DQZHAN技術(shù)訊：基于IEC61850的配電自動化系統(tǒng)功能測試
基于IEC61850的配電自動化系統(tǒng)功能測試對于保證系統(tǒng)在實際工況下的正確運行起到重要作用。但功能測試也面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是配電自動化系統(tǒng)的組成部分在地理上分布很廣泛。文章首先介紹了IEC61850Ed2.0中定義的與測試相關(guān)的特性；然后討論了各種功能測試的方法；*后提出了一些專門的測試類型。這些測試可保證配電自動化系統(tǒng)作為整體在有通信延時的實際工況下滿足功能要求。
0?引言
對于保護與控制系統(tǒng)，功能和應(yīng)用測試已是被廣泛采用的測試技術(shù)了。為保證在各種不同系統(tǒng)條件下，尤其當分布式能源（DER）接入配電系統(tǒng)時，配電自動化系統(tǒng)（DAS）都能按照設(shè)計運行，功能和應(yīng)用測試對配電自動化系統(tǒng)也是需要的。
本文討論配電自動化系統(tǒng)中設(shè)備和分布式功能的功能測試詳細需求，并提出系統(tǒng)測試方法和類型。當配電網(wǎng)發(fā)生事故時，配電自動化系統(tǒng)對于保證供電質(zhì)量起到重要作用。它們在地理上覆蓋大小不同的很多區(qū)域，使用高速通信將多功能保護智能電子設(shè)備（PIED）連接起來執(zhí)行各種功能。
DAS在需要動作時拒動或非故障條件下誤動都會對系統(tǒng)供電質(zhì)量造成很大影響或造成不必要的負荷切除，這些都會造成經(jīng)濟損失。這就是為什么需要通過合適的測試方法與技術(shù)確保DAS正確性的原因。
在一個復(fù)雜的DAS中，需要使用標準通信協(xié)議來集成不同的多功能設(shè)備，以通過廣域網(wǎng)高速可靠地實現(xiàn)保護和配電自動化功能。IEC61850就是滿足這種需求的標準，一方面能夠?qū)AS的組成部分進行建模；另一方面可以提供用于實現(xiàn)信息交換所需的服務(wù)。
如圖1所示，處于DAS底層、基于IEC61850的PIED可執(zhí)行各種不同的功能，如檢測配電系統(tǒng)拓撲改變、檢測配電系統(tǒng)負荷改變、檢測故障、**故障，以及重構(gòu)配電系統(tǒng)。這些功能使用IEC61850-7-4所定義的各種邏輯節(jié)點進行建模。PIED的保護邏輯設(shè)備PROT的簡化對象模型見圖2。
圖1DAS結(jié)構(gòu)
圖2保護功能的IEC61850對象模型
邏輯節(jié)點PIOC和PTOC可用于檢測故障和**故障，RREC可用于自動重合閘。IEC61850Ed2.0定義了允許圖2所示模型的嵌入邏輯設(shè)備。由于繼承了內(nèi)部嵌套結(jié)構(gòu)的行為，因此這對DAS的測試產(chǎn)生很大影響。
如圖3所示，可通過監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)瞬時值在模擬量死區(qū)附近的變化量來實現(xiàn)對配電系統(tǒng)負荷變化的監(jiān)測。例如，被MMXU所描述的電流，任何時刻只要其值超出了死區(qū)，*新的數(shù)值就以模擬量GOOSE上報。
圖3模擬量GOOSE的死區(qū)
模擬量死區(qū)會隨著*新上送量移動，直到當監(jiān)測量下次超越死區(qū)。利用對開關(guān)或刀閘輔助節(jié)點的監(jiān)測，通過XCBR和XSWI可實現(xiàn)對配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲改變的監(jiān)測，這些邏輯節(jié)點也可用于**故障和重構(gòu)配電系統(tǒng)。
