繼電保護裝置智能自動化測試系統研究與設計

張著韜　張沛超

摘 要：該文在分析繼電保護裝置自動化測試需求的基礎上，介紹了一種繼電保護智能自動測試系統，其包括了自動測試執行系統和智能測試管理系統，具有智能化，通用化，自動化程度高及測試覆蓋多樣化等特性。該系統充分滿足了不同廠家常規站和數字站繼電保護裝置功能性和非功能性測試需求。實際應用表明，該系統極大地提高了測試質量和測試效率，以及自動化測試管理水平。

關鍵詞：繼電保護 自動測試系統 測試管理 測試用例 測試需求

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：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

繼電保護系統是電力系統的重要組成部分，對保護電力系統安全穩定運行起著非常重要的作用。隨著計算機技術和通信技術在電力工業的廣泛應用，以及發、輸電在運行和管理中對信息化、數字化、智能化的迫切需求，新型繼電保護裝置尤其是智能化繼電保護裝置集保護、測控及數據通信等于一體，變得更加復雜[1-4]。繼電保護系統的極高可靠性要求繼電保護裝置需要大量的測試進行驗證，加之有些測試無法手工操作，這些都給繼電保護測試技術提出了新的要求和新的挑戰[1-3]。

近些年來，隨著繼電保護技術的發展，繼電保護測試技術得到了專門的研究和發展，尤其是繼電保護自動化測試技術[1-3]。一些繼電保護測試儀廠家開發的自動化測試軟件的應用，一定程度上提高了自動化測試水平，但是目前這些自動化測試存在對測試人員技能和素養依賴性高，自動化率和測試覆蓋率低及通用性差等不足[5]。

鑒于此，在深入分析繼電保護裝置自動化測試需求的基礎上，結合當前繼電保護裝置測試技術的現狀，設計了SmartT&Ms（Smart Test and Management System）繼電保護智能自動測試系統，其包括了自動測試執行系統和智能測試管理系統，具有智能化、通用化、自動化程度高及測試覆蓋多樣化等特性。

1 繼電保護裝置自動化測試需求

數字型繼電保護裝置集保護、測控及數據通信等于一體，是一個完整且復雜的有機整體，應該有完整有效的測試來確保其質量[2]。繼電保護裝置在研發階段一般有單元測試、集成測試、驗證測試和確認測試等幾個測試過程，測試復雜，重復性強，工作量大，且非常耗時。因此繼電保護裝置研發過程具備引入自動化測試系統的基本條件和現實意義[1]。經深入分析認為自動化測試系統必須滿足以下基本需求：

（1）提高測試覆蓋率和測試效率。自動化測試系統首先應該解決人工測試中效率低，出錯率高，測試覆蓋有限以及測試過分依賴測試人員技能和素養等基本問題。

（2）無需人工干預的閉環自動測試。測試人員只需輸入測試信息，自動化測試系統自動完成測試，判斷結果，生成測試報告，構成閉環測試，全程無需人工干預，確保測試結果的可靠性。

（3）測試過程透明化。透明的測試過程，比如測試數據的記錄、測試日志的打印等，有助于測試過程的追蹤和測試失敗時問題的分析和解決。

（4）自動測試執行和智能測試管理系統兼備。繼電保護裝置測試復雜，測試量大，高效的智能測試管理是自動化測試高效進行的保證。

（5）自動測試系統通用性和易用性強。繼電保護裝置有常規站和數字站繼電保護裝置，且同一類的保護裝置在不同廠家之間也存在差異，為滿足不同類裝置的測試需求，測試平臺及測試腳本必須設計簡單靈活，以方便地適用不同裝置的測試。

2 智能自動化測試系統設計

2.1 總體設計

SmartT&Ms智能自動化測試系統采用面向對象的模塊化設計方法，按照分布式設計模式特點設計，兼顧了自動化測試執行和智能測試管理。此系統由測試用例與測試需求追蹤管理子系統，測試用例數據庫子系統，自動測試執行子系統，缺陷管理子系統4個部分組成。其系統架構如圖1所示。

