智能電能表軟件功能的復(fù)合評(píng)測(cè)方法研究

摘要：文中旨在研究提升智能電能表型式試驗(yàn)中軟件功能評(píng)測(cè)質(zhì)量的方法，基于智能電能表的軟件功能及評(píng)測(cè)現(xiàn)狀，參照電能表型評(píng)大綱以及R46標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)軟件功能測(cè)試的要求，分析了軟件功能的評(píng)測(cè)項(xiàng)目、功能特點(diǎn)和技術(shù)要求?；谥庇^查驗(yàn)和模擬測(cè)試的結(jié)合應(yīng)用，設(shè)計(jì)了文檔靜態(tài)分析查驗(yàn)和技術(shù)特性動(dòng)態(tài)測(cè)試交叉驗(yàn)證的復(fù)合式軟件功能評(píng)測(cè)方法，并詳細(xì)介紹復(fù)合評(píng)測(cè)策略的原理和流程。該項(xiàng)目的研究有益于提高智能電能表的軟件功能評(píng)價(jià)質(zhì)量和測(cè)試水平，對(duì)智能電能表軟件功能開發(fā)領(lǐng)域的深入研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：智能電能表；軟件功能；復(fù)合評(píng)測(cè)；型式試驗(yàn)；靜態(tài)查驗(yàn)；動(dòng)態(tài)測(cè)試

Research on Composite Evaluation Method for Software Function of Smart Electricity Meters

SHEN Mingyan， CHEN Jing， LIN Jiabin， HUANG Changhao

（ Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian China ）

Abstract： The purpose of this paper is to study the methods to improve the quality of software function evaluation in the type test of smart electricity meters. Based on the software function characteristics and evaluation status of smart electricity meters， the evaluation items， functional characteristics and technical requirements of software function are analyzed by referring to the requirements of program of type evaluation of AC mounted electricity meters of electricity meters and R46 standard for software function test. Based on the combined application of visual inspection and simulation test， a compound software function evaluation method combining document static analysis inspection and technical characteristics dynamic test cross verification is designed， and the principle and process of compound evaluation strategy are introduced in detail. The research of this project is beneficial to improving the evaluation quality and testing level of the software function of smart electricity meters， and has important practical significance for the in-depth research of the software function development field of smart electricity meters.

Key Words： Smart electricity meters; Software function; Composite evaluation; Type test; Static inspection; Dynamic testing

0 引言

隨著我國智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)發(fā)展，智能電能表作為智能電網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)，其為貿(mào)易結(jié)算提供計(jì)量數(shù)據(jù)的電能計(jì)量核心能力得到了大幅強(qiáng)化，同時(shí)其應(yīng)用場(chǎng)景也持續(xù)擴(kuò)大，應(yīng)用場(chǎng)合更加廣泛。為了滿足不斷升級(jí)擴(kuò)展的應(yīng)用需求，對(duì)智能電能表的軟件功能也提出了越來越多的要求，除了不斷強(qiáng)化基礎(chǔ)計(jì)量、顯示通訊等功能外，還對(duì)需量計(jì)量、費(fèi)率控制、階梯電價(jià)、預(yù)付費(fèi)、遠(yuǎn)程控制、安全保密等管理功能有了更多新的需求，需要加持物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)采集、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的雙向通信、用電管理平臺(tái)的采集和控制等功能。基于此背景下，智能電能表的軟件功能設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜、軟件代碼日趨龐大[1]。智能電能表的內(nèi)核軟件是電能表的中樞控制核心，是決定電能表能否可靠穩(wěn)定工作的重要部分，因此，隨著內(nèi)核軟件的日趨復(fù)雜，對(duì)智能電能表的軟件功能的測(cè)試內(nèi)容提出了更多要求，通常是軟件功能的評(píng)測(cè)是按大綱或標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，按項(xiàng)目順序逐一測(cè)試的固定模式進(jìn)行，主要采用任務(wù)式檢查方式，在發(fā)現(xiàn)電能表軟件的隱性缺陷及沖突狀況方面有所欠缺，因此研究復(fù)合式軟件功能評(píng)測(cè)方法有利于提高電能表的軟件功能的評(píng)測(cè)質(zhì)量和水平。

