继电保护装置智能自动化测试系统研究与设计

张著韬　张沛超

摘 要：该文在分析继电保护装置自动化测试需求的基础上，介绍了一种继电保护智能自动测试系统，其包括了自动测试执行系统和智能测试管理系统，具有智能化，通用化，自动化程度高及测试覆盖多样化等特性。该系统充分满足了不同厂家常规站和数字站继电保护装置功能性和非功能性测试需求。实际应用表明，该系统极大地提高了测试质量和测试效率，以及自动化测试管理水平。

关键词：继电保护 自动测试系统 测试管理 测试用例 测试需求

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（c）-0108-05

Abstract：This paper is based on the analysis of automatic test request for relay protection device， and describes a set of smart and automatic test system for relay protection device including automatic test execution system and smart test management system， with intelligentization， generalized， higher automation and higher test coverage characteristics. The automatic system can meet fully functional and nonfunctional test requirements of relay protection device for conventional substation and digital substation. The proposed automatic system can guarantee the test quality fully and improve the test efficiency further in practical validation and verification testing of relay protection device.

Key Words：Relay protection；Automatic test system；Test management；Test case；Test requirements

继电保护系统是电力系统的重要组成部分，对保护电力系统安全稳定运行起着非常重要的作用。随着计算机技术和通信技术在电力工业的广泛应用，以及发、输电在运行和管理中对信息化、数字化、智能化的迫切需求，新型继电保护装置尤其是智能化继电保护装置集保护、测控及数据通信等于一体，变得更加复杂[1-4]。继电保护系统的极高可靠性要求继电保护装置需要大量的测试进行验证，加之有些测试无法手工操作，这些都给继电保护测试技术提出了新的要求和新的挑战[1-3]。

近些年来，随着继电保护技术的发展，继电保护测试技术得到了专门的研究和发展，尤其是继电保护自动化测试技术[1-3]。一些继电保护测试仪厂家开发的自动化测试软件的应用，一定程度上提高了自动化测试水平，但是目前这些自动化测试存在对测试人员技能和素养依赖性高，自动化率和测试覆盖率低及通用性差等不足[5]。

鉴于此，在深入分析继电保护装置自动化测试需求的基础上，结合当前继电保护装置测试技术的现状，设计了SmartT&Ms（Smart Test and Management System）继电保护智能自动测试系统，其包括了自动测试执行系统和智能测试管理系统，具有智能化、通用化、自動化程度高及测试覆盖多样化等特性。

1 继电保护装置自动化测试需求

数字型继电保护装置集保护、测控及数据通信等于一体，是一个完整且复杂的有机整体，应该有完整有效的测试来确保其质量[2]。继电保护装置在研发阶段一般有单元测试、集成测试、验证测试和确认测试等几个测试过程，测试复杂，重复性强，工作量大，且非常耗时。因此继电保护装置研发过程具备引入自动化测试系统的基本条件和现实意义[1]。经深入分析认为自动化测试系统必须满足以下基本需求：

（1）提高测试覆盖率和测试效率。自动化测试系统首先应该解决人工测试中效率低，出错率高，测试覆盖有限以及测试过分依赖测试人员技能和素养等基本问题。

（2）无需人工干预的闭环自动测试。测试人员只需输入测试信息，自动化测试系统自动完成测试，判断结果，生成测试报告，构成闭环测试，全程无需人工干预，确保测试结果的可靠性。

（3）测试过程透明化。透明的测试过程，比如测试数据的记录、测试日志的打印等，有助于测试过程的追踪和测试失败时问题的分析和解决。

（4）自动测试执行和智能测试管理系统兼备。继电保护装置测试复杂，测试量大，高效的智能测试管理是自动化测试高效进行的保证。

（5）自动测试系统通用性和易用性强。继电保护装置有常规站和数字站继电保护装置，且同一类的保护装置在不同厂家之间也存在差异，为满足不同类装置的测试需求，测试平台及测试脚本必须设计简单灵活，以方便地适用不同装置的测试。

2 智能自动化测试系统设计

2.1 总体设计

SmartT&Ms智能自动化测试系统采用面向对象的模块化设计方法，按照分布式设计模式特点设计，兼顾了自动化测试执行和智能测试管理。此系统由测试用例与测试需求追踪管理子系统，测试用例数据库子系统，自动测试执行子系统，缺陷管理子系统4个部分组成。其系统架构如图1所示。