測試用例與測試需求追蹤管理子系統負責測試需求管理，包括測試需求的更新、刪除和變更等。測試用例設計人員根據輸入的測試需求，在系統模板上制定測試計劃，編寫測試用例規格說明書，系統為每個測試用例規格說明書建立唯一的識別編號，分別為TestSpec00，TestSpec01……TestSpec描述了測試目標、步驟、通過標準等，它重點考慮的是測試需求是否被有效覆蓋，而不需過多地關注自動化測試系統本身，確保了測試用例設計的靈活性和有效性。同時，系統會根據測試用例和測試需求的追蹤屬性自動建立測試覆蓋矩陣圖或樹表，檢測測試需求是否被測試用例有效覆蓋。這是自動化測試管理中確保高測試覆蓋的關鍵環節。

測試用例數據庫子系統是按照待測裝置的型號和功能，依據TestSpecXX對測試用例實例化的管理系統。TestSpec并不是一個可執行的測試文件，需要對其實例化，包括自動化測試平臺、測試場景、待測裝置參數配置、測試內容數據化、測試步驟指令化等，從而生成可自動執行的測試用例。同樣系統會為每個實例化后的測試用例建立唯一的識別編號，分別為TestSpecXX_TestCase00，TestSpecXX_TestCase01……同一個TestSpec也許會實例化出多個可執行的測試用例。

自動測試執行子系統是測試執行部分。此系統按照實際項目要求，從實例化后的測試用例數據庫中選擇需要的測試用例，生成自動化測試任務，并自動執行測試任務和生成測試報告。若某個測試未通過，系統自動將測試數據、測試報告、測試日志等信息導入缺陷管理系統，為缺陷分析人員提供詳細的分析數據。

缺陷管理子系統主要負責對執行未通過的測試用例數據管理及缺陷狀態跟蹤、管理等，是自動化測試的輸出管理系統和測試人員與開發人員的交互系統。

2.2 硬件平臺

SmartT&Ms智能自動化測試系統硬件平臺如圖2所示。此系統主要由一臺具有雙網卡的通用型計算機，以太網交換機、繼電保護測試儀、對時系統、一臺支持以太網通信的PLC、測試信號編碼器、服務器及其他設備組成。

雙網卡通用型計算機是整個自動化測試系統的智能中樞，它通過一個網卡與測試平臺的測試設備進行信息交互。包括控制繼電保護測試儀向待測裝置輸出模擬量和開入量或GOOSE信息；根據待測裝置具體型號控制PLC對測試信號編碼器編碼，實現自動化測試平臺硬件的智能配置等；計算機的另一個網口與服務器進行信息交互，包括獲取實例化后的測試用例、在測試結束后保存測試結果和測試缺陷等；此臺計算機還通過一個串口與待測裝置進行串口信息交互，以滿足像MODBUS，DNP3等傳統規約的測試需要。

測試信號編碼器是繼電保護測試儀與待測保護裝置之間模擬量通道和開關量通道的切換開關，由PLC智能控制[4]。可實現繼電保護測試儀與任何一臺或多臺待測裝置的模擬量和開關量通道自動匹配連接，滿足不同類型裝置的自動測試，有更強的通用性。

服務器是一個具有嚴格用戶權限管理的虛擬服務器，可以使用外部網絡服務器，也可直接使用測試平臺的通用計算機作為虛擬服務器，選擇靈活，通用性強。測試用例與測試需求追蹤管理子系統，測試用例數據庫子系統和缺陷管理子系統都位于此服務器。測試用例設計工程師可以登錄服務器進行測試用例編寫和測試配置等操作；項目經理可以隨時查看測試進度和測試報告；缺陷分析人員可以獲取測試數據進行缺陷分析等。

對時系統，包括GPS時鐘源、模擬的SNTP時鐘源等，為待測裝置的對時和時間管理功能測試提供輸入源，同時也負責自動測試系統各模塊的時鐘統一。

其他測試設備包括網絡負荷發生儀、溫度傳感器、弧光模擬裝置等。

2.3 軟件系統

SmartT&Ms智能自動化測試軟件系統主要由自動化測試管理系統和自動化測試執行系統組成，兩個系統之間通過任務生成模塊、報告和測試結果存儲模塊、缺陷記錄模塊進行交互。其軟件架構如圖3所示。