1 軟件功能及評(píng)測(cè)現(xiàn)狀

智能電能表軟件屬于嵌入式終端軟件，其最為核心的功能就是計(jì)量功能、數(shù)據(jù)運(yùn)算和參數(shù)存儲(chǔ)，同時(shí)為了能夠?qū)崿F(xiàn)用電管理和負(fù)荷控制等功能，還具備顯示、費(fèi)率和時(shí)段、編程設(shè)置、事件記錄、數(shù)據(jù)凍結(jié)、計(jì)時(shí)、通訊以及安全保護(hù)等功能[2]。由于智能電能表主要用于貿(mào)易結(jié)算的場(chǎng)合，使其軟件要求在可信性、安全性、可靠性上具備較高級(jí)別的性能。

目前，智能電能表的軟件功能評(píng)測(cè)工作還存在許多問題，評(píng)價(jià)工作還局限于任務(wù)式檢查，主要側(cè)重于對(duì)計(jì)量器具的法制功能測(cè)評(píng)和確認(rèn)的驗(yàn)證檢查，采用按項(xiàng)目順序逐一測(cè)試的固定模式來進(jìn)行電能表軟件功能評(píng)測(cè)，同時(shí)測(cè)試人員對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的理解也不盡相同，并且部分測(cè)試人員在專業(yè)的軟件評(píng)價(jià)技術(shù)理論和規(guī)范程序的知識(shí)上掌握得不夠全面[3]，致使智能電能表的軟件評(píng)測(cè)工作具有不全面性和不確定性，易導(dǎo)致電能表軟件的隱性缺陷無法查出，不利于電能表整機(jī)質(zhì)量的控制和檢查，同時(shí)也會(huì)給電能表實(shí)際應(yīng)用和用電管理的可靠性留下隱患，遠(yuǎn)未能滿足智能電能表的軟件功能評(píng)價(jià)目的和深層要求。

2 評(píng)價(jià)項(xiàng)目和要求

隨著JJF 1245.2-2019《安裝式交流電能表型式評(píng)價(jià)大綱 軟件要求》的更新，國際建議OIML R46-1/-2：2012計(jì)量性能保護(hù)的國際市場(chǎng)準(zhǔn)入要求等 [4-5]，結(jié)合我國電能表技術(shù)特點(diǎn)和管理要求，針對(duì)智能電能表的軟件功能的評(píng)測(cè)，可根據(jù)智能電能表軟件的功能性質(zhì)將內(nèi)核軟件功能劃分為計(jì)量技術(shù)和安全管理兩部分[6]，包括標(biāo)識(shí)、功能、參數(shù)、數(shù)據(jù)、接口和程序等方面。

計(jì)量技術(shù)部分應(yīng)包括電量參數(shù)運(yùn)算、時(shí)鐘功能、專用參數(shù)保護(hù)、費(fèi)率電能的計(jì)算、存儲(chǔ)與凍結(jié)、費(fèi)率和時(shí)段的設(shè)置、電參數(shù)和電能量的數(shù)據(jù)凍結(jié)。安全管理部分包括事件記錄功能（清零、升級(jí)、校時(shí)、修改專有參數(shù)）、其他事件記錄功能、軟件接口、安全性、軟件標(biāo)識(shí)、紅外、RS485、載波、無線等通信接口功能、控制、報(bào)警、費(fèi)控及其他功能等。

評(píng)測(cè)要求軟件功能應(yīng)具備保護(hù)其計(jì)量性能的方法，具備對(duì)軟件保護(hù)、參數(shù)保護(hù)以及事件記錄授權(quán)訪問的等級(jí)；軟件標(biāo)識(shí)應(yīng)當(dāng)明確地標(biāo)識(shí)儀表法制相關(guān)軟件，應(yīng)能通過命令展示或通過操作顯示出來；軟件保護(hù)應(yīng)當(dāng)具備預(yù)防誤操作、防止欺詐和參數(shù)保護(hù)等內(nèi)容。要求包含儀表和子組件的分離，軟件部分的分離，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通過通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)（計(jì)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性、真實(shí)性、法制相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)容量、傳輸數(shù)據(jù)的完整性、真實(shí)性、密鑰的保密性、不合法數(shù)據(jù)的處理），時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的保護(hù)，自動(dòng)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸（傳輸延時(shí)、傳輸中斷）、時(shí)間戳，軟件維護(hù)和升級(jí)，事件記錄檢測(cè)，軟件備案和比對(duì)等內(nèi)容。

