DQZHAN技術訊：基于IEC61850的配電自動化系統功能測試

基于IEC61850的配電自動化系統功能測試對于保證系統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，尤其是配電自動化系統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，功能和應用測試已是被廣泛采用的測試技術了。為保證在各種不同系統條件下，尤其當分布式能源（DER）接入配電系統時，配電自動化系統（DAS）都能按照設計運行，功能和應用測試對配電自動化系統也是需要的。

本文討論配電自動化系統中設備和分布式功能的功能測試詳細需求，并提出系統測試方法和類型。當配電網發生事故時，配電自動化系統對于保證供電質量起到重要作用。它們在地理上覆蓋大小不同的很多區域，使用高速通信將多功能保護智能電子設備（PIED）連接起來執行各種功能。

DAS在需要動作時拒動或非故障條件下誤動都會對系統供電質量造成很大影響或造成不必要的負荷切除，這些都會造成經濟損失。這就是為什么需要通過合適的測試方法與技術確保DAS正確性的原因。

在一個復雜的DAS中，需要使用標準通信協議來集成不同的多功能設備，以通過廣域網高速可靠地實現保護和配電自動化功能。IEC61850就是滿足這種需求的標準，一方面能夠對DAS的組成部分進行建模；另一方面可以提供用于實現信息交換所需的服務。

如圖1所示，處于DAS底層、基于IEC61850的PIED可執行各種不同的功能，如檢測配電系統拓撲改變、檢測配電系統負荷改變、檢測故障、**故障，以及重構配電系統。這些功能使用IEC61850-7-4所定義的各種邏輯節點進行建模。PIED的保護邏輯設備PROT的簡化對象模型見圖2。

圖1DAS結構

圖2保護功能的IEC61850對象模型

邏輯節點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備。由于繼承了內部嵌套結構的行為，因此這對DAS的測試產生很大影響。

如圖3所示，可通過監測系統參數瞬時值在模擬量死區附近的變化量來實現對配電系統負荷變化的監測。例如，被MMXU所描述的電流，任何時刻只要其值超出了死區，*新的數值就以模擬量GOOSE上報。

圖3模擬量GOOSE的死區

模擬量死區會隨著*新上送量移動，直到當監測量下次超越死區。利用對開關或刀閘輔助節點的監測，通過XCBR和XSWI可實現對配電系統網絡拓撲改變的監測，這些邏輯節點也可用于**故障和重構配電系統。

在DAS測試中，有一個假設就是所選用設備都是符合IEC61850Ed2.0，來自不同廠家的設備是可以互操作的。本文討論DAS中所用設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組件，提出系統測試方法。

測試順序為：①系統中所使用的各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。

系統組件及整個系統的測試方法為：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用場合，提出針對單獨設備以及分布式功能的詳細方案。一旦DAS投入運行，需要確保即使系統中的任何組件出現問題，也不能錯誤動作。

1?IEC61850Ed2.0與測試相關的特性

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、出廠驗收及現場驗收測試。為支持在投運變電站中對IEC61850系統組件進行測試，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）或功能元素（functionelement，FE）（邏輯設備或邏輯節點）設置為測試模式；

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）可將服務器發出的任何數據的品質標識設置為測試目的。

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，除了對現有特性如何使用進行詳細規范外，還增加了一些新特性。

1.1?功能測試模式

通過邏輯節點或LLN0的數據對象Mod，可將一個邏輯節點或邏輯設備設置為測試模式。被控制模式（Mod）所定義的行為（見表1）可用于繼承圖4所示的功能模式結構。圖5、圖6對此進一步解釋。

圖4模型繼承

如圖5所示，一個用于執行的命令可以通過控制執行發出也可以通過訂閱的GOOSE報文實現，GOOSE報文中的數據可作為控制目的使用。如果發出命令的測試標志為FALSE，并且功能（邏輯節點或邏輯設備）為“ON”，命令將被執行。如果設備被設置為測試模式，命令將不被執行。

