配电自动化设备通信协议的一致性测试系统设计与实现

唐 明 胡 勇 何霄鹏 吴冬松 柳开禄

（深圳市金宏威技术股份有限公司，广东 深圳 518057）

随着智能电网的发展，在发电、输电、变电、配电、用电等方面制定了一系列的电网核心标准。其中 IEC60870系列已被列入了智能电网首批核心标准[1]。在智能配网建设中，IEC60870-5-101和IEC60870-5-104作为配电网设备间的通信标准得到广泛应用。我国已等同采用出版 DLZ 634.5101-2009、DLZ 634.5104-2009标准，各地区也相继颁布了 101/104的规约细则，如南网标准，广东、广西等。这些细则的内容各有差异，因而在配电自动化系统建设过程中，设备间通信的一致性及互操作性难以保证。为了提高配电自动化系统设备间通信的标准化，很有必要对通信协议采用有效的方法来进行测试，以保证协议的一致性及互操作性。当前有关协议测试的文献中，大多集中在负控、继电保护规约方面[2-4]，对配电自动化设备间 101、104规约的一致性测试内容及方法缺乏描述。

本文通过研究 IEC60870标准对 101、104协议一致性测试要求和测试系统给出测试系统功能需求的基础上，使用UML(Unified Modeling Language)进行软件架构和软件组成设计及实现，针对一致性测试所规定的静态和动态测试给出相应的测试方法。

1 配电自动化及IEC60870一致性测试

1.1 配电自动化

配电自动化系统是使配电企业在远方实时监测、协调和操作配电设备的自动化系统，实现基本SCADA以及故障判断隔离恢复、网络优化等功能。配电自动化设备包括FTU、DTU终端单元、子站和主站等，自动化监控数据在终端单元、子站与主站之间通过101或者104协议进行数据传输。在目前配电自动化的运行现场中，104较多的使用以太网、光纤等方式通信，非平衡101使用RS232、RS485方式通信，平衡式101使用GPRS/CDMA[10]方式通信。

1.2 IEC60870一致性测试[11-12]

IEC 60870-5系列文件对一致性测试做出了技术指导。我国等同采用并出版相应的文件。文献[11]给出了一致性测试的基本概念：一致性测试按照适用的测试计划进行测试以验证设备的协议实现，包括了协议的物理层和链路层规则、ASDU/APDU、基本应用功能等。并明确定义了并一致性测试要求、方法及测试结果，并对测试内容进行了详细的描述。（按照这个顺序讲）一致性测试要求分为静态一致性测试要求和动态一致性测试要求。静态一致性测试要求对其静态一致性进行审查，包括选择和参数。动态一致性测试要求对基本互联测试，能力测试、行为测试提出测试要求。这些测试的内容均由 PICS（protocol implementation conformance statement协议实现一致性陈述）和 PID（protocol implementation document 协议实现文件）进行详细的定义。PICS给出明确的测试设备或系统相应测试集，规定强制测试项和任选测试项。PICS是PID的一部分，PID以PICS为基础并扩充附加的系统特定要求。

一致性测试的方法是用一致性测试系统或模拟器的单个测试源测试单个设备，一致性测试包含肯定测试和否定测试。

一致性测试内容包括测试计划和测试项目。测试项目包括物理层和链路层测试、信息元素测试、APCI（application protocol control informat应用规约控制信息）测试、ASDU（application service data unit应用数据服务单元）测试和基本应用功能测试。测试计划是对以上测试项目有选择的测试顺序。经过一致性测试，需要给出一致性测试报告。

2 一致性测试系统功能与设计

2.1 系统功能

测试系统具有测试主站、子站和终端设备的功能，测试协议包括 101和 104。依据配电自动化设备通信协议及其一致性测试的要求，软件功能主要包括：参数配置、制定测试计划、帧测试、ASDU测试、应用功能测试，正常测试错误测试功能，测试过程可控功能，输出测试结果和界面显示。

2.2 系统结构

测试系统采用三层结构，分别为设备层、通信层和测试层。系统的硬件由被测设备、串口服务器、以太网交换机以及测试主机组成。测试主机由一台计算机及测试软件构成，测试软件安装在测试主机上进行被测设备的一致性测试。被测设备与测试主机之间通过串口、以太网络或GPRS/CDMA无线方式链接。系统结构如图1所示。

图1 一致性测试系统结构

2.3 软件架构

依据功能要求软件划分为 101主站端、104客户端、101厂站端、104主站端。101主站端和104客户端模拟主站用以测试终端及子站设备，101厂站端和104主站端模拟子站用以测试主站设备。本文采用UML[10]进行设计。软件架构如图2所示。

图2 软件架构

2.4 软件组成

软件基于组件方式实现。主要由主程序、实时库类、通道组件、规约组件、各显示窗口及配置文件组成。软件组成及调用关系如图3所示。

主界面程序：参数配置、测试计划，控制测试的启停、测试运行方式，并调用管理类进行测试。控制显示测试计划窗口，报文分析窗口、错误报文窗口、实时值窗口等，并输出测试结果等。

图3 软件组成及调用关系

管理类：软件核心类，调用规约组件、通道组件、实时库。根据测试计划和报文交互对测试设备的通信一致性进行判断，并将判断结果、实时数据等内容以一定的格式写入实时库。

实时库类：缓存测试报文及结果、实时数据、模拟数据等信息。实时数据存储内容主要包括接收到测试设备的遥测、遥信的实时数据值，品质、刷新时间；SOE、YX变位、YC越限、遥控等数据，并以队列的形式存放。模拟数据包括系统生成的遥测数据、遥信变位、SOE数据等，用于测试主站时发送数据。实时库类提供以上各类数据的读、写接口。