3 評(píng)測(cè)方法研究

3.1 模擬評(píng)測(cè)的合理性

智能電能表軟件功能評(píng)測(cè)的主要目的在于驗(yàn)證軟件的可靠性、符合性、糾錯(cuò)機(jī)制和自恢復(fù)能力。由于其運(yùn)行和測(cè)試需要依據(jù)特定的硬件環(huán)境，從實(shí)際工作的角度來看，電能表最終是要應(yīng)用在電網(wǎng)上的，原則上說，交流電能表的軟件功能測(cè)試應(yīng)當(dāng)將電能表掛入電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行測(cè)試，這樣測(cè)試才能夠最真實(shí)地反應(yīng)出電能表的軟件功能優(yōu)劣[7]。但是，這與實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的型式試驗(yàn)方法相比，存在以下幾個(gè)問題：首先，這將大大延長(zhǎng)試驗(yàn)周期，實(shí)時(shí)掛網(wǎng)運(yùn)行不可能在較短的時(shí)間內(nèi)查出可能存在的問題；其次，實(shí)際電網(wǎng)中不可能出現(xiàn)所有需要測(cè)試的狀態(tài)，不利于對(duì)軟件功能全面的檢查；最后，由于電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)要比實(shí)際來得更為復(fù)雜，實(shí)際用電狀態(tài)的復(fù)雜性使得即使發(fā)現(xiàn)了問題，也不太可能知道具體的原因，難以判斷軟件功能的好壞。

鑒于以上觀點(diǎn)，通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，以較為理想的方式，通過典型性試驗(yàn)的方法，利用分解簡(jiǎn)化概括的思想，尋找簡(jiǎn)單實(shí)用的方法模擬用電現(xiàn)場(chǎng)不同用電狀態(tài)[8]，來達(dá)到評(píng)估電能表軟件功能的目的。

3.2 復(fù)合評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

根據(jù)上文第2部分“評(píng)價(jià)項(xiàng)目和要求”中對(duì)項(xiàng)目和要求的分析，電能表軟件功能評(píng)價(jià)應(yīng)對(duì)不同類型的軟件要求應(yīng)采用不同的測(cè)評(píng)方式來進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合軟件的計(jì)量技術(shù)和安全管理的功能特點(diǎn)，基于直觀查驗(yàn)和模擬測(cè)試組合應(yīng)用的模式，設(shè)計(jì)了文檔靜態(tài)分析查驗(yàn)和技術(shù)特性動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)合應(yīng)用的復(fù)合式軟件功能評(píng)測(cè)方法，對(duì)電能表的軟件功能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。

3.2.1文檔靜態(tài)分析查驗(yàn)

測(cè)試人員根據(jù)完整性的文檔和明確標(biāo)識(shí)，如大綱技術(shù)要求、用戶技術(shù)手冊(cè)、電能表特殊功能、系統(tǒng)需求說明等，建立功能列表、關(guān)系圖和文檔審查單、并策劃生成功能測(cè)試方案，根據(jù)文檔中的文字描述和圖示來評(píng)價(jià)被測(cè)電能表的功能和特性，并判定其是否不符合要求、是否存在二義性、是否存在缺陷等，文檔靜態(tài)分析查驗(yàn)流程如圖1所示。

3.2.2技術(shù)特性動(dòng)態(tài)測(cè)試

技術(shù)特性動(dòng)態(tài)測(cè)試采用虛擬負(fù)荷模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行軟件技術(shù)性能評(píng)價(jià)[9]，通過功能測(cè)試，軟件評(píng)價(jià)總體框圖如圖2所示，工控試驗(yàn)設(shè)備作為電功率輸出源與智能電能表同步電參數(shù)，再由數(shù)據(jù)系統(tǒng)下發(fā)控制指令，模擬工況狀態(tài)，通過監(jiān)視和采集智能電能表的參數(shù)、狀態(tài)、存儲(chǔ)、告警、控制和標(biāo)識(shí)等數(shù)據(jù)來進(jìn)行功能性能的評(píng)價(jià)。