與系統總體架構相對應，自動化測試管理系統由測試用例與測試需求追蹤管理模塊、測試用例管理模塊、測試結果和測試報告管理模塊、缺陷管理模塊組成，完整地實現了測試輸入、測試輸出、測試中間數據的高效管理，同時也為測試人員與項目經理、研發人員等提供了溝通和協作的渠道。

自動化測試執行系統由自動化測試序列控制模塊（Test Sequence，TS）和自動化測試經理模塊（Test Manager， TM）組成。TS主要負責啟動測試任務，從服務器獲取可執行的測試用例，控制PLC自動配置測試平臺，按照測試順序逐個觸發TM進行測試，收集TM的測試結果，結束測試任務并自動生成測試報告。TS流程圖如圖4所示。

TM是每個測試用例指令的具體執行者，包括控制繼電保護測試儀向待測裝置輸出模擬量、控制模擬的SCADA系統與待測裝置進行信息交互、控制對時系統及其他測試設備等。TM的生命周期是從收到TS的測試觸發信息開始，到當前測試用例執行結束并返回測試結果為止。每個測試用例的執行由唯一的TM負責。TM流程圖如圖5所示。

測試任務生成接口模塊負責從測試用例數據庫中建立測試用例序列。報告和測試結果存儲接口模塊，缺陷記錄接口模塊負責將測試輸出自動導入測試管理系統。

3 自動化測試用例腳本設計

一個完整的自動化測試用例包含的信息如圖6所示。其中PLC控制腳本和測試用例腳本是測試實現自動化的關鍵和核心，是具有正則語法的數據和指令的集合。為確保較高自動化測試水平，測試腳本應該具有易學性、易維護或免維護性、高效性和健壯性的特點。

PLC控制嵌入在TS中，其包括了PLC控制腳本和一個測試平臺配置文件Platform.INI，此文件描述了待測裝置的功能信息、端子信息以及測試信號編碼器的編碼信息。這些信息在腳本運行時作為配置參數自動導入。PLC控制腳本無需維護，測試人員只需根據測試裝置信息配置此文件即可。

測試用例腳本采用一種解釋型的類BASIC腳本語言描述了自動化測試步驟。測試用例同樣包括一個裝置配置和定值文件Setting.INI，此文件描述了待測裝置的配置信息和定值信息。

4 系統應用舉例

繼電保護裝置根據保護對象可分為發電機保護、線路保護等型號、其測試內容包括保護、測控等功能性測試和魯邦性、持久性等非功能性測試。此節以變壓器保護裝置的保護功能測試為例，來闡述智能自動化測試系統。測試過程主要有：

第一，測試準備階段。

（1）依據權限登錄服務器測試用例與測試需求追蹤管理子系統，根據變壓器保護測試需求設計TestSpec01，TestSpec02……

（2）在測試用例數據庫子系統根據變壓器保護裝置型號、端子信息等配置PLC平臺配置文件Platform.INI。

（3）依據TestSpecXX配置保護定值文件Setting.INI，設定變壓器故障前、故障中、故障后的模擬量、開關量等，以及故障狀態序列，生成可執行的測試用例。

第二，測試執行階段。

（1）通過TS的界面生成測試用例序列。

（2）點擊測試開始按鈕，系統會自動逐個下載Platform.INI和Setting.INI配置信息和測試數據。

（3）PLC自動導入Platform.INI信息，控制測試信號編碼器連接待測裝置模擬量和開關量。

（4）自動觸發TM下載Setting.INI到待測裝置。

（5）TM啟動執行變壓器故障狀態序列，依據待測裝置的保護動作開出或GOOSE信息反饋判斷保護動作正確性，生成測試報告。若測試失敗，則建立缺陷報告。

（6）當所有測試執行結束，TS界面彈出測試結束信息。

點擊測試開始按鈕后的測試步驟均為自動執行過程，無需人工干預。

5 結語

文章介紹的智能自動化測試系統滿足了通用性和易用性，自動化程度和測試覆蓋率高，測試過程透明，兼顧自動測試執行和智能測試管理等自動化測試需求，其可應用到不同廠家的常規站和數字站的保護裝置研發和生成測試中。目前，此系統已廣泛地應用到多個系列的保護裝置的驗證和確認測試中，極大地提高了測試效率和測試質量，以及測試管理水平，產生了很好的效益。

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