在DAS測試中，有一個假設(shè)就是所選用設(shè)備都是符合IEC61850Ed2.0，來自不同廠家的設(shè)備是可以互操作的。本文討論DAS中所用設(shè)備和分布式功能的功能測試詳細需求。按照下列順序測試系統(tǒng)組件，提出系統(tǒng)測試方法。
測試順序為：①系統(tǒng)中所使用的各IED的功能測試；②變電站中分布式功能的功能測試；③變電站間分布式功能的功能測試；④整個DAS功能測試；⑤DAS端對端測試。
系統(tǒng)組件及整個系統(tǒng)的測試方法為：①黑盒測試；②白盒測試；③自頂向下測試；④自底向上測試。
本文討論上述每種方法的應(yīng)用場合，提出針對單獨設(shè)備以及分布式功能的詳細方案。一旦DAS投入運行，需要確保即使系統(tǒng)中的任何組件出現(xiàn)問題，也不能錯誤動作。
1?IEC61850Ed2.0與測試相關(guān)的特性
前文描述的測試方法主要用于型式試驗、驗收測試、竣工測試、出廠驗收及現(xiàn)場驗收測試。為支持在投運變電站中對IEC61850系統(tǒng)組件進行測試，IEC61850Ed1.0定義了一些可用于測試的特性。這些特性包括：
1）可將功能（function，F(xiàn)）或功能元素（functionelement，F(xiàn)E）（邏輯設(shè)備或邏輯節(jié)點）設(shè)置為測試模式；
2）可將GOOSE報文標記為測試目的；
3）可將控制模型標記為測試目的；
4）可將服務(wù)器發(fā)出的任何數(shù)據(jù)的品質(zhì)標識設(shè)置為測試目的。
但是，IEC61850Ed1.0并未詳細說明如何使用上述特性，于是這些特性并未被所有廠商支持，互操作無法得到保證。IEC61850Ed2.0對此進行了改進，除了對現(xiàn)有特性如何使用進行詳細規(guī)范外，還增加了一些新特性。
1.1?功能測試模式
通過邏輯節(jié)點或LLN0的數(shù)據(jù)對象Mod，可將一個邏輯節(jié)點或邏輯設(shè)備設(shè)置為測試模式。被控制模式（Mod）所定義的行為（見表1）可用于繼承圖4所示的功能模式結(jié)構(gòu)。圖5、圖6對此進一步解釋。
圖4模型繼承
如圖5所示，一個用于執(zhí)行的命令可以通過控制執(zhí)行發(fā)出也可以通過訂閱的GOOSE報文實現(xiàn)，GOOSE報文中的數(shù)據(jù)可作為控制目的使用。如果發(fā)出命令的測試標志為FALSE，并且功能（邏輯節(jié)點或邏輯設(shè)備）為“ON”，命令將被執(zhí)行。如果設(shè)備被設(shè)置為測試模式，命令將不被執(zhí)行。
圖5帶有Test=FALSE的命令
如圖6所示，如果發(fā)出命令的測試標志為TRUE，并且功能為“ON”，命令將不被執(zhí)行。如果功能設(shè)置為“TEST”，命令將被執(zhí)行并產(chǎn)生一個接線輸出（如向斷路器發(fā)一個跳閘信號）。如果功能被設(shè)置為“TEST-BLOCKED”，命令將被處理，所有的反應(yīng)都會產(chǎn)生（發(fā)一個命令確認），但不激活接線輸出。“TEST-BLOCKED”模式對于在已運行變電站中進行測試工作非常有用。
圖6 圖5帶有Test=TRUE的命令
1.2報文仿真
IEC61850Ed2.0中增加的另一特性是可以從仿真或測試設(shè)備訂閱GOOSE或SV報文。如圖7所示，GOOSE或SV報文都有一個指示標志，表示該報文是原始報文還是由仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的報文。此外，IED在邏輯節(jié)點LPHD（物理設(shè)備或IED的邏輯節(jié)點）中也有一個數(shù)據(jù)對象，用于規(guī)定該設(shè)備是否接受原始GOOSE、SV報文或仿真報文。如果數(shù)據(jù)對象Sim設(shè)置為TRUE，IED將接收所有訂閱的仿真標志設(shè)置為TRUE的GOOSE報文。如果一個特定GOOSE報文不存在仿真報文，則繼續(xù)接收原始報文。該特性只能用于整個IED，這是因為IED既能接收仿真報文又能接收原始報文。
