魏博淵，鄭永康，蔡　鋼，付毅東，陸承宇，孟　雷，陳　遲

?

IEC 61850一致性閉環(huán)測試系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

魏博淵1,2，鄭永康1，蔡鋼1，付毅東1，陸承宇3，孟雷1，陳遲1

0引言

智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，在中國智能電網(wǎng)建設(shè)中扮演著越來越重要的角色。隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展，智能變電站中的智能電子設(shè)備正逐漸向智能化、高度集成化、復(fù)雜化的方向發(fā)展[1]。在實(shí)際運(yùn)行調(diào)試中，由于智能變電站中智能電子設(shè)備的制造廠商不同，其對IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的理解也有所差異。因此，在智能變電站投運(yùn)調(diào)試中，對所安裝設(shè)備進(jìn)行IEC 61850一致性測試是設(shè)備之間能夠互操作，系統(tǒng)能夠順利運(yùn)行的重要保障[2-3]。

一致性測試試驗(yàn)通常利用一組測試用例序列，在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對被測對象進(jìn)行黑盒測試[4],通過比較實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的異同判定受測設(shè)備對象與協(xié)議描述的一致性[5]。常規(guī)的一致性測試通常是由被測智能電子設(shè)備(intelligent electronic device, IED)，一致性測試軟件系統(tǒng)組成。由于一致性測試作為IED一致性的重要判據(jù)，一致性測試系統(tǒng)的嚴(yán)謹(jǐn)性、全面性以及可靠性，將直接關(guān)系到IED產(chǎn)品乃至整個智能變電站系統(tǒng)的質(zhì)量和效能。一個嚴(yán)謹(jǐn)可靠的閉環(huán)一致性測試系統(tǒng)的重要性尤其突出。典型的一致性測試軟件系統(tǒng)可包含上百個測試用例，各測試用例對測試系統(tǒng)和模擬環(huán)境的需求各不相同。因此，一個可靠、接近實(shí)際工況的運(yùn)行模擬環(huán)境是一致性測試算例順利運(yùn)行的必要條件。傳統(tǒng)的一致性測試軟件一般運(yùn)行于普通PC或相近架構(gòu)的設(shè)備上，受制于PC架構(gòu)的局限性，軟件平臺通常無法為受測IED模擬一個完善的測試環(huán)境，這會降低一致性測試的可靠性與適應(yīng)性。因此，一個能向受測IED提供可靠測試環(huán)境的一致性測試硬件平臺將具有較高的實(shí)用性和必須性[6]。

一致性閉環(huán)測試是指一致性測試平臺在向受測IED模擬特定運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試時，借助SV、GOOSE、MMS等報(bào)文，對受測IED的輸出進(jìn)行評估與分析，并自動將結(jié)果與預(yù)期輸出進(jìn)行異同判定，給出對應(yīng)的測試結(jié)果。

由于常規(guī)PC架構(gòu)和基本配置所限，無法直接與受測設(shè)備進(jìn)行SV、GOOSE報(bào)文的通信(SV報(bào)文對采樣點(diǎn)頻率要求過高，GOOSE報(bào)文在借助光電轉(zhuǎn)換器時可以支持)，引入配套的一致性硬件測試平臺的必要性進(jìn)一步上升。一致性硬件平臺主要用于與受測設(shè)備進(jìn)行GOOSE和SV報(bào)文通信，并協(xié)助一致性測試軟件平臺進(jìn)行某些測試項(xiàng)目必須的激勵輸出，并將受測設(shè)備的相關(guān)輸出信息回送一致性測試軟件平臺，從而對智能變電站進(jìn)行可靠、高效率的IEC 61850一致性測試。

1一致性測試硬件平臺

IEC 61850一致性測試硬件平臺在一致性測試中主要用于接收一致性測試軟件平臺通過以太網(wǎng)發(fā)來的指令和報(bào)文，并通過SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文與受測設(shè)備進(jìn)行通信，協(xié)助一致性測試軟件平臺對受測設(shè)備進(jìn)行SV和GOOSE協(xié)議測試，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)告通過以太網(wǎng)回送軟件平臺，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)對受測設(shè)備的閉環(huán)測試。

1.1　一致性測試硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一致性測試硬件平臺的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足基本工作要求的基礎(chǔ)上，充分考慮與一致性硬件平臺的協(xié)同工作適應(yīng)性以及日后擴(kuò)展的需要。隨著智能變電站的發(fā)展，其需要進(jìn)行一致性測試的智能電子設(shè)備數(shù)量急劇增長，因此，一致性測試硬件平臺應(yīng)考慮同時對多個受測IED進(jìn)行測試的情況。對于一致性測試軟件平臺而言，其可以在執(zhí)行一個算例的情況下，借助一致性測試硬件平臺，同時對若干個受測設(shè)備進(jìn)行一致性測試，這將會極大地提升一致性測試的效率。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入多CPU結(jié)構(gòu)，既可以克服現(xiàn)有技術(shù)中測試裝置自動化程度不足，無法靈活搭建測試邏輯的問題，又可提高性能，節(jié)約測試成本。

