配电自动化系统主站网络化在线测试技术研究

席 禹， 陈 波， 袁智勇， 陈浩敏， 蒋愈勇， 杨占杰， 王建邦

(南方电网科学研究院有限责任公司，广东广州510630)

1 引 言

近年来，科学技术的快速发展推动了智能配电网的建设和发展，配电自动化系统在电网公司得到了大力推广和应用[1～5]。配电自动化系统是一个系统庞大、结构层次复杂的系统，其主要的组成部分有主站系统、前置机系统、变电站系统、线路分段开关系统以及配电变压器系统等。其中主站系统的基础数据都是由终端设备进行现场采集，这些终端设备有馈线终端、开闭锁终端、配变终端以及子站等[6～9]。在大型配电网系统中终端设备的数量成千上万，对配电网主站系统的安全稳定运行提出了要求[10]。为满足主站系统的功能设计要求以及运行性能指标要求，对配电网主站系统的入网测试显得尤为重要。

国内外学者对配电自动化系统的入网性能测试进行了研究，包括故障处理性能测试、馈线自动化测试以及潮流计算测试等，但是对于主站系统的入网测试的研究则相对较少。文献[11]提出了一种主站注入的配电网自动化故障处理性能的测试方法，对配电自动化系统的工厂验收以及现场验收提供了有力帮助；文献[12]提出了一种基于公共网络、自建网络和分阶段逐层递进等的智能配电自动化检测方案，能够在持续干扰环境下进行仿真测试,有效降低了现场协调难度以及测试时间；文献[13]提出了一种适用于含分布式电源配电网故障性能测试的改进主站注入测试方法，能够模拟各类操作的开关动作,进而测试含分布式电源配电自动化系统的恢复策略；文献[14]提出了一种配电自动化系统主站的潮流计算功能测试方法，为主站系统在各类高级应用功能测试方面提供了帮助。上述研究从不同层面对配电自动化系统相关测试提供了解决方案，但是缺乏对主站系统的有效在线测试描述。

因此，本文以配电自动化系统主站为测试对象，提出了一种网络化在线测试技术。介绍了配电自动化系统主站网络化在线测试技术的总体架构，主要由基本功能模块和测试软件所组成；在此基础上阐述了配电自动化系统主站的测试环境、测试内容及测试方法，从而给出了较为全面、科学的配电自动化主站测试方案。

2 主站测试平台总体架构

配电自动化系统主站网络化在线测试平台主要包括基本功能模块和软件实现两大部分。其中基本功能模块主要由被测主站系统、终端集成测试系统和测试平台功能模块等组成。其具体的功能模块又包括测试管理平台、硬件设备、终端模拟环境、故障模拟环境和人机交互界面等；软件组成主要包括测试系统的软件结构和软件流程。对应测试系统的总体架构如图1所示，该测试平台能够以较高的覆盖率来实现配电自动化系统主站的网络化在线测试。

图1 主站测试平台总体架构Fig.1 Overall architecture of main station test platform

2.1 主站测试平台基本功能模块

(1) 终端集成测试

终端集成测试系统是基于半实物仿真系统，通过信号注入给馈线终端设备，从而对主站系统进行测试，可以进行常规SCADA功能测试；同时能够对终端进行测试，进一步实现馈线自动化(FA)测试。因而整个测试系统是一个主站和终端一体化测试系统。

(2) 测试管理平台

测试管理平台主要是对整个测试过程进行有效管理。在实际主站测试过程中，管理平台能够进行初始化设置，对测试摘要进行编辑和修改，能够完成不同被测主站的在线管理；另外，测试管理平台也能对各个子系统以及对应的接口进行监测和管理；在主站测试完成后，管理平台还能自动地生成对应的测试报告。

(3) 硬件设备

主站测试平台运行所需要硬件设备包括运行设备和网络设备。其中测试平台运行的硬件配置主要有外部配置电源设备和计算机设备；网路设备又包括交换机、子终端服务器、网络连接附件等。