圖7GOOSE報文仿真
1.3?控制信息鏡像
IEC61850Ed2.0增加的第3個特性是控制信息鏡像，該特性可在設(shè)備接入系統(tǒng)的條件下測試和評價控制操作的性能。
如圖8所示，控制命令作用于一個可控的數(shù)據(jù)對象。收到控制命令后，設(shè)備激活數(shù)據(jù)屬性opRcvd，然后設(shè)備處理控制命令。如果命令被接受，數(shù)據(jù)屬性opOk將以與接線輸出相同的時間（如脈沖持續(xù)時間）被激活，數(shù)據(jù)屬性tOpOK與接線輸出和opOk具有相同的時標。
圖8控制信息鏡像
如果功能處于“TEST-BLOCKED”模式，接線輸出將無法生成。但是無論接線輸出是否產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)屬性都可以獨立生成。這樣就可在不產(chǎn)生輸出的情況下，對其性能和功能進行評估。
1.4?系統(tǒng)中設(shè)備的隔離與測試
將前文所述機制綜合在一起，就可以對與系統(tǒng)相連的設(shè)備進行測試了。假設(shè)要對主保護1進行性能測試，主保護1從一個合并單元接收采樣值。在主保護1的邏輯節(jié)點LPHD中，應(yīng)將數(shù)據(jù)對象Sim設(shè)置為TRUE，將保護功能的邏輯設(shè)備設(shè)置為“TEST”模式，將與斷路器接口的邏輯節(jié)點XCBR設(shè)置為“TEST-BLOCKED”。測試設(shè)備發(fā)送正常的采樣值數(shù)據(jù)給保護設(shè)備，這些采樣值報文的仿真標志被設(shè)置為TRUE。
這時保護裝置就會收到來自測試設(shè)備的采樣值報文，并且執(zhí)行跳閘命令。XCBR會接收并處理跳閘命令，然而并不產(chǎn)生輸出。輸出情況可以通過數(shù)據(jù)屬性XCBR.Pos.opOK來進行確認，其時序可通過測量數(shù)據(jù)屬性XCBR.Pos.tOpOk來確認。
1.5?**仿真的可能性
如圖9所示，還有一些可用于功能測試的增強型**仿真特性。如前所述，在IEC61850Ed2.0中增加了對邏輯節(jié)點輸入引用的描述。具體是通過公用數(shù)據(jù)類ORG的數(shù)據(jù)對象InRef的多實例來實現(xiàn)的。該數(shù)據(jù)對象有2個數(shù)據(jù)屬性可供對象引用：一個用于正常的輸入，另一個用于測試輸入。通過激活數(shù)據(jù)屬性tstEna，該邏輯節(jié)點將利用測試輸入而不是正常輸入來實現(xiàn)其功能。
圖9仿真輸入
利用該特性，可測試具有互鎖特性的邏輯功能。例如，邏輯節(jié)點CILO可從邏輯節(jié)點GGIO獲取輸入，而不必使用實際開關(guān)的不同位置作為輸入。這樣測試軟件可以很容易地修改GGIO的數(shù)據(jù)對象來模擬需要驗證的測試模式。邏輯節(jié)點可以是外部的（數(shù)據(jù)對象通過GOOSE報文接收），也可以是在IED中建立的。
對于上述方法，單個仿真輸入的詳細功能測試可以采用，但其對于性能測試來說卻不是必需的。因為單個輸入是可切換的，因此為了接收新的輸入，可能會改變與GOOSE報文有關(guān)的場景，這樣動態(tài)行為也可能會改變。
2?功能測試方法
功能測試方法可分為幾大類。它們既與分層系統(tǒng)中各層所使用的每個設(shè)備功能的復(fù)雜度有關(guān)，也與所實現(xiàn)的分布式功能類型有關(guān)。從這一角度，可分為如下常用測試：①功能元素測試；②集成測試；③功能測試；④系統(tǒng)測試。
