)時(shí)誤差等實(shí)驗(yàn)室常規(guī)性能測(cè)試為主，對(duì)軟件可靠性缺乏完善的測(cè)試方案和有效的測(cè)試手段[2]。本文基于等價(jià)類理論，對(duì)電能表的可靠性檢測(cè)案例設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，將等價(jià)類法和判定表驅(qū)動(dòng)法用于檢測(cè)案例的生成和優(yōu)化。本文方法對(duì)電力設(shè)備的軟件可靠性檢測(cè)案例設(shè)計(jì)可提供指導(dǎo)思路，對(duì)可靠性檢測(cè)裝置的功能驗(yàn)證可提供驗(yàn)證手段。

1 電能表軟件可靠性測(cè)試內(nèi)容

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電能表的典型故障主要包括數(shù)據(jù)邊界情況、極限情況、容錯(cuò)性、接口故障、存儲(chǔ)異常等[3]；常見電表軟件可靠性測(cè)試方法包括邊界值分析法、等價(jià)類法、極限壓力測(cè)試法等[4]，部分測(cè)試項(xiàng)目需要用到多種測(cè)試方法。電能表可靠性測(cè)試項(xiàng)目根據(jù)缺陷的表現(xiàn)形式主要分為3 類，即一致性、極限和容錯(cuò)類測(cè)試，如表1 所示。

表1 電能表可靠性測(cè)試項(xiàng)目舉例

1.1 一致性類測(cè)試

1.1.1 測(cè)試內(nèi)容和方法

電能表軟件一致性類可靠性測(cè)試主要包括通信規(guī)約和數(shù)據(jù)一致性的檢驗(yàn)，目的是消除不同廠家對(duì)通信規(guī)約理解上的差別和保證電能表存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與實(shí)際采集的數(shù)據(jù)一致。常用的測(cè)試方法為有效等價(jià)類法。

1.1.2 檢測(cè)案例設(shè)計(jì)舉例

以數(shù)據(jù)塊抄讀一致性測(cè)試為例，根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求[5]，電能表單幀抄讀數(shù)據(jù)項(xiàng)與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊抄讀以及實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)一致，通信幀格式符合通信規(guī)約要求。

1.1.3 測(cè)試方案

分別抄讀電表當(dāng)前電量、凍結(jié)電量以及事件記錄數(shù)據(jù)塊，對(duì)其通信報(bào)文格式進(jìn)行一致性判斷。數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)與相應(yīng)單幀抄讀數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，進(jìn)行準(zhǔn)確性判斷。測(cè)試流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)塊抄讀一致性測(cè)試

1.2 容錯(cuò)類可靠性試驗(yàn)

1.2.1 測(cè)試內(nèi)容

電能表容錯(cuò)類可靠性測(cè)試主要是測(cè)試電能表能否識(shí)別參數(shù)設(shè)置時(shí)的非法情況，常用測(cè)試方法為無(wú)效等價(jià)類法。等價(jià)類是指某個(gè)輸入域的子集。在該子集中，各個(gè)輸入數(shù)據(jù)對(duì)于測(cè)試時(shí)反映軟件中的異常問題都是等效的，并假定測(cè)試某等價(jià)類中的代表值就等價(jià)于對(duì)這一類其他值的測(cè)試。利用有效等價(jià)類可檢驗(yàn)程序是否實(shí)現(xiàn)了技術(shù)規(guī)范中所規(guī)定的功能和性能，而無(wú)效等價(jià)類用于檢驗(yàn)軟件能否經(jīng)受非法數(shù)據(jù)的攻擊。

1.2.2 檢測(cè)案例設(shè)計(jì)舉例

以結(jié)算日容錯(cuò)及干擾轉(zhuǎn)存測(cè)試項(xiàng)目為例，根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求，電能表內(nèi)的結(jié)算日參數(shù)允許在1—28 日、0—23 點(diǎn)范圍內(nèi)設(shè)置。

1.2.3 測(cè)試方案

a） 正確參數(shù)測(cè)試：任意設(shè)置電表日期為1—28日、0—23 點(diǎn)，電表應(yīng)響應(yīng)正確應(yīng)答幀，回抄參數(shù)與設(shè)置參數(shù)一致。

b） 月份容錯(cuò)、日容錯(cuò)、整點(diǎn)容錯(cuò)測(cè)試：例如設(shè)置13 月，電表應(yīng)響應(yīng)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，且回抄參數(shù)不變。

c） 進(jìn)制容錯(cuò)：如設(shè)置0A、0B 等十六進(jìn)制數(shù)值，電表應(yīng)響應(yīng)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，回抄參數(shù)不變。