(4) 终端模拟环境

在对配电自动化系统主站进行测试时，终端仿真环境可实现不同配网终端和主站之间的连接。采用电力系统仿真软件来对配电自动化系统的馈线终端设备(FTU)、开闭锁终端设备(DTU)、配电终端设备(TTU)以及子站等进行网络化仿真模拟[14]，可实现的具体功能有模拟终端的遥测信号、遥信信号、遥控、遥调以及记录和执行动作，具有较高的测试可信度及精确性，同时带来了较大的便利性。

(5) 故障模拟环境

故障模拟环境主要是用于主站系统的馈线自动化(FA)测试功能，测试主站FA能够迅速、精确地对配电网故障进行定位、隔离并完成非故障区恢复供电。该系统同样可采用实时闭环仿真装置RTDS来建立各种典型的配网结构图[16]，该仿真装置能够真实地模拟实际配电网故障处理过程；能够依据根据主站FA测试要求，实时地调整配电网的拓扑结构以及模拟不同故障类型；可实现测试检测、判断和定位等多种功能，较大程度上提高了主站网络化仿真测试的适用性、安全可靠性以及便利性。

(6) 人机交互界面

人机交互界面主要功能是对主站测试过程中的测试项目进行检测和监控，能够远程在线对被测主站系统的实际界面进行监测。交互界面的核心部分是上位机，而上位机的监控组态显示软件所采用的是应用较为广泛工控软件组态王。主站测试现场上位机的具体执行功能有完成人员管理、测试功能设置、主画面在线显示、结果显示画面以及报表曲线等。

2.2 主站测试平台软件实现

(1) 软件构成

主站测试平台的基本功能模块是软件实现的基础，将测试系统的软件部分和上述功能模块相结合，能够完成主站系统测试的信息录入、测试配置、测试方案以及通信等[17]，进而实现配网自动化主站系统的网络化测试和测试信息管理。

测试平台的基本构成包括以下6个部分：

1) 用户管理：测试系统采用人员登记管理制度，测试人员可采用账号登录和管理其负责的测试项目；

2) 平台管理：主要是对测试配置、设备检测和用户设置的管理；

3) 主站信息管理：管理被测主站的基本信息；

4) 方案管理：根据主站测试类型和测试标注建立与被测对象相符合的测试方案；

5) 测试作业：对被测主站和选择的测试方案进行网络化在线测试，根据具体需求，测试方式可选择自动测试或手动测试；

6) 测试报告：主站测试完成后，能够提供测试结果报告和相关报表打印。

(2) 软件实现流程

针对配电自动化主站的测试需求，测试系统能够向被测主站输入电力信号和测控信号，且能够接受被测主站的通信信号，以实现测试系统对被测主站的网络化自动测试。测试的基本流程如图2。

图2 主站测试流程图Fig.2 Main station test flow chart

测试过程包括以下部分：

1) 输入被测主站的基本信息，包括FTU、DTU、TTU和FA等基本信息，以及主站与其他功能模块之间的连接方式和通讯方式；

2) 根据主站测试要求，建立对应的测试方案，具体包含选择测试项目，然后对其基本参数和测试要求进行配置；

3) 根据被测主站生成测试任务明细，然后对测试方案进行加载而得到测试任务表；

4) 根据测试任务表，将被测主站接入到测试平台，开始执行测试；

5) 测试系统对每一项测试结果进行整理和记录，并生成对应的测试报告。

3 主站网络化在线测试环境与方法

3.1 测试指标

本文以配电自动化主站系统的测试为基本目标，基于上述提及的主站测试平台，对主站系统的整体性能进行了网络化测试验证。测试指标如图3所示，主要包括性能指标测试、雪崩测试、稳定性测试、可靠性测试、安全性测试和可维护性测试。其中主站系统性能指标测试的内容主要是基本的时间响应指标以及容量指标；雪崩测试主要是为了测试主站系统处理突发事件的能力；稳定性测试主要是对主站系统持续运行的性能进行测试；可靠性测试主要是对主站系统容错能力进行测试；安全性测试主要是测试主站系统抵御外部入侵的能力；可维护性测试是对主站系统可维护能力的一种测试。