基于以上目的，一致性測試硬件平臺基于嵌入式ARM平臺設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　一致性測試硬件平臺架構(gòu)圖

該一致性硬件測試平臺包括1個主控CPU模塊和3個協(xié)處理器模塊。主控CPU模塊負(fù)責(zé)接收協(xié)處理器傳來的GOOSE、SV等信息，同時接收開入開出轉(zhuǎn)接模塊傳來的遙信量信息和開出信息，運(yùn)行測試邏輯程序。同時還負(fù)責(zé)通過以太網(wǎng)絡(luò)模塊處理與測試儀外部的通訊，輸出測試結(jié)果。主控CPU模塊通過以太網(wǎng)絡(luò)模塊同3個協(xié)處理CPU模塊相連，同時還與主控CPU側(cè)的CAN模塊相連。

協(xié)處理器主要負(fù)責(zé)收集處理GOOSE、SV信息，與受測設(shè)備進(jìn)行GOOSE、SV協(xié)議通信并同時將處理過的信息傳送到主控CPU模塊，協(xié)處理器CPU模塊通過以太網(wǎng)絡(luò)模塊同主控CPU模塊互聯(lián)。

開入開出轉(zhuǎn)接模塊主要用于一些傳統(tǒng)IED設(shè)備的測試中。其主要負(fù)責(zé)將測試平臺外部的物理開入轉(zhuǎn)換為數(shù)字開入量并通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(controller area network, CAN)總線模塊上送至主控CPU模塊，同時將主控CPU傳來的出口命令轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理開出輸出。開入開出轉(zhuǎn)接模塊在結(jié)構(gòu)上與開入開出轉(zhuǎn)接模塊側(cè)的CAN總線模塊互聯(lián)。

CAN總線被用于連接主控CPU和開入開出轉(zhuǎn)接模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)部信息交換。以太網(wǎng)絡(luò)模塊同時連接主控CPU模塊、3個協(xié)處理器CPU模塊以及測試儀外部以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)測試儀內(nèi)部主從CPU之間的高速信息交換以及同測試儀外部的網(wǎng)絡(luò)通信。整個硬件平臺的內(nèi)部通信全部由以太網(wǎng)和CAN總線承擔(dān)。

1.2　一致性測試硬件平臺的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際工程中，主CPU可選用TI公司生產(chǎn)的雙核處理器OMAP-L138，該CPU包括1個ARM核和1個DSP核，主頻約400 MHz。協(xié)處理器采用和主控CPU一樣的配置。其典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2　一致性硬件測試平臺CPU架構(gòu)圖

一次典型的一致性閉環(huán)測試過程如下：

一致性閉環(huán)測試軟件平臺執(zhí)行算例，通過以太網(wǎng)絡(luò)將可直接完成部分送至受測IED，將需要輔助進(jìn)行的算例部分用內(nèi)部協(xié)議送至主控CPU，主控CPU按預(yù)設(shè)對算例進(jìn)行分析執(zhí)行，將所需開出通過CAN模塊和開入開出轉(zhuǎn)換模塊送至受測IED(若此次算例執(zhí)行有此需求)。外部IED的GOOSE和SV信息通過以太網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)入到協(xié)處理CPU模塊，協(xié)處理CPU模塊按照軟件設(shè)定分別處理各自對應(yīng)IED的GOOSE及SV信息，同時將處理過的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)送至主控CPU。開入開出轉(zhuǎn)接模塊將外部物理開入通過CAN模塊送到主控CPU中。主控CPU運(yùn)行測試邏輯程序，綜合判別3個協(xié)處理CPU模塊上送的GOOSE、SV信息以及開入開出轉(zhuǎn)接模塊的上送信息，綜合這些信息進(jìn)行判定。主控CPU模塊進(jìn)行綜合信息判別完成一致性比對后，通過以太網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果輸出至一致性測試軟件平臺，完成一次典型的一致性閉環(huán)測試。

2運(yùn)行測試

圖3和圖4分別展示了一致性閉環(huán)測試平臺使用硬件測試平臺之前和之后的平臺結(jié)構(gòu)示意圖。

從圖3和圖4中可以看出，在添加一致性測試硬件平臺之前，僅憑一致性測試軟件平臺雖然也能進(jìn)行相關(guān)閉環(huán)測試，但由于缺乏硬件平臺和相關(guān)通信協(xié)議的支持，難以進(jìn)行GOOSE和SV等報(bào)文協(xié)議的通信以及相關(guān)測試項(xiàng)的執(zhí)行。在一致性測試硬件平臺的輔助下，新的一致性閉環(huán)測試系統(tǒng)將可以對

圖3　不含硬件平臺的一致性測試系統(tǒng)