結(jié)算日參數(shù)設(shè)置與容錯(cuò)測(cè)試流程見圖2。

圖2 結(jié)算日參數(shù)設(shè)置與容錯(cuò)測(cè)試流程

1.3 極限類測(cè)試

1.3.1 測(cè)試內(nèi)容和方法

電能表極限類可靠性測(cè)試的常見形式為壓力測(cè)試，即利用故障模擬、邊界值分析等方法，分析電力設(shè)備技術(shù)規(guī)范要求的各功能項(xiàng)目中可能存在的極限狀態(tài)下的異常問題，列出所有可能的異?；蛉菀装l(fā)生故障的情況，模擬出各極限狀態(tài)，并模擬超過正常功能強(qiáng)度狀態(tài)下，觀察設(shè)備能否正常工作。

1.3.2 檢測(cè)案例設(shè)計(jì)舉例

南方電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范要求電表至少能存儲(chǔ)前12個(gè)月或前12 個(gè)（結(jié)算） 抄表周期的總電能，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存分界時(shí)間為每月最后一日的24 時(shí)，為驗(yàn)證轉(zhuǎn)存的可靠性，需進(jìn)行結(jié)算日極限電壓及大數(shù)據(jù)處理、干擾情況下的轉(zhuǎn)存測(cè)試。

1.3.3 測(cè)試方案

驗(yàn)證電表在極限條件下能否根據(jù)設(shè)置的結(jié)算日參數(shù)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，主要包括以下方面，測(cè)試流程如圖3 所示。

a） 電能表在轉(zhuǎn)存時(shí)通過485 或載波等通信方式施加連續(xù)通信干擾，驗(yàn)證轉(zhuǎn)存是否能正常進(jìn)行。

b） 數(shù)據(jù)處理壓力測(cè)試：設(shè)置定時(shí)凍結(jié)、日凍結(jié)、整點(diǎn)凍結(jié)與結(jié)算日轉(zhuǎn)存為同一時(shí)刻，驗(yàn)證轉(zhuǎn)存是否能正常進(jìn)行。

c） 根據(jù)設(shè)定的極限條件（例如在電表正常計(jì)量的臨界電壓值附近，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電表通信時(shí)），電表凍結(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存是否能正常進(jìn)行。

d） 在轉(zhuǎn)存前停電，電表時(shí)鐘跨過結(jié)算日后上電，驗(yàn)證轉(zhuǎn)存是否能正常進(jìn)行。

圖3 結(jié)算日轉(zhuǎn)存測(cè)試流程

2 判定表驅(qū)動(dòng)法應(yīng)用于案例設(shè)計(jì)優(yōu)化

依照南方電網(wǎng)公司設(shè)備供貨管理要求，電表到貨后，需對(duì)其抽樣進(jìn)行全性能測(cè)試，目前該測(cè)試在可靠性方面的要求僅局限于基于加速老化試驗(yàn)的年故障率指標(biāo)以及部分常用規(guī)約一致性的要求。但隨著電網(wǎng)公司對(duì)電能表軟件可靠性的重視，電能表軟件的容錯(cuò)性、極限處理能力和抗干擾能力的指標(biāo)要求逐步受到重視。電表可靠性測(cè)試的關(guān)鍵是所設(shè)計(jì)的檢測(cè)案例是否對(duì)電表的各項(xiàng)功能要求均能準(zhǔn)確判斷，避免功能缺陷和判斷失誤的情況。同時(shí)，測(cè)試所用的案例應(yīng)代表并覆蓋各種合法和非法的輸入數(shù)據(jù)，即有效等價(jià)類和無(wú)效等價(jià)類。本文將等價(jià)類劃分法和判定表驅(qū)動(dòng)法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)電能表軟件可靠性檢測(cè)案例的設(shè)計(jì)。

