IEC 61850一致性閉環測試系統硬件平臺設計

魏博淵，鄭永康，蔡　鋼，付毅東，陸承宇，孟　雷，陳　遲

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IEC 61850一致性閉環測試系統硬件平臺設計

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的重要組成部分，在中國智能電網建設中扮演著越來越重要的角色。隨著智能變電站技術的發展，智能變電站中的智能電子設備正逐漸向智能化、高度集成化、復雜化的方向發展[1]。在實際運行調試中，由于智能變電站中智能電子設備的制造廠商不同，其對IEC 61850標準協議的理解也有所差異。因此，在智能變電站投運調試中，對所安裝設備進行IEC 61850一致性測試是設備之間能夠互操作，系統能夠順利運行的重要保障[2-3]。

一致性測試試驗通常利用一組測試用例序列，在一定的網絡環境下，對被測對象進行黑盒測試[4],通過比較實際輸出與預期輸出的異同判定受測設備對象與協議描述的一致性[5]。常規的一致性測試通常是由被測智能電子設備(intelligent electronic device, IED)，一致性測試軟件系統組成。由于一致性測試作為IED一致性的重要判據，一致性測試系統的嚴謹性、全面性以及可靠性，將直接關系到IED產品乃至整個智能變電站系統的質量和效能。一個嚴謹可靠的閉環一致性測試系統的重要性尤其突出。典型的一致性測試軟件系統可包含上百個測試用例，各測試用例對測試系統和模擬環境的需求各不相同。因此，一個可靠、接近實際工況的運行模擬環境是一致性測試算例順利運行的必要條件。傳統的一致性測試軟件一般運行于普通PC或相近架構的設備上，受制于PC架構的局限性，軟件平臺通常無法為受測IED模擬一個完善的測試環境，這會降低一致性測試的可靠性與適應性。因此，一個能向受測IED提供可靠測試環境的一致性測試硬件平臺將具有較高的實用性和必須性[6]。

一致性閉環測試是指一致性測試平臺在向受測IED模擬特定運行狀態進行測試時，借助SV、GOOSE、MMS等報文，對受測IED的輸出進行評估與分析，并自動將結果與預期輸出進行異同判定，給出對應的測試結果。

由于常規PC架構和基本配置所限，無法直接與受測設備進行SV、GOOSE報文的通信(SV報文對采樣點頻率要求過高，GOOSE報文在借助光電轉換器時可以支持)，引入配套的一致性硬件測試平臺的必要性進一步上升。一致性硬件平臺主要用于與受測設備進行GOOSE和SV報文通信，并協助一致性測試軟件平臺進行某些測試項目必須的激勵輸出，并將受測設備的相關輸出信息回送一致性測試軟件平臺，從而對智能變電站進行可靠、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發來的指令和報文，并通過SV報文和GOOSE報文與受測設備進行通信，協助一致性測試軟件平臺對受測設備進行SV和GOOSE協議測試，并將相應數據報告通過以太網回送軟件平臺，從而實現整個系統對受測設備的閉環測試。

1.1　一致性測試硬件平臺結構設計

一致性測試硬件平臺的設計應在滿足基本工作要求的基礎上，充分考慮與一致性硬件平臺的協同工作適應性以及日后擴展的需要。隨著智能變電站的發展，其需要進行一致性測試的智能電子設備數量急劇增長，因此，一致性測試硬件平臺應考慮同時對多個受測IED進行測試的情況。對于一致性測試軟件平臺而言，其可以在執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備進行一致性測試，這將會極大地提升一致性測試的效率。在結構設計中引入多CPU結構，既可以克服現有技術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平臺設計，其設計結構如圖1所示。

圖1　一致性測試硬件平臺架構圖

該一致性硬件測試平臺包括1個主控CPU模塊和3個協處理器模塊。主控CPU模塊負責接收協處理器傳來的GOOSE、SV等信息，同時接收開入開出轉接模塊傳來的遙信量信息和開出信息，運行測試邏輯程序。同時還負責通過以太網絡模塊處理與測試儀外部的通訊，輸出測試結果。主控CPU模塊通過以太網絡模塊同3個協處理CPU模塊相連，同時還與主控CPU側的CAN模塊相連。

協處理器主要負責收集處理GOOSE、SV信息，與受測設備進行GOOSE、SV協議通信并同時將處理過的信息傳送到主控CPU模塊，協處理器CPU模塊通過以太網絡模塊同主控CPU模塊互聯。

開入開出轉接模塊主要用于一些傳統IED設備的測試中。其主要負責將測試平臺外部的物理開入轉換為數字開入量并通過控制器局域網絡(controller area network, CAN)總線模塊上送至主控CPU模塊，同時將主控CPU傳來的出口命令轉換為實際的物理開出輸出。開入開出轉接模塊在結構上與開入開出轉接模塊側的CAN總線模塊互聯。