受測IED進(jìn)行更全面的一致性測試，其測試范圍和能力將涵蓋整個IEC 61850測試算例項(xiàng)，并可以根據(jù)用戶自行調(diào)整的算例，進(jìn)行其他相關(guān)兼容標(biāo)準(zhǔn)的測試和運(yùn)行，同時，使得一致性閉環(huán)測試系統(tǒng)同時對幾個受測設(shè)備進(jìn)行一致性自動閉環(huán)測試成為了可能。這極大地增強(qiáng)了一致性閉環(huán)測試系統(tǒng)的全面性和兼容性，提高了測試效率，為IEC 61850在中國的推廣以及智能變電站在中國的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4　含硬件平臺的一致性測試系統(tǒng)

系統(tǒng)測試采用某廠家生產(chǎn)的智能母線保護(hù)設(shè)備，測試算例采用IEC 61850協(xié)議指導(dǎo)手冊中的GOOSE協(xié)議測試項(xiàng)。采用GOOSE協(xié)議測試項(xiàng)可以最大程度地測試一致性閉環(huán)測試軟件平臺和硬件平臺的協(xié)作能力，其站控層GOOSE測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，測試順利進(jìn)行，受測設(shè)備通過了測試。

過程層GOOSE測試的結(jié)果如圖6所示，可以看出測試順利進(jìn)行，受測設(shè)備通過了測試。通過測試算例證明了所述一致性閉環(huán)測試系統(tǒng)硬件平臺能很好地輔助一致性閉環(huán)測試軟件平臺完成相關(guān)測試，并具有很好的實(shí)用性和可靠性。

圖5　站控層GOOSE測試

圖6　過程層GOOSE測試

3結(jié)語

一致性測試是智能變電站內(nèi)部智能電子設(shè)備互

操作的重要保障?；陂]環(huán)的一致性測試能夠在保證測試可靠性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上大幅提高測試效率；一致性測試硬件平臺的引入，可以使得針對智能變電站的IEC 61850一致性測試更加全面和接近真實(shí)工況，能夠進(jìn)一步提升一致性測試的可靠性和效率。這一改進(jìn)能夠促進(jìn)智能變電站在中國的發(fā)展以及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在中國的推行，為智能電網(wǎng)在中國的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參 考文獻(xiàn)

[1]崔厚坤，湯效軍，梁志成，等. IEC 61850一致性測試研究[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2006,30(8):80-83.

[2]Tan J, Zhang C, Bo Z. The Importance of IEC 61850 Interoperability Testing [C].Proceedings of the Universities Power Engineering Conference, UPEC 43rd International, IEEE, 2008:1-5.

[3]王德文,閻春雨,畢建剛,等.變電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中 IEC 61850 的一致性測試 [J].電力系統(tǒng)自動化, 2013, 2(19):79-85.

[4]王伊?xí)?，劉東，陸一鳴，等.IEC 61968消息一致性測試方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(10):2802-2809.

[5]韓國政, 徐丙垠, 呂廣憲, 等. 基于 IEC 61850 的配網(wǎng)自動化通信技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(2):62-66.

[6]辛耀中,王永福,任雁銘. 中國 IEC 61850 研發(fā)及互操作試驗(yàn)情況綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2007, 31(12):1-6.

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072；

2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都610031；

3.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州310000)

摘要：IEC 61850一致性測試是保證智能變電站內(nèi)部設(shè)備之間互操作性的重要環(huán)節(jié)。隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，智能變電站內(nèi)部的智能設(shè)備數(shù)量大幅增加，傳統(tǒng)的一致性開環(huán)測試具有操作繁瑣、缺乏閉環(huán)測試、效率較低等缺點(diǎn)。采用閉環(huán)測試的方法，使測試平臺采用SV、GOOSE、MMS等報(bào)文，自動逐條運(yùn)行測試?yán)κ軠y設(shè)備的對應(yīng)反饋進(jìn)行分析，給出判斷結(jié)果，可提高效率和靈活性。一致性閉環(huán)測試系統(tǒng)的軟件平臺通常運(yùn)行于PC等同架構(gòu)設(shè)備下，其報(bào)文通信能力和測試環(huán)境的模擬能力均有所不足。根據(jù)一致性閉環(huán)測試的要求，針對測試系統(tǒng)所需硬件輔助平臺進(jìn)行了基于多處理器ARM架構(gòu)的硬件平臺設(shè)計(jì)，并通過算例驗(yàn)證證明了硬件平臺的可靠性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：IEC 61850；一致性測試；智能變電站；硬件平臺設(shè)計(jì)；閉環(huán)測試

Abstract：IEC 61850 conformance test is an important procedure to ensure the interoperability among devices in intelligent substation. With the development of smart grid, the number of smart devices in intelligent substation increase rapidly. The traditional conformance test method is complicated and inconvenient. The closed-loop test method adopts the test platform with SV, GOOSE and MMS message, it can automatically run the test cases and analyze the corresponding feedback of the tested devices and determine the test results, which can improve the efficiency and flexibility. The software platform of the closed-loop test system is usually run on the PC platform, the simulation ability of its message communication and test environment is insufficient. According to the requirements of the closed-loop test, the hardware platform is designed, and its reliability and practicability are verified by the numerical examples.

Key words：IEC 61850; conformance test; intelligent substation; design of hardware platform; close-loop test

(收稿日期：2015-11-27)

中圖分類號：TM74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)01-0051-03