這里所說的“功能”可以看做是一個帶有不同等級復(fù)雜度的子系統(tǒng)，比如監(jiān)測系統(tǒng)功能。無論被測對象是什么，它們都必須滿足可測性要求。這是一個使系統(tǒng)或其子系統(tǒng)的狀態(tài)（可操作、不可操作、降級）能夠被及時確定的設(shè)計特性。可測性能夠使系統(tǒng)方便地檢測和隔離影響系統(tǒng)性能的故障。按可測試性觀點，DAS中的一個功能元素就是一個可被測試的單元，因為它是DAS中能夠獨立存在并可與其他單元進行信息交換的*小單元。
另一個需要考慮的是測試的目的和需求，區(qū)分其是針對新產(chǎn)品或新功能（如系統(tǒng)監(jiān)測器或處理控制器）的驗收測試，還是變電站組件的工程調(diào)試測試，或是整個DAS及其維護測試。據(jù)此，即使針對同一功能元素或同一功能的測試，也可能采用不同的測試方法。例如，在用戶驗收階段測試系統(tǒng)監(jiān)測功能，可采用搜索測試方法測試測量單元的特性。而在投運過程中，則使用暫態(tài)仿真方法進行不同系統(tǒng)條件的模擬。被測對象的內(nèi)部行為、邏輯或執(zhí)行的算法決定了測試如何進行。
系統(tǒng)組件及整個系統(tǒng)的測試方法有以下幾種：①黑盒測試；②白盒測試；③自頂向下測試；④自底向上測試。其中*常用的測試方法為黑盒測試和白盒測試。在測試中需要考慮的一個重要問題就是實現(xiàn)不同DAS功能的備用設(shè)備的可用性。
2.1?黑盒測試
黑盒測試是一種將被測試對象視做黑盒的廣泛使用的測試方法，這意味著測試系統(tǒng)不關(guān)心被測功能的內(nèi)部行為和結(jié)構(gòu)，只關(guān)心在給定條件下被測對象的表現(xiàn)是否滿足相關(guān)規(guī)范。測試數(shù)據(jù)只從相關(guān)規(guī)范獲得，并不利用該功能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。具體見圖10。
圖10黑盒測試
黑盒測試主要用于功能元素測試、DAS出廠驗收、DAS現(xiàn)場驗收測試。由于功能元素被定義為能夠獨立存在的且可測試的*小單元。顯然，黑盒測試是**能夠?qū)δ茉剡M行測試的方法。測試對象對仿真信號的響應(yīng)可通過對物理輸出、通信報文或報告的操作而由測試系統(tǒng)監(jiān)測得到。
2.2?白盒測試
白盒測試是一種既關(guān)心在測試條件下被測對象運行情況，也關(guān)心其內(nèi)部行為與結(jié)構(gòu)的測試方法，見圖11。在DAS中，白盒測試既可以按照功能邊界監(jiān)測系統(tǒng)運行情況，也能監(jiān)測系統(tǒng)不同組件間的信號交換。這種測試策略能檢測到測試對象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這對于分析測試對象的內(nèi)部行為非常有用，尤其是當測試失敗的時候。使用此策略，測試系統(tǒng)在不忽略技術(shù)規(guī)范需求的情況下，通過檢測測試對象的邏輯而獲得測試數(shù)據(jù)。白盒測試方法的目的是通過檢測一個復(fù)雜功能的不同組件的運行情況以及組件間信號或報文交換情況，來獲得更高的測試覆蓋率。IEC61850為白盒測試提供了良好環(huán)境。如果系統(tǒng)做了適當?shù)墓こ膛渲茫斜贿壿嫻?jié)點表示的功能元素的狀態(tài)在GOOSE報文中都是可見的。
圖11白盒測試
當測試基于不同邏輯接口的分布式功能時，白盒測試是非常有用的。測試系統(tǒng)通過監(jiān)視測試對象各組件間交換的報文來實現(xiàn)對子功能（sub-function，SF）或功能行為的觀察。白盒測試場景可以與黑盒測試場景相同。