图3 主站系统主要测试指标Fig.3 Major indices of the main station system

3.2 测试环境

配电自动化主站网络化测试环境主要由第2节提及的基本功能模块和对应的测试软件平台所构成。主站系统在外部终端和软件平台中进行运行，通过馈线自动化终端和主站专用测试软件等对主站基本性能进行测试。测试平台基本功能模块在第2节已详细阐述，这里重点介绍测试环境中的主站测试软件和工具。主站系统测试软件是基于被测配电网自动化主站系统，采用远程过程调用手段以及函数接口而形成的主站特定功能测试软件。

而主站系统的测试工具主要有白盒测试和黑盒测试。其中白盒测试的基础是程序和主站需求相结合，主要是针对静态和动态的代码分析测试，静态代码测试能够完成语法扫描以及编码规范的测试，而动态代码测试的内容则包括应用程序接口的代码检查以及运行效率和遍历度分析；黑盒测试的基础是需求及功能规范，其主要是对主站系统的功能和性能进行测试，并对各种性能指标的测试结果进行记录。

3.3 测试方法

针对主站系统的模块单元测试，其测试方法为白盒测试法；而针对主站系统的集成测试，其测试方法为白盒测试和黑盒测试相结合。整个主站网络化测试过程均遵守动态测试标准[18]。

(1) 性能指标测试

针对主站系统性能指标测试，主要是对主站的基本时间响应指标以及容量指标进行测试。

主站响应时间指标是在测试环境下馈线自动化终端等发送数据的时间响应指标，其正常运行情况下的基本响应时间指标如表1所示；而当主站系统处于满负荷状态时，表1中所对应的各项响应时间延长应不超过25%。

主站测试的容量指标是要求主站系统接入的终端数量以及对应的量测数据应满足设计要求。在对主站容量进行测试时，可按照要求来设置采集结点和采集模块，通过馈线自动化终端的仿真来网络化模拟主站接入的终端容量。在终端仿真系统中，逐渐改变终端的数量及对应的量测数据，检测主站系统的容量指标是否满足要求。

表1 主站系统响应时间指标Tab.1 Main station system response time indicators

(2) 雪崩测试

当主站系统发生事故时，可能会使得主站信息发生剧烈增加而对主站的各项性能带来不利影响。主站系统雪崩测试主要是为了测试主站系统处理该类事故的基本能力。雪崩测试的模型是参考IEC61850标准所获得，结合馈线自动化终端的仿真来对雪崩模型进行网络化模拟，在完成故障情况下的各种操作时，主站系统应该保持正常运行，且能够完整的对事件进行记录。测试情况通过事件顺序记录来反应，CPU负荷率的要求是低于50%，网络负荷率的要求是低于30%。

(3) 稳定性测试

主站系统稳定性测试主要是测试主站系统长时间持续运行的性能。一般要求是其应该保证5～7 d的不间断运行，在此期间应保证不断电，且周期性测试各项性能指标均应满足系统要求；当主站系统满足稳定性测试要求时，即可投入实际配电网系统进行运行，且主站稳定运行的时间应保证在半年以上。

(4) 可靠性测试

主站系统的可靠性测试是对系统冗余可靠性的一种检验，其实现手段为通过各种不同的模拟操作所完成。主要是容错测试双机、双网以及主备数据库等切换，且应保证切换过程平稳，系统功能和网络不出现异常运行。具体的要求如表2所示。