基于等價(jià)類的檢測(cè)案例通常用多因素析因案例設(shè)計(jì)法生成，主要過程如下：第一步，全面分析技術(shù)規(guī)范對(duì)電力設(shè)備的技術(shù)要求，提取測(cè)試要點(diǎn)（因素），形成等價(jià)類表；第二步，將各等價(jià)類的典型場(chǎng)景組合，形成檢測(cè)案例；第三步，重復(fù)第二步驟直至形成的檢測(cè)案例能窮舉等價(jià)類集。

當(dāng)研究因素較多時(shí)，該方法要求的檢測(cè)案例數(shù)量或試驗(yàn)次數(shù)會(huì)隨因素?cái)?shù)呈指數(shù)式增長(zhǎng)，以致無(wú)法承受。對(duì)此，引入判定表驅(qū)動(dòng)法簡(jiǎn)化析因設(shè)計(jì)法生成的檢測(cè)案例，其流程如圖4 所示。判定表由條件樁、動(dòng)作樁組成，不同條件樁和動(dòng)作樁的組合對(duì)應(yīng)一個(gè)檢測(cè)案例，判定表驅(qū)動(dòng)法的思路是通過合并相似的條件樁和動(dòng)作樁來簡(jiǎn)化初始判定表，使生成的案例在保證覆蓋所有等價(jià)類的基礎(chǔ)上，盡可能減小案例集的規(guī)模，合并原則詳見文獻(xiàn)[6]。

3 案例分析

3.1 測(cè)試案例優(yōu)化

以1.2 節(jié)電能表結(jié)算日容錯(cuò)及干擾轉(zhuǎn)存測(cè)試項(xiàng)為例進(jìn)行研究。由等價(jià)類理論和三因素析因設(shè)計(jì)法及技術(shù)要求可確定輸入域等價(jià)類和初始判定表，詳情見表2 和表3。

表2 中，等價(jià)類1 是指任意設(shè)置1—28 日、0—23 點(diǎn)，電能表能響應(yīng)正確應(yīng)答幀，回抄參數(shù)與設(shè)置參數(shù)一致的情況；等價(jià)類2 對(duì)應(yīng)不滿足該條件的情況，屬于有效等價(jià)類；等價(jià)類3 屬于月份、日和小時(shí)容錯(cuò)，例如設(shè)置13 月，電能表能響應(yīng)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，電能表回抄參數(shù)不變，屬于無(wú)效等價(jià)類；等價(jià)類5 屬于進(jìn)制容錯(cuò)，如設(shè)置0A、0B等非十進(jìn)制數(shù)值，電能表能響應(yīng)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，回抄參數(shù)不變的情況，屬于無(wú)效等價(jià)類。

圖4 判定表驅(qū)動(dòng)法流程

表2 根據(jù)輸入條件提取的等價(jià)類

表3 初始判定表

表3 中“Y”對(duì)應(yīng)于表2 中符合該輸入條件的等價(jià)類編號(hào)，“N”反之，“/”表示任意條件樁的Y 或N。按判定表驅(qū)動(dòng)法合并相似條件樁和相同動(dòng)作樁，將表3 簡(jiǎn)化為表4。由表4 可得能覆蓋表2 所有等價(jià)類的檢測(cè)案例1—4。例如，對(duì)某待測(cè)電能表樣品執(zhí)行檢測(cè)案例的結(jié)果為：滿足結(jié)算日參數(shù)正確設(shè)置時(shí)，電能表能正確應(yīng)答，且結(jié)算日參數(shù)月份、日和小時(shí)異常設(shè)置時(shí)，電能表能正確應(yīng)答，但結(jié)算日參數(shù)的進(jìn)制異常設(shè)置時(shí)，電能表不能正確應(yīng)答，則該情況符合判斷表4 案例1 的條件樁，從而根據(jù)對(duì)應(yīng)動(dòng)作樁判定該項(xiàng)功能不合格。

比較表3 和表4 可知，本文方法在析因分析法生成初始案例集后，再通過判定表驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行案例集簡(jiǎn)化，將8 個(gè)案例縮簡(jiǎn)為4 個(gè)，實(shí)測(cè)檢測(cè)用時(shí)縮短了約45%。可在等價(jià)類盡可能全覆蓋的基礎(chǔ)上，減小檢測(cè)案例數(shù)量，提高了測(cè)試效率，在包含等價(jià)類數(shù)量較多的測(cè)試過程中效果更為明顯。