為了方便對(duì)電能表軟件功能歸類測(cè)試，其中計(jì)量技術(shù)部分主要是進(jìn)行功能符合性測(cè)試，安全管理部分則包括安全和標(biāo)識(shí)內(nèi)容檢查、通信規(guī)約一致性測(cè)試和配套硬件（模塊、接口等）檢查等內(nèi)容，根據(jù)不同的要求分別采用不同的方式進(jìn)行評(píng)測(cè)，詳細(xì)應(yīng)用如表1所示。

1）安全和標(biāo)識(shí)內(nèi)容檢查：標(biāo)識(shí)內(nèi)容可以通過目測(cè)或比對(duì)的直觀方式進(jìn)行檢查，如電能表軟件版本、輪顯或鍵顯內(nèi)容、模塊版本等信息。針對(duì)預(yù)防誤操作、防止欺詐和參數(shù)保護(hù)等軟件保護(hù)內(nèi)容，以及事件記錄授權(quán)訪問的等級(jí)等檢查需要進(jìn)行軟件特性模擬測(cè)試。

2）功能符合性測(cè)試：使電能表處于正常運(yùn)行狀態(tài)，通過電能測(cè)試裝置和計(jì)算機(jī)，依據(jù)大綱要求和使用手冊(cè)要求，采用故障模擬測(cè)試的方法，通過人為設(shè)置電參數(shù)、時(shí)間和投切等方式來模擬各種實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)用電場(chǎng)合，以核查各項(xiàng)功能是否符合要求，如電能計(jì)量功能、通訊功能、事件記錄功能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、費(fèi)率和對(duì)時(shí)功能等。采用變時(shí)加速測(cè)試方案，數(shù)據(jù)凍結(jié)可按固定規(guī)律連續(xù)下發(fā)對(duì)時(shí)命令，并相應(yīng)調(diào)整工控試驗(yàn)裝置功率輸出，利用時(shí)間加速的方法連續(xù)凍結(jié)電能數(shù)據(jù)，測(cè)試電能表總電能、費(fèi)率電能、需量、參數(shù)、時(shí)間等的正確性。

3）通信規(guī)約一致性測(cè)試：采用交互比對(duì)的方式，在保護(hù)計(jì)算機(jī)與電能表的良好通訊的情況下，通過改變電能測(cè)試裝置的電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)來模擬電能表的用電情況，記錄在不同的條件下的電能數(shù)據(jù)、事件記錄和通訊狀態(tài)，以核查與通信規(guī)約的一致情況。

4）配套硬件（模塊、接口等）檢查：應(yīng)用重復(fù)讀寫測(cè)試的方式，檢查具備軟件功能的硬件模塊是否符合要求，如載波模塊、小無線模塊、安全保護(hù)模塊、數(shù)據(jù)加密模塊、負(fù)荷控制接口等。