圖5帶有Test=FALSE的命令

如圖6所示，如果發出命令的測試標志為TRUE，并且功能為“ON”，命令將不被執行。如果功能設置為“TEST”，命令將被執行并產生一個接線輸出（如向斷路器發一個跳閘信號）。如果功能被設置為“TEST-BLOCKED”，命令將被處理，所有的反應都會產生（發一個命令確認），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產生的報文。此外，IED在邏輯節點LPHD（物理設備或IED的邏輯節點）中也有一個數據對象，用于規定該設備是否接受原始GOOSE、SV報文或仿真報文。如果數據對象Sim設置為TRUE，IED將接收所有訂閱的仿真標志設置為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，該特性可在設備接入系統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據對象。收到控制命令后，設備激活數據屬性opRcvd，然后設備處理控制命令。如果命令被接受，數據屬性opOk將以與接線輸出相同的時間（如脈沖持續時間）被激活，數據屬性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生，這些數據屬性都可以獨立生成。這樣就可在不產生輸出的情況下，對其性能和功能進行評估。

1.4?系統中設備的隔離與測試

將前文所述機制綜合在一起，就可以對與系統相連的設備進行測試了。假設要對主保護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的邏輯節點LPHD中，應將數據對象Sim設置為TRUE，將保護功能的邏輯設備設置為“TEST”模式，將與斷路器接口的邏輯節點XCBR設置為“TEST-BLOCKED”。測試設備發送正常的采樣值數據給保護設備，這些采樣值報文的仿真標志被設置為TRUE。

這時保護裝置就會收到來自測試設備的采樣值報文，并且執行跳閘命令。XCBR會接收并處理跳閘命令，然而并不產生輸出。輸出情況可以通過數據屬性XCBR.Pos.opOK來進行確認，其時序可通過測量數據屬性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中增加了對邏輯節點輸入引用的描述。具體是通過公用數據類ORG的數據對象InRef的多實例來實現的。該數據對象有2個數據屬性可供對象引用：一個用于正常的輸入，另一個用于測試輸入。通過激活數據屬性tstEna，該邏輯節點將利用測試輸入而不是正常輸入來實現其功能。

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，邏輯節點CILO可從邏輯節點GGIO獲取輸入，而不必使用實際開關的不同位置作為輸入。這樣測試軟件可以很容易地修改GGIO的數據對象來模擬需要驗證的測試模式。邏輯節點可以是外部的（數據對象通過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報文有關的場景，這樣動態行為也可能會改變。

2?功能測試方法

功能測試方法可分為幾大類。它們既與分層系統中各層所使用的每個設備功能的復雜度有關，也與所實現的分布式功能類型有關。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系統測試。

這里所說的“功能”可以看做是一個帶有不同等級復雜度的子系統，比如監測系統功能。無論被測對象是什么，它們都必須滿足可測性要求。這是一個使系統或其子系統的狀態（可操作、不可操作、降級）能夠被及時確定的設計特性。可測性能夠使系統方便地檢測和隔離影響系統性能的故障。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，區分其是針對新產品或新功能（如系統監測器或處理控制器）的驗收測試，還是變電站組件的工程調試測試，或是整個DAS及其維護測試。據此，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監測功能，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，則使用暫態仿真方法進行不同系統條件的模擬。被測對象的內部行為、邏輯或執行的算法決定了測試如何進行。

系統組件及整個系統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不同DAS功能的備用設備的可用性。

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，這意味著測試系統不關心被測功能的內部行為和結構，只關心在給定條件下被測對象的表現是否滿足相關規范。測試數據只從相關規范獲得，并不利用該功能的內部結構。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**能夠對功能元素進行測試的方法。測試對象對仿真信號的響應可通過對物理輸出、通信報文或報告的操作而由測試系統監測得到。