目前，配电网主站系统采用的是双通道通信，以提高主站系统的通信性能和可靠性。具体的测试包括以下内容：

1) 双通道通信测试：通过对某一个终端通道的切换，观察该终端所对应的终端通道在规定的时间内是否完成切换，若切换时间满足切换要求，则表示该通道切换满足可靠性要求。

表2 主站系统切换时间指标Tab.2 Switching time indicators of main station system

2) 双网测试：通过切断某一条网络，观察该网络所对应的另一条网络在规定的时间内是否完成切换，若切换时间满足切换要求，则表示该网络切换满足可靠性要求。

3) 双机备用：启动具有多个采集节点的系统，对主动切换和自动切换进行测试，观察系统或节点切换后是否保持正常运行，另一备用系统和备用节点是否在标准规定时间内完成切换，若切换时间满足切换要求，则表示该双机备用的切换满足可靠性要求。

(5) 安全性测试

主站系统的安全性测试要求对配电自动化主站系统抵御外部攻击以及自身操作权限管理2个方面进行测试；同时应制定对应的报警处理方案以实现系统遭遇攻击后的有效恢复。具体分为以下3个方面：

1) 防外部攻击测试：对主站系统的所有计算机以及对应的主站网络进行外部攻击检查以及测试，应满足国家安全认证要求；

2) 管理权限测试：通过设置改变主站系统的不同功能管理权限，并对设置后的管理权限进行验证，测试其执行效果；

3) 攻击后恢复测试：观察系统在攻击后的操作系统、数据库服务器、系统网络、功能模块等恢复效果，观察其是否满足标准规定的要求。

(6) 可维护性测试

主站系统可维护性测试是依据厂商的说明文档对系统重启、系统恢复或功能改造扩充等进行测试和验证。主要包括以下3个部分：

1) 系统重启测试：系统在正常或非正常关机后应能够进行重新启动，且启动过程和启动后运行状态应满足测试要求；

2) 系统恢复测试：系统按照说明文档要求进行数据备份和重新安装，安装后能够将之前的备份数据进行恢复，备份和恢复后的数据应和原始数据保持一致；

3) 功能改造扩充测试：要求配电自动化主站系统能够定义和新增设备或者对某些设备功能进行改造，功能改造扩充后应满足主站系统安全稳定运行。

4 测试结果与分析

配电自动化系统主站网络化在线测试平台根据测试应用场景能够分为周期性定检测试和故障检修测试，其最大的区别在于测试要求、测试流程以及测试标准的不同。其中周期性定检测试需满足测试标准规定的要求，而故障检测测试则对测试结果的精确性、快速性以及可靠性有较高的要求。本文以某局部电网的配电自动化系统主站进行了周期性定检测试，分别对性能指标测试、雪崩测试、稳定性测试、可靠性测试、安全性测试和可维护性测试等进行了分析。

性能指标测试方面，主站的终端数量(容量)满足系统要求，且基本时间响应指标均合格；雪崩测试方面，CPU负荷率在23%～28%之间波动，网络负荷率在18%～20%之间波动，均满足标准要求；稳定性测试方面，主站系统能够持续运行7 d，完全满足要求；可靠性测试方面，双通道通信测试的切换时间、双网测试切换时间及双机备用切换时间均能满足要求；安全性测试方面，防外部攻击测试、管理权限测试及攻击后恢复测试均能满足标准要求；可维护性测试方面，系统重启、系统恢复或功能改造扩充等均满足要求。因此，本文所设计的主站网络化在线测试系统能够满足配电自动化系统的要求。

5 结 论

本文提出了一种配电自动化系统主站网络化在线测试技术。首先对测试平台的基本架构包括基本功能模块和软件组成部分进行了详细阐述；然后对配电自动化主站系统网络化测试环境和方法进行了介绍，给出了主站性能指标测试、雪崩测试、稳定性测试、可靠性测试、安全性测试和可维护性测试的基本要求；最后对配电网自动化系统的运行指标及功能进行了自动化测试和评估。所设计的配电自动化系统主站网络化在线测试系统具有操作便利、功能完善及精确度高等优势，能够有效满足配电自动化系统主站的网络化、标准化、专业化和自动化测试要求。