2.3?自頂向下測試
自頂向下測試在DAS中，尤其在現(xiàn)場驗收中是廣泛使用的測試方法。在這種情況下，系統(tǒng)的所有組件都可以被配置和測試。自頂向下測試可通過黑盒測試和白盒測試方法實現(xiàn)。測試從整個系統(tǒng)開始，之后是功能或子功能測試，如必要可進行功能元素測試。
在出廠驗收中，如果系統(tǒng)或子系統(tǒng)的所有組件不全部可用，那么測試系統(tǒng)則有必要模擬其在預(yù)期測試場景下的運行情況，這樣測試系統(tǒng)就為不具備的功能或子功能創(chuàng)建了所謂的“仿真單元”。測試的“仿真單元”是指能夠模擬測試所涉及模塊操作的模塊，可代替實際的模塊（如一條線路監(jiān)測設(shè)備）來實現(xiàn)測試目的。當系統(tǒng)增加了額外的下層單元時，自頂向下的方**導(dǎo)致高層單元的重測。有時一些單元會同時增加，這些單元將作為每個功能元素測試的測試背景。
采用自頂向下測試策略，每個功能元素都將按照功能元素測試計劃進行測試。如果考慮對實現(xiàn)IEC61850的DAS采用自頂向下的測試方式，則需要從定義功能邊界開始。當特定測試失敗時，需要對系統(tǒng)功能的單個組件進行測試。每個測試的功能邊界都是不同的，而且需要一系列來自測試系統(tǒng)的激勵，以及利用不同的信號或通信報文對功能元素行為進行的監(jiān)測。例如，如果對被監(jiān)測線路的檢測出現(xiàn)故障時，將按照圖12所示的功能等級執(zhí)行進一步測試，如果仍失敗，將繼續(xù)做底層的測試，包括對一些監(jiān)測功能元素的測試，如對配電網(wǎng)饋線電流或由邏輯節(jié)點MMXU所代表的有功功率的測量。
圖12對配電自動化系統(tǒng)自頂向下測試
2.4?自底向上測試
自底向上測試是一種從底層功能開始測試的方法，通常用于系統(tǒng)**能元素的測試。該方法適用于制造商的型式試驗或用戶的驗收測試。當測試復(fù)雜的多層功能或系統(tǒng)時，必須為不可用部分創(chuàng)建驅(qū)動功能元素。當執(zhí)行測試（如進行出廠驗收）時，測試系統(tǒng)必須能夠仿真系統(tǒng)中任何缺失的組件。
自底向上與自頂向下測試方法相比，兩者具有很多相似之處，其主要差異在于測試順序和需要測試的數(shù)量。
3?DAS的功能測試
對很多機構(gòu)、組織而言，了解一個復(fù)雜系統(tǒng)中哪些功能已被測試，哪些功能還未被測試，依然是一個很大的挑戰(zhàn)。因此為確保質(zhì)量，所需要投入的測試時間日漸成為保證DAS成功運行的重要因素之一。
工程、調(diào)試和運行維護人員將功能需求轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的測試案例，并通過這些測試案例來證明DAS在給定時刻或在任何特定條件下都是滿足需求的。為了建立能夠定義和區(qū)分功能要求的可執(zhí)行測試方案，需要制定測試計劃來更加快速、客觀地評估被測功能的性能。應(yīng)經(jīng)常執(zhí)行這些測試，以確保功能修改或固件升級后不會影響之前已測試過的功能。一個有效的功能測試過程會定義一系列指南，來有效指導(dǎo)測試技術(shù)的使用。然后這些指南的實現(xiàn)和集成將被融入資產(chǎn)管理系統(tǒng)中。
為進行有效的系統(tǒng)測試，用戶或制造商不僅要定義測試過程，還要實現(xiàn)該過程，并將該過程集成到工程過程中不斷地、經(jīng)常地使用。功能測試應(yīng)成為DAS設(shè)計的一部分。DAS每個單獨單元的功能在設(shè)計時，就必須考慮如何對其進行測試。