3.2.3復(fù)合評(píng)測(cè)策略

傳統(tǒng)的電能表軟件功能評(píng)價(jià)方式主要是任務(wù)式檢查，主要采用功能查驗(yàn)與模擬驗(yàn)證并行的單線逐一測(cè)試的評(píng)價(jià)方式來進(jìn)行符合性判定，評(píng)價(jià)策略框圖如圖3所示，此種評(píng)價(jià)方式具有程序簡(jiǎn)單、目標(biāo)明確、結(jié)論清楚的特點(diǎn)，但是此種方式具有一定的不全面性和不確定性，對(duì)于隱性缺陷和復(fù)義性的檢查有所欠缺。鑒于對(duì)傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式的優(yōu)化，提出電能表的復(fù)合評(píng)測(cè)策略，其原理是以功能查驗(yàn)-模擬驗(yàn)證-功能查驗(yàn)的檢驗(yàn)方式，是文檔靜態(tài)分析查驗(yàn)和技術(shù)特性動(dòng)態(tài)測(cè)試的交叉應(yīng)用，策略框圖如圖4所示。首先，明確技術(shù)指標(biāo)，建立對(duì)應(yīng)測(cè)試方法和評(píng)估要求，設(shè)置評(píng)測(cè)項(xiàng)目總表和設(shè)計(jì)測(cè)試方案，并確定試驗(yàn)設(shè)備，包括電能測(cè)試裝置（用于提供用電狀態(tài)的模擬）、數(shù)據(jù)系統(tǒng)（用于測(cè)試數(shù)據(jù)收發(fā)）、軟件測(cè)試工具（Klocwork、QAC、Polyspace、C++Test、Testbed等）及轉(zhuǎn)換器與通訊線等外設(shè)裝置；然后，根據(jù)測(cè)試方案應(yīng)用文檔靜態(tài)分析查驗(yàn)軟件功能，并針對(duì)軟件功能進(jìn)行分類列表，形成審查單和故障狀態(tài)模擬試驗(yàn)表，再應(yīng)用技術(shù)特性動(dòng)態(tài)測(cè)試對(duì)分類別分項(xiàng)目實(shí)施具體測(cè)試，在測(cè)試過程中對(duì)就審查單進(jìn)行交叉驗(yàn)證，注意測(cè)試效率、測(cè)試覆蓋率和測(cè)試深度等方面的控制，試驗(yàn)后生成分項(xiàng)結(jié)果；最后，匯總分項(xiàng)結(jié)果并與評(píng)測(cè)項(xiàng)目總表進(jìn)行比對(duì)確認(rèn)，并利用量化評(píng)價(jià)方法評(píng)估軟件功能的合理性、規(guī)范性、符合性、安全性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性等指標(biāo)，最后生成電能表的軟件功能綜合評(píng)測(cè)報(bào)告。

3.3 關(guān)注事項(xiàng)

在評(píng)測(cè)過程中，為了防止誤判、提高效率，并更為切合實(shí)際，需要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

1）當(dāng)評(píng)測(cè)不符合或無返回時(shí)，需要及時(shí)查出問題的原因，排除干擾，重新進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，防止誤判。

2）下發(fā)多個(gè)設(shè)置命令時(shí)，應(yīng)確保命令接收成功，注意命令超時(shí)提醒，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行參數(shù)和狀態(tài)的召測(cè)驗(yàn)證。

3）在進(jìn)行數(shù)據(jù)凍結(jié)和事件記錄測(cè)試時(shí)，應(yīng)合理設(shè)計(jì)嵌套交叉測(cè)試方案，以提升測(cè)試效率，例如測(cè)試費(fèi)率需量時(shí)，需要注意費(fèi)率時(shí)段的切換。

4）開始新一個(gè)項(xiàng)目測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意電表清零設(shè)置或狀態(tài)復(fù)位設(shè)置。

5）在進(jìn)行預(yù)防誤操作、防止欺詐和安全性等測(cè)試項(xiàng)目時(shí)，要注重結(jié)合電能實(shí)際使用的情況，盡量切合實(shí)際并且覆蓋各個(gè)場(chǎng)景。

6）應(yīng)根據(jù)智能電能表的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)關(guān)注軟件功能的符合性與合理性。

4 結(jié)語

智能電能表軟件功能評(píng)測(cè)的初級(jí)目標(biāo)只是為了驗(yàn)證功能是否正確運(yùn)行、是否符合規(guī)定要求，其深層的目標(biāo)是為了挖掘缺陷并加以修正以提升產(chǎn)品質(zhì)量，通過合理科學(xué)的綜合評(píng)測(cè)可更為有效地提前發(fā)現(xiàn)缺陷和沖突，上文基于綜合評(píng)測(cè)的思路，詳細(xì)闡述了智能電能表軟件功能復(fù)合評(píng)價(jià)方法的原理和流程，能夠更全面地查驗(yàn)電能表的軟件功能的安全性、合理性和穩(wěn)定性等指標(biāo)，有益于提升電能表軟件功能評(píng)測(cè)水平。

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收稿日期：2023-05-15

作者簡(jiǎn)介：沈明炎，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，高級(jí)工程師，國家一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師，碩士

陳" "靜，女，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，工程師，國家一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師，碩士

林家斌，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，助理工程師，碩士

黃長(zhǎng)浩，男，福建省計(jì)量科學(xué)研究院，助理工程師，碩士