测试用例与测试需求追踪管理子系统负责测试需求管理，包括测试需求的更新、删除和变更等。测试用例设计人员根据输入的测试需求，在系统模板上制定测试计划，编写测试用例规格说明书，系统为每个测试用例规格说明书建立唯一的识别编号，分别为TestSpec00，TestSpec01……TestSpec描述了测试目标、步骤、通过标准等，它重点考虑的是测试需求是否被有效覆盖，而不需过多地关注自动化测试系统本身，确保了测试用例设计的灵活性和有效性。同时，系统会根据测试用例和测试需求的追踪属性自动建立测试覆盖矩阵图或树表，检测测试需求是否被测试用例有效覆盖。这是自动化测试管理中确保高测试覆盖的关键环节。

测试用例数据库子系统是按照待测装置的型号和功能，依据TestSpecXX对测试用例实例化的管理系统。TestSpec并不是一个可执行的测试文件，需要对其实例化，包括自动化测试平台、测试场景、待测装置参数配置、测试内容数据化、测试步骤指令化等，从而生成可自动执行的测试用例。同样系统会为每个实例化后的测试用例建立唯一的识别编号，分别为TestSpecXX_TestCase00，TestSpecXX_TestCase01……同一个TestSpec也许会实例化出多个可执行的测试用例。

自动测试执行子系统是测试执行部分。此系统按照实际项目要求，从实例化后的测试用例数据库中选择需要的测试用例，生成自动化测试任务，并自动执行测试任务和生成测试报告。若某个测试未通过，系统自动将测试数据、测试报告、测试日志等信息导入缺陷管理系统，为缺陷分析人员提供详细的分析数据。

缺陷管理子系统主要负责对执行未通过的测试用例数据管理及缺陷状态跟踪、管理等，是自动化测试的输出管理系统和测试人员与开发人员的交互系统。

2.2 硬件平台

SmartT&Ms智能自动化测试系统硬件平台如图2所示。此系统主要由一台具有双网卡的通用型计算机，以太网交换机、继电保护测试仪、对时系统、一台支持以太网通信的PLC、测试信号编码器、服务器及其他设备组成。

双网卡通用型计算机是整个自动化测试系统的智能中枢，它通过一个网卡与测试平台的测试设备进行信息交互。包括控制继电保护测试仪向待测装置输出模拟量和开入量或GOOSE信息；根据待测装置具体型号控制PLC对测试信号编码器编码，实现自动化测试平台硬件的智能配置等；计算机的另一个网口与服务器进行信息交互，包括获取实例化后的测试用例、在测试结束后保存测试结果和测试缺陷等；此台计算机还通过一个串口与待测装置进行串口信息交互，以满足像MODBUS，DNP3等传统规约的测试需要。

测试信号编码器是继电保护测试仪与待测保护装置之间模拟量通道和开关量通道的切换开关，由PLC智能控制[4]。可实现继电保护测试仪与任何一台或多台待测装置的模拟量和开关量通道自动匹配连接，满足不同类型装置的自动测试，有更强的通用性。

服务器是一个具有严格用户权限管理的虚拟服务器，可以使用外部网络服务器，也可直接使用测试平台的通用计算机作为虚拟服务器，选择灵活，通用性强。测试用例与测试需求追踪管理子系统，测试用例数据库子系统和缺陷管理子系统都位于此服务器。测试用例设计工程师可以登录服务器进行测试用例编写和测试配置等操作；项目经理可以随时查看测试进度和测试报告；缺陷分析人员可以获取测试数据进行缺陷分析等。

对时系统，包括GPS时钟源、模拟的SNTP时钟源等，为待测装置的对时和时间管理功能测试提供输入源，同时也负责自动测试系统各模块的时钟统一。

其他测试设备包括网络负荷发生仪、温度传感器、弧光模拟装置等。

2.3 软件系统

SmartT&Ms智能自动化测试软件系统主要由自动化测试管理系统和自动化测试执行系统组成，两个系统之间通过任务生成模块、报告和测试结果存储模块、缺陷记录模块进行交互。其软件架构如图3所示。