通道组件：抽象组件，提供数据交互的读写接口。程序根据通道的配置实例化出不同的实例化通信组件与测试设备进行物理通信。包括串口、TCP/IP、GPRS/CDMA等通信组件。

规约组件：抽象组件，提供解析规约报文及交互过程接口。可实例化出具体的国网、南网、广东等特定101、104规约组件。程序根据测试配置调用相应的实例化规约组件按照一定的规约进行信息交互。

数据显示窗口：包括报文分析窗口、告警窗口、错误报文窗口、实时值窗口等。这些窗口从实时库获取相应信息并显示。报文分析窗口取得实时通信报文并对之进行每个字节、位的含义解析。告警窗口显示SOE、遥信变位、遥测越限等。错误报文窗口显示通过分析得出的错误的报文和错误之处。实时值窗口显示当前接收或发送的遥测遥信的实时值。

3 测试方法

3.1 测试内容的定义

系统将测试项内容分为数据项和过程项的测试，并选择各测试项内容制定测试计划。

1）数据项

数据项测试包括标准中规定的所有信息元素

APCI、ASDU。数据项的测试根据数据帧及其包含的每个八位组的含义进行有选择的测试。图4（a）显示了南网101规约初始化结束帧的测试内容。测试内可变结构限定词、数据单元公共地址、信息体地址及初始化原因的正确性，并对初始化原因作具体测试。

2）过程项

过程项测试包括初始化、总召、组召、对时、事件采集、遥控、设定值等101、104标准中要求的应用测试。每个过程项根据标准的定义分解为详细的交互步骤，以此对每个过程项交互的正确性进行判断。图4（b）显示了一个单点遥控过程的测试内容。依据标准将单点遥控过程分解为如图所示的五个步骤，根据发送或收到的报文类型判断每一步操作的正确性，并以此判断单点遥控过程的正确性。

图4 测试项的定义

3.2 运行方式

系统运行方式包括测试态和运行态。测试态对测试设备的通信进行一致性判断，支持自动模式、单步模式和手动模式。运行态是模拟主站或子站、终端的通信功能运行，不进行一致性判断。

3.3 自动、单步、手动测试

这三种方式都在测试态下进行。自动测试不需要用户进行干预，程序根据测试计划自动进行相应的测试，根据测试计划依次发送、接收各过程项的每一步骤的报文、自动发送遥测、遥信、SOE模拟数据。测试主站和测试子站及终端采用同样的测试方法，根据测试计划，对每一个数据项及过程项的每一步骤进行判断，只是主动发送与被动接收报文。

单步测试由用户控制顺序执行测试计划中每个每个过程项及其每个步骤并进行测试。这种方式可在测试子站及终端时使用。在测试主站时没有单步测试，子站属于被动的模式。

手动测试是在保持与被测设备链路连接的状态下，选择界面提供的各种报文类，如总召，对时，召一级、二级数据等等进行发送，亦可手工输入报文进行发送，并分析显示响应报文。此测试方法可用来控制报文发送时间，测试规约特定时间参数等。亦可模拟错误报文进行测试。

3.4 错误测试

对应否定测试。在测试态，测试软件可模拟各种错误报文和场景，结合手工测试方法输入错误报文及非正常通信过程，测试被测设备是对错误报文及非正常通信过程的响应能力。

3.5 运行态

运行态不做通信双方一致性的判断，根据协议要求进行正常的通信，是作为模拟主站、终端的一种模式。作为模拟终端，系统根据设置产生模拟遥测、遥信及SOE数据。运行态中可提供手动发送遥控、设定值。

3.6 测试结果

测试内容中的每个数据项及过程项都具有通过、未通过、未测试三个状态。当判断为未通过状态时，会显示未通过原因。如某一帧未通过，可显示某一字节响应错误。某一通信过程未通过，可显示此过程中的错误步骤或错误帧。以表格方式给出测试结果并存档。

综上所述，系统的测试方法与IEC 60870 5-6文件一致性测试对应表如表1所示。

表1 测试方法与一致性测试对应表

4 系统应用

依据此配电网设备一致性测试系统的设计，根据《南方电网 DL/T634.5104-2002远动协议实施细则》、《 南方电网DL/T634.5101-2002远动协议实施细则》、《广东电网 DL/T634.5104-2002实施细则》、《广东电网 DL/T 634.5101-2002实施细则》开发的测试系统已应用到广东电科院的配电网自动化主站、子站及终端设备的入网检测中。并取得一项软件著作权，一项发明专利。

同时，应用此测试系统，完成多个工程项目中进行针对配电终端FTU、DTU的开发测试、工厂测试等环节。

5 结论

在智能配电网的逐步建设中，配电网设备间的通信起着关键的作用，保证设备间通信的一致性尤其重要。本文在分析配电网设备间的通信规约、IEC 60870一致性测试要求的基础上，采用面向对象的方法，使用UML设计了一致性测试的系统，给出了系统实现一致性测试的测试方法。实现的一致性测试系统在配电设备的入网检侧、现场验收及产品开发等环节中，保证设备间通信的一致性起到重要的作用。

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