船用快速直流開關控制軟件開發與驗證

魯 玲，王旭東，陳 瑤

應用研究

船用快速直流開關控制軟件開發與驗證

魯 玲，王旭東，陳 瑤

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了船用快速直流開關控制軟件的設計開發過程，實現了斷路器分斷和閉合控制、過載長延時保護、短路電流保護、事件記錄等基本功能，并通過軟件測試驗證了該軟件的功能，為該類軟件的開發和設計提供了參考，對于提高艦船電力系統的安全性具有實際意義。

快速直流開關 軟件開發軟件測試

0 引言

隨著船舶電氣設備自動化程度的不斷提高，對于嵌入在設備中的軟件的要求也越來越高。快速直流開關系統是船用電力系統中重要的保護裝置，用來分配電能，保護線路免受過載、短路故障的危害，其控制軟件的正常有效運行對于整個艦船的安全、正常運行有著關鍵性作用。本文將圍繞船用快速直流開關系統的基本功能，開發具備狀態監測、保護等功能的控制軟件，并開展驗證工作。

1 快速直流開關控制軟件開發任務

1.1 系統介紹

快速直流開關系統的主要功能是實現斷路器的分閘、合閘，當系統中發生故障時及時斷開斷路器，達到保護系統的目的。本文開發的控制軟件具備對快速直流開關上電的狀態自檢功能，具備快速直流開關狀態監測及控制功能，通過監測電流狀態實現對快速直流開關的過載長延時保護、短路瞬時保護，同時具備與上位機通信功能。上電自檢狀態是過渡狀態，執行完此操作后自動跳轉至下一個狀態。當自檢成功跳轉到正常運行狀態，具備測量功能、保護功能、控制功能、通訊功能；當自檢不成功跳轉到故障運行狀態，具備測量功能、復位功能、通訊功能。系統運行方案如圖1所示。

1.2 軟件功能介紹

快速直流開關控制軟件主要包含以下功能。

1）斷路器啟動電容自檢功能：接通控制電源后，斷路器進入“啟動”過程，軟件對相關電容的充電過程進行監測。等待一定時間后如電容充滿，表明自檢成功；如電容未充滿，自檢失敗，輸出報警信號。

圖1 系統運行方案狀態圖

2）斷路器閉合控制功能：軟件接收到合閘命令后，發出斷路器合閘信號。每次發出開關動作信號后等待一定時間，判斷開關狀態是否正確，如正確則繼續執行后續動作，如不正確則發出報警信號。

3）斷路器分斷控制功能：軟件接收到本地分閘命令后，發出分閘信號，如分斷不成功則發出報警信號。

4）過載長延時保護功能：當測量到主回路電流在過載長延時電流整定范圍內，且持續時間大于過載長延時時間整定值時，保護輸出給斷路器，如保護不成功則發出報警信號。

5）短路電流保護功能：當測量到主回路電流大于短路電流整定值時，保護輸出給斷路器，如保護不成功則發出報警信號。根據電流方向，短路電流保護功能分為正向保護和負向保護。

6）事件記錄功能：在快速直流開關接通控制電源后，軟件可記錄啟動電容自檢、斷路器分合閘、故障保護等事件，能記錄事件發生時間、保護動作類型及其他事件信息。

2 快速直流開關控制軟件設計與實現

本控制軟件屬于嵌入式ARM軟件，軟件的設計主要采用結構化的方法：一是將全局變量進行適當分組，形成結構體變量；二是將實現各功能的語句封裝成函數，根據需求進行調用。軟件運行以“無限循環”結合“中斷觸發”的方式進行，在初始化完成后進入無限循環，由各類中斷觸發進行各類操作。本軟件的執行方案如圖2所示。

2.1 軟件功能介紹

按照功能及作用，將軟件代碼結構劃分為初始化程序、主循環程序、中斷服務程序及公用函數庫。初始化程序包含所有初始化函數、上電自檢函數、上電讀EEPROM函數，僅在程序開始運行時執行一次；主循環程序包含所有實現程序功能的函數，可根據功能的復雜程度進行進一步劃分；中斷服務程序包含所有程序調用的中斷函數，例如定時器中斷、AD采樣中斷、RS485中斷、CAN中斷；公用函數庫包含所有程序中調用的基本功能函數，例如保護通用函數、事件記錄函數、濾波函數等。