与系统总体架构相对应，自动化测试管理系统由测试用例与测试需求追踪管理模块、测试用例管理模块、测试结果和测试报告管理模块、缺陷管理模块组成，完整地实现了测试输入、测试输出、测试中间数据的高效管理，同時也为测试人员与项目经理、研发人员等提供了沟通和协作的渠道。

自动化测试执行系统由自动化测试序列控制模块（Test Sequence，TS）和自动化测试经理模块（Test Manager， TM）组成。TS主要负责启动测试任务，从服务器获取可执行的测试用例，控制PLC自动配置测试平台，按照测试顺序逐个触发TM进行测试，收集TM的测试结果，结束测试任务并自动生成测试报告。TS流程图如图4所示。

TM是每个测试用例指令的具体执行者，包括控制继电保护测试仪向待测装置输出模拟量、控制模拟的SCADA系统与待测装置进行信息交互、控制对时系统及其他测试设备等。TM的生命周期是从收到TS的测试触发信息开始，到当前测试用例执行结束并返回测试结果为止。每个测试用例的执行由唯一的TM负责。TM流程图如图5所示。

测试任务生成接口模块负责从测试用例数据库中建立测试用例序列。报告和测试结果存储接口模块，缺陷记录接口模块负责将测试输出自动导入测试管理系统。

3 自动化测试用例脚本设计

一个完整的自动化测试用例包含的信息如图6所示。其中PLC控制脚本和测试用例脚本是测试实现自动化的关键和核心，是具有正则语法的数据和指令的集合。为确保较高自动化测试水平，测试脚本应该具有易学性、易维护或免维护性、高效性和健壮性的特点。

PLC控制嵌入在TS中，其包括了PLC控制脚本和一个测试平台配置文件Platform.INI，此文件描述了待测装置的功能信息、端子信息以及测试信号编码器的编码信息。这些信息在脚本运行时作为配置参数自动导入。PLC控制脚本无需维护，测试人员只需根据测试装置信息配置此文件即可。

测试用例脚本采用一种解释型的类BASIC脚本语言描述了自动化测试步骤。测试用例同样包括一个装置配置和定值文件Setting.INI，此文件描述了待测装置的配置信息和定值信息。

4 系统应用举例

继电保护装置根据保护对象可分为发电机保护、线路保护等型号、其测试内容包括保护、测控等功能性测试和鲁邦性、持久性等非功能性测试。此节以变压器保护装置的保护功能测试为例，来阐述智能自动化测试系统。测试过程主要有：

第一，测试准备阶段。

（1）依据权限登录服务器测试用例与测试需求追踪管理子系统，根据变压器保护测试需求设计TestSpec01，TestSpec02……

（2）在测试用例数据库子系统根据变压器保护装置型号、端子信息等配置PLC平台配置文件Platform.INI。

（3）依据TestSpecXX配置保护定值文件Setting.INI，设定变压器故障前、故障中、故障后的模拟量、开关量等，以及故障状态序列，生成可执行的测试用例。

第二，测试执行阶段。

（1）通过TS的界面生成测试用例序列。

（2）点击测试开始按钮，系统会自动逐个下载Platform.INI和Setting.INI配置信息和测试数据。

（3）PLC自动导入Platform.INI信息，控制测试信号编码器连接待测装置模拟量和开关量。

（4）自动触发TM下载Setting.INI到待测装置。

（5）TM启动执行变压器故障状态序列，依据待测装置的保护动作开出或GOOSE信息反馈判断保护动作正确性，生成测试报告。若测试失败，则建立缺陷报告。

（6）当所有测试执行结束，TS界面弹出测试结束信息。

点击测试开始按鈕后的测试步骤均为自动执行过程，无需人工干预。

5 结语

文章介绍的智能自动化测试系统满足了通用性和易用性，自动化程度和测试覆盖率高，测试过程透明，兼顾自动测试执行和智能测试管理等自动化测试需求，其可应用到不同厂家的常规站和数字站的保护装置研发和生成测试中。目前，此系统已广泛地应用到多个系列的保护装置的验证和确认测试中，极大地提高了测试效率和测试质量，以及测试管理水平，产生了很好的效益。

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