下文討論了DAS功能測試的不同方法以及可以作為被執(zhí)行測試某種功能的獨立組件，包括某些對功能和應(yīng)用測試的類型和方法的定義。如果要測試一個復(fù)雜DAS，就需要使用系統(tǒng)測試的方法和工具。
系統(tǒng)測試是指對一個完整、集成的系統(tǒng)進行測試，以確認該系統(tǒng)滿足特定的要求。系統(tǒng)測試的一個準則就是所有被集成的組件都應(yīng)通過集成測試，軟件系統(tǒng)也應(yīng)與應(yīng)用硬件相集成。系統(tǒng)測試實際上是依照功能需求規(guī)范（FRS）和/或系統(tǒng)需求規(guī)范（SRS）對全系統(tǒng)進行的測試。此外，系統(tǒng)測試還是一個測試階段，不僅關(guān)注設(shè)計，而且關(guān)注DAS的行為和預(yù)期性能，也可能涉及需求規(guī)范之外的一些內(nèi)容。本節(jié)不討論單個PIED的測試，假定它們被選擇用在DAS中時，在驗收測試中已被詳細測試過了。
3.1?集成測試
集成測試不僅可以確保系統(tǒng)的單個組件能夠正確互操作，也能滿足DAS開發(fā)規(guī)范所規(guī)定的性能要求。集成測試需要測試通信鏈路兩端的設(shè)備，見圖13。測試方法和工具在端對端及子系統(tǒng)測試中已經(jīng)描述了。
圖13集成測試
3.2?DAS出廠驗收
出廠驗收是對特定設(shè)計和應(yīng)用的DAS進行經(jīng)用戶同意的的功能測試。它是*終用戶和系統(tǒng)集成商之間的一項協(xié)議，可以讓潛在問題在項目早期暴露出來，易于問題處理且費用較低。
出廠驗收應(yīng)按照測試計劃所描述的測試場景，采用自頂向下方式進行。這些測試場景作為系統(tǒng)設(shè)計工作的一部分，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，黑盒測試方法可用于特定測試，白盒測試方法用于確定測試失敗的原因。出廠驗收的一個特點在于不是系統(tǒng)的所有組件都可用，這就要求測試系統(tǒng)能夠模擬DAS中那些缺失的設(shè)備；出廠驗收的另一個特點是系統(tǒng)已有的組件都按照實際系統(tǒng)的應(yīng)用要求進行了配置和設(shè)置。
出廠驗收是基于IEC61850SCD文件對所有設(shè)備進行配置的。如圖14所示，出廠驗收也要求使用基于系統(tǒng)模型的暫態(tài)仿真對配電系統(tǒng)行為進行模擬。在測試中，配電系統(tǒng)每一個配置多功能IED的位置都被測試設(shè)備模擬，這些測試設(shè)備由運行在測試計算機上的測試軟件控制。
圖14用于故障條件下暫態(tài)仿真的配網(wǎng)系統(tǒng)模型
測試軟件執(zhí)行如下功能組：
1）對所有IED布置的位置提供特定故障條件的仿真；
2）對每個IED布置位置的測試設(shè)備進行控制，以同步方式模擬開關(guān)設(shè)備狀態(tài)以及所涉及的電流和電壓；
3）發(fā)布與集中式配電自動化系統(tǒng)信號所對應(yīng)的，或出廠驗收系統(tǒng)中不可用的IED信號所對應(yīng)的IEC61850GOOSE報文；
4）監(jiān)視配電自動化系統(tǒng)中所涉及的IED輸出繼電器狀態(tài)改變；
5）從配電自動化系統(tǒng)所涉及的所有IED訂閱IEC61850GOOSE報文；
6）分析并評估配電自動化系統(tǒng)所有組件的性能。
工程驗收測試的執(zhí)行需要考慮所有預(yù)先設(shè)想的故障或其他異常工況，包括：
1）測試IED故障的影響；
2）測試通信設(shè)備故障的影響；
3）測試互感器故障的影響。
測試計劃中的測試用例應(yīng)包括正向測試和反向測試。圖15所示為一個配電自動化系統(tǒng)的出廠驗收現(xiàn)場。