CAN總線被用于連接主控CPU和開入開出轉接模塊，負責系統內部信息交換。以太網絡模塊同時連接主控CPU模塊、3個協處理器CPU模塊以及測試儀外部以太網，負責測試儀內部主從CPU之間的高速信息交換以及同測試儀外部的網絡通信。整個硬件平臺的內部通信全部由以太網和CAN總線承擔。

1.2　一致性測試硬件平臺的實現

在實際工程中，主CPU可選用TI公司生產的雙核處理器OMAP-L138，該CPU包括1個ARM核和1個DSP核，主頻約400 MHz。協處理器采用和主控CPU一樣的配置。其典型內部結構模型如圖2所示。

圖2　一致性硬件測試平臺CPU架構圖

一次典型的一致性閉環測試過程如下：

一致性閉環測試軟件平臺執行算例，通過以太網絡將可直接完成部分送至受測IED，將需要輔助進行的算例部分用內部協議送至主控CPU，主控CPU按預設對算例進行分析執行，將所需開出通過CAN模塊和開入開出轉換模塊送至受測IED(若此次算例執行有此需求)。外部IED的GOOSE和SV信息通過以太網絡模塊進入到協處理CPU模塊，協處理CPU模塊按照軟件設定分別處理各自對應IED的GOOSE及SV信息，同時將處理過的數據通過內部以太網絡送至主控CPU。開入開出轉接模塊將外部物理開入通過CAN模塊送到主控CPU中。主控CPU運行測試邏輯程序，綜合判別3個協處理CPU模塊上送的GOOSE、SV信息以及開入開出轉接模塊的上送信息，綜合這些信息進行判定。主控CPU模塊進行綜合信息判別完成一致性比對后，通過以太網絡將結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測試。

2運行測試

圖3和圖4分別展示了一致性閉環測試平臺使用硬件測試平臺之前和之后的平臺結構示意圖。

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行相關閉環測試，但由于缺乏硬件平臺和相關通信協議的支持，難以進行GOOSE和SV等報文協議的通信以及相關測試項的執行。在一致性測試硬件平臺的輔助下，新的一致性閉環測試系統將可以對

圖3　不含硬件平臺的一致性測試系統

受測IED進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，并可以根據用戶自行調整的算例，進行其他相關兼容標準的測試和運行，同時，使得一致性閉環測試系統同時對幾個受測設備進行一致性自動閉環測試成為了可能。這極大地增強了一致性閉環測試系統的全面性和兼容性，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展奠定了堅實的基礎。

圖4　含硬件平臺的一致性測試系統

系統測試采用某廠家生產的智能母線保護設備，測試算例采用IEC 61850協議指導手冊中的GOOSE協議測試項。采用GOOSE協議測試項可以最大程度地測試一致性閉環測試軟件平臺和硬件平臺的協作能力，其站控層GOOSE測試結果如圖5所示。

由圖5可以看出，測試順利進行，受測設備通過了測試。

過程層GOOSE測試的結果如圖6所示，可以看出測試順利進行，受測設備通過了測試。通過測試算例證明了所述一致性閉環測試系統硬件平臺能很好地輔助一致性閉環測試軟件平臺完成相關測試，并具有很好的實用性和可靠性。

圖5　站控層GOOSE測試

圖6　過程層GOOSE測試

3結語

一致性測試是智能變電站內部智能電子設備互

操作的重要保障。基于閉環的一致性測試能夠在保證測試可靠性和穩定性的基礎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工況，能夠進一步提升一致性測試的可靠性和效率。這一改進能夠促進智能變電站在中國的發展以及IEC 61850標準在中國的推行，為智能電網在中國的發展奠定堅實的基礎。

參 考文獻

[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.變電設備在線監測系統中 IEC 61850 的一致性測試 [J].電力系統自動化, 2013, 2(19):79-85.

[4]王伊曉，劉東，陸一鳴，等.IEC 61968消息一致性測試方法研究與實現[J].電網技術,2014,38(10):2802-2809.

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

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

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都610072；

2.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都610031；

3.國網浙江省電力公司電力科學研究院，浙江 杭州310000)

摘要：IEC 61850一致性測試是保證智能變電站內部設備之間互操作性的重要環節。隨著智能電網的發展，智能變電站內部的智能設備數量大幅增加，傳統的一致性開環測試具有操作繁瑣、缺乏閉環測試、效率較低等缺點。采用閉環測試的方法，使測試平臺采用SV、GOOSE、MMS等報文，自動逐條運行測試例，并對受測設備的對應反饋進行分析，給出判斷結果，可提高效率和靈活性。一致性閉環測試系統的軟件平臺通常運行于PC等同架構設備下，其報文通信能力和測試環境的模擬能力均有所不足。根據一致性閉環測試的要求，針對測試系統所需硬件輔助平臺進行了基于多處理器ARM架構的硬件平臺設計，并通過算例驗證證明了硬件平臺的可靠性和實用性。

關鍵詞：IEC 61850；一致性測試；智能變電站；硬件平臺設計；閉環測試

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

文獻標志碼：A

文章編號：1003-6954(2016)01-0051-03