2.2?白盒測試

白盒測試是一種既關心在測試條件下被測對象運行情況，也關心其內部行為與結構的測試方法，見圖11。在DAS中，白盒測試既可以按照功能邊界監測系統運行情況，也能監測系統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部結構，這對于分析測試對象的內部行為非常有用，尤其是當測試失敗的時候。使用此策略，測試系統在不忽略技術規范需求的情況下，通過檢測測試對象的邏輯而獲得測試數據。白盒測試方法的目的是通過檢測一個復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境。如果系統做了適當的工程配置，所有被邏輯節點表示的功能元素的狀態在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。測試系統通過監視測試對象各組件間交換的報文來實現對子功能（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，尤其在現場驗收中是廣泛使用的測試方法。在這種情況下，系統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。測試從整個系統開始，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，如果系統或子系統的所有組件不全部可用，那么測試系統則有必要模擬其在預期測試場景下的運行情況，這樣測試系統就為不具備的功能或子功能創建了所謂的“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（如一條線路監測設備）來實現測試目的。當系統增加了額外的下層單元時，自頂向下的方**導致高層單元的重測。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測。例如，如果對被監測線路的檢測出現故障時，將按照圖12所示的功能等級執行進一步測試，如果仍失敗，將繼續做底層的測試，包括對一些監測功能元素的測試，如對配電網饋線電流或由邏輯節點MMXU所代表的有功功率的測量。

圖12對配電自動化系統自頂向下測試

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**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。當測試復雜的多層功能或系統時，必須為不可用部分創建驅動功能元素。當執行測試（如進行出廠驗收）時，測試系統必須能夠仿真系統中任何缺失的組件。

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量。

3?DAS的功能測試

對很多機構、組織而言，了解一個復雜系統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。因此為確保質量，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、調試和運行維護人員將功能需求轉換為可執行的測試案例，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分功能要求的可執行測試方案，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。應經常執行這些測試，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，來有效指導測試技術的使用。然后這些指南的實現和集成將被融入資產管理系統中。

為進行有效的系統測試，用戶或制造商不僅要定義測試過程，還要實現該過程，并將該過程集成到工程過程中不斷地、經常地使用。功能測試應成為DAS設計的一部分。DAS每個單獨單元的功能在設計時，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行測試某種功能的獨立組件，包括某些對功能和應用測試的類型和方法的定義。如果要測試一個復雜DAS，就需要使用系統測試的方法和工具。

系統測試是指對一個完整、集成的系統進行測試，以確認該系統滿足特定的要求。系統測試的一個準則就是所有被集成的組件都應通過集成測試，軟件系統也應與應用硬件相集成。系統測試實際上是依照功能需求規范（FRS）和/或系統需求規范（SRS）對全系統進行的測試。此外，系統測試還是一個測試階段，不僅關注設計，而且關注DAS的行為和預期性能，也可能涉及需求規范之外的一些內容。本節不討論單個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的單個組件能夠正確互操作，也能滿足DAS開發規范所規定的性能要求。集成測試需要測試通信鏈路兩端的設備，見圖13。測試方法和工具在端對端及子系統測試中已經描述了。

圖13集成測試

3.2?DAS出廠驗收

出廠驗收是對特定設計和應用的DAS進行經用戶同意的的功能測試。它是*終用戶和系統集成商之間的一項協議，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設計工作的一部分，當系統出現故障時，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的所有組件都可用，這就要求測試系統能夠模擬DAS中那些缺失的設備；出廠驗收的另一個特點是系統已有的組件都按照實際系統的應用要求進行了配置和設置。

出廠驗收是基于IEC61850SCD文件對所有設備進行配置的。如圖14所示，出廠驗收也要求使用基于系統模型的暫態仿真對配電系統行為進行模擬。在測試中，配電系統每一個配置多功能IED的位置都被測試設備模擬，這些測試設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仿真的配網系統模型

測試軟件執行如下功能組：

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布置位置的測試設備進行控制，以同步方式模擬開關設備狀態以及所涉及的電流和電壓；

3）發布與集中式配電自動化系統信號所對應的，或出廠驗收系統中不可用的IED信號所對應的IEC61850GOOSE報文；

4）監視配電自動化系統中所涉及的IED輸出繼電器狀態改變；

5）從配電自動化系統所涉及的所有IED訂閱IEC61850GOOSE報文；

6）分析并評估配電自動化系統所有組件的性能。

工程驗收測試的執行需要考慮所有預先設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的出廠驗收現場。