根據軟件層次及結構劃分，進一步設計軟件單元結構。將軟件各部件按照輸入來源分為接口層和和控制層，接口層包含了初始化模塊、主循環模塊以及模擬量采樣中斷、CAN中斷和RS485中斷，控制層則包含定時器中斷和外部中斷，如圖3所示。

圖2 快速直流開關控制軟件執行方案

圖3 軟件單元結構圖

2.2 軟件實現

根據軟件設計方案，采用C語言在MDK集成開發環境中完成軟件開發、編譯和調試，并由獨立的單元測試人員完成單元測試。通過Testbed軟件開展靜態分析和代碼審查，人工完成代碼走查，發現程序bug12個，均已修正，語句覆蓋率達到100%。

3 快速直流開關控制軟件驗證

完成軟件編碼并通過單元測試后，即可開展快速直流開關控制軟件的功能與性能驗證工作。包括配置項測試和系統測試，均采用黑盒測試方式。其中配置項測試在模擬環境中進行，系統測試在快速直流開關系統的真實工作環境中開展。

3.1 測試計劃與用例設計

在開始測試工作前，首先對整個測試工作進行合理的計劃，主要包括測試依據、測試環境、計劃執行的測試、測試結束準則等。

測試依據：包含標準的指導程序《軟件測試規范》，以及快速直流開關控制軟件的研制任務書、技術要求、軟件的最終使用目的等。

測試環境：即開展相應的測試工作所必需的軟硬件環境。根據盡早介入原則，測試環境也需要提前計劃，方便根據實際情況及時準備測試環境，以免影響測試進度。

計劃執行的測試：根據GJB102A《軟件安全性設計準則》，快速直流開關控制軟件安全性等級為B級，結合本軟件特點，配置項測試和系統測試分別要執行的測試類型見表1。然后再結合需求規格說明和研制任務書中明確提出的需求，識別并標識所有需開展的測試項。

表1 測試類型表

測試結束準則：1）測試用例全部通過；2）未執行及未通過的測試用例均獲得批準；3）測試被取消。

測試計劃完成并通過評審后，需要針對每一個已標識的測試項設計可執行的測試用例。根據快速直流開關控制軟件的功能特點，設計測試用例主要采用的方法有等價類劃分法、邊界值分析法和經驗判斷法等。設計測試用例時，需明確預期的測試結果和測試結果判定準則。

3.2 測試執行

根據盡早介入原則，測試工作應在需求開發階段就開始，并在設計與實現階段持續。通過對文檔審查，及時與開發人員溝通，盡早發現需求和設計文檔中的錯誤與不合理，將糾正錯誤的工作量和損失降到最低，增強軟件的可測試性。

開始快速直流開關控制軟件功性能驗證前，開發人員搭建測試的軟件環境和測試環境，測試人員確認后，即依照測試計劃和測試用例開始測試工作。測試過程中，測試人員對每個測試用例的執行結果如實記錄，并記錄測試遇到的問題，將軟件缺陷提交到專門的缺陷管理系統中，跟蹤閉環。

本軟件在配置項測試中發現缺陷32個，在系統測試中發現缺陷6個，均為一般缺陷，所有缺陷均已通過回歸測試。最后，測試人員形成相應的軟件測試報告。

3.3 測試結果

測試工作結束后，組織相關人員和領域專家對測試報告進行評審，評審時重點關注快速直流開關控制軟件的保護功能實現情況。從測試結果來看，過載長延時保護、正向短路電流保護和負向短路電流保護均能正常動作，未出現拒不動作的偶然情況，且保護精度滿足性能要求。當出現故障時，軟件能正確記錄故障事件信息，具有一定的參考意義。此外，其他測試用例的測試結果也與預期一致。

4 結束語

針對船用快速直流開關系統的主要功能，本文開發了快速直流開關控制軟件，提供了軟件設計的思路和方法，并開展了完整的驗證工作。結果表明本軟件實現了快速直流開關系統啟動電容自檢、斷路器分斷和閉合控制、過載長延時保護、短路電流保護、事件記錄等功能。通過開展本項研究工作，為該類軟件的開發和設計提供了思路和參考，對于提高艦船電力系統的安全性具有實際意義。

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Development and Verification of Control Software for Marine fast DC switch

Lu Ling, Wang Xudong, Chen Yao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM591

A

1003-4862（2022）12-0058-03

2022-02-24

魯玲（1993-），女，助理工程師。研究方向：嵌入式軟件測試。E-mail：1344884162@qq.com