表4 簡(jiǎn)化后的判定表

3.2 檢測(cè)裝置功能驗(yàn)證案例

表5 為2018 年廣西某單位費(fèi)控電能表在到貨抽檢做軟件可靠性測(cè)試時(shí)先后進(jìn)行的3 次測(cè)試情況。為驗(yàn)證電能表檢測(cè)裝置能否準(zhǔn)確識(shí)別出被測(cè)電表的各種輸入條件，根據(jù)3.1 節(jié)的分析，以分別滿足表4 中4 個(gè)案例對(duì)應(yīng)的功能缺陷情況的4只南方電網(wǎng)規(guī)范的費(fèi)控電能表作為被測(cè)樣品。第一次測(cè)試時(shí)，對(duì)應(yīng)3 號(hào)檢測(cè)案例的待測(cè)電表本應(yīng)是合格的，但裝置卻判為不合格，檢查后發(fā)現(xiàn)原因?yàn)樵撗b置未根據(jù)電能表的加密類型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)需要以密文方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的費(fèi)控電能表仍采用普通非加密電能表的“明文+密碼”的參數(shù)設(shè)置方式，導(dǎo)致參數(shù)設(shè)置失敗，故對(duì)所有被測(cè)表裝置均自動(dòng)判斷為不合格。第二次測(cè)試時(shí)，對(duì)應(yīng)1 號(hào)檢測(cè)案例的待測(cè)電能表本應(yīng)判斷為不合格，但裝置卻誤判斷為合格，檢查后發(fā)現(xiàn)裝置自動(dòng)測(cè)試案例的設(shè)計(jì)存在缺陷，未按技術(shù)要求考慮輸入條件3，當(dāng)結(jié)算日參數(shù)設(shè)置為0A，電表回復(fù)確認(rèn)時(shí)仍判為合格。第三次測(cè)試時(shí)，所有檢測(cè)案例的期望輸出與實(shí)際輸出相符，依據(jù)等價(jià)類理論，可認(rèn)為裝置對(duì)該檢測(cè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)滿足預(yù)期的技術(shù)要求。由上述過程可見，由本文方法設(shè)計(jì)的檢測(cè)案例能準(zhǔn)確識(shí)別出被測(cè)裝置檢測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)缺陷。

表5 電能表到貨抽檢測(cè)試情況

3.3 電表可靠性測(cè)試情況

對(duì)13 個(gè)廣西常見電表廠家的50 只電能表按表1 的項(xiàng)目進(jìn)行可靠性測(cè)試，測(cè)試通過率約為76%，測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)的常見問題見表6。

由表6 可知，通過表1 的可靠性測(cè)試項(xiàng)目，可識(shí)別出各廠家電表中許多常規(guī)測(cè)試時(shí)易忽視的可靠性問題，如極限情況下少計(jì)量或計(jì)量不準(zhǔn)確、停上電電量未轉(zhuǎn)存、電量?jī)鼋Y(jié)數(shù)據(jù)丟失、需量功能設(shè)計(jì)失誤、邊界情況下通信異常等問題。

表6 電表軟件可靠性測(cè)試情況

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，南方電網(wǎng)的電能表技術(shù)規(guī)范對(duì)可靠性類缺陷雖然有技術(shù)要求，但未給出明確的檢測(cè)方法，故存在測(cè)試覆蓋率不高、測(cè)試方案設(shè)計(jì)不合理的問題。將等價(jià)類理論和判定表驅(qū)動(dòng)法應(yīng)用于電能表軟件可靠性檢測(cè)案例設(shè)計(jì)和驗(yàn)證中，實(shí)測(cè)案例表明，該方法可改善檢測(cè)案例設(shè)計(jì)時(shí)難以全面覆蓋技術(shù)要求的問題，同時(shí)優(yōu)化了檢測(cè)案例的規(guī)模，提高了測(cè)試效率。

電表軟件可靠性測(cè)試的情況表明，廣西電網(wǎng)常見廠家的電能表在軟件容錯(cuò)、極限加壓條件等軟件可靠性方面存在的問題不可忽視。如果不能對(duì)可靠性缺陷進(jìn)行有效的檢測(cè)和控制，電表安裝到現(xiàn)場(chǎng)后，在現(xiàn)場(chǎng)各種環(huán)境和干擾因素的長(zhǎng)時(shí)間影響下，有可能由于可靠性缺陷而引發(fā)異常事故，給電能量的正常計(jì)量、結(jié)算帶來影響。