IEC 61850一致性閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(huán)測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)中扮演著越來(lái)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(duì)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(duì)所安裝設(shè)備進(jìn)行IEC 61850一致性測(cè)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(cè)試試驗(yàn)通常利用一組測(cè)試用例序列，在一定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行黑盒測(cè)試[4],通過(guò)比較實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的異同判定受測(cè)設(shè)備對(duì)象與協(xié)議描述的一致性[5]。常規(guī)的一致性測(cè)試通常是由被測(cè)智能電子設(shè)備(intelligent electronic device, IED)，一致性測(cè)試軟件系統(tǒng)組成。由于一致性測(cè)試作為IED一致性的重要判據(jù)，一致性測(cè)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(gè)智能變電站系統(tǒng)的質(zhì)量和效能。一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)可靠的閉環(huán)一致性測(cè)試系統(tǒng)的重要性尤其突出。典型的一致性測(cè)試軟件系統(tǒng)可包含上百個(gè)測(cè)試用例，各測(cè)試用例對(duì)測(cè)試系統(tǒng)和模擬環(huán)境的需求各不相同。因此，一個(gè)可靠、接近實(shí)際工況的運(yùn)行模擬環(huán)境是一致性測(cè)試算例順利運(yùn)行的必要條件。傳統(tǒng)的一致性測(cè)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(tái)通常無(wú)法為受測(cè)IED模擬一個(gè)完善的測(cè)試環(huán)境，這會(huì)降低一致性測(cè)試的可靠性與適應(yīng)性。因此，一個(gè)能向受測(cè)IED提供可靠測(cè)試環(huán)境的一致性測(cè)試硬件平臺(tái)將具有較高的實(shí)用性和必須性[6]。

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

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

1一致性測(cè)試硬件平臺(tái)

IEC 61850一致性測(cè)試硬件平臺(tái)在一致性測(cè)試中主要用于接收一致性測(cè)試軟件平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)來(lái)的指令和報(bào)文，并通過(guò)SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文與受測(cè)設(shè)備進(jìn)行通信，協(xié)助一致性測(cè)試軟件平臺(tái)對(duì)受測(cè)設(shè)備進(jìn)行SV和GOOSE協(xié)議測(cè)試，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)報(bào)告通過(guò)以太網(wǎng)回送軟件平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)對(duì)受測(cè)設(shè)備的閉環(huán)測(cè)試。

1.1　一致性測(cè)試硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一致性測(cè)試硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿(mǎn)足基本工作要求的基礎(chǔ)上，充分考慮與一致性硬件平臺(tái)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(cè)試的智能電子設(shè)備數(shù)量急劇增長(zhǎng)，因此，一致性測(cè)試硬件平臺(tái)應(yīng)考慮同時(shí)對(duì)多個(gè)受測(cè)IED進(jìn)行測(cè)試的情況。對(duì)于一致性測(cè)試軟件平臺(tái)而言，其可以在執(zhí)行一個(gè)算例的情況下，借助一致性測(cè)試硬件平臺(tái)，同時(shí)對(duì)若干個(gè)受測(cè)設(shè)備進(jìn)行一致性測(cè)試，這將會(huì)極大地提升一致性測(cè)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(cè)試裝置自動(dòng)化程度不足，無(wú)法靈活搭建測(cè)試邏輯的問(wèn)題，又可提高性能，節(jié)約測(cè)試成本。

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

圖1　一致性測(cè)試硬件平臺(tái)架構(gòu)圖

該一致性硬件測(cè)試平臺(tái)包括1個(gè)主控CPU模塊和3個(gè)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(lái)的GOOSE、SV等信息，同時(shí)接收開(kāi)入開(kāi)出轉(zhuǎn)接模塊傳來(lái)的遙信量信息和開(kāi)出信息，運(yùn)行測(cè)試邏輯程序。同時(shí)還負(fù)責(zé)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)模塊處理與測(cè)試儀外部的通訊，輸出測(cè)試結(jié)果。主控CPU模塊通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)模塊同3個(gè)協(xié)處理CPU模塊相連，同時(shí)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(cè)設(shè)備進(jìn)行GOOSE、SV協(xié)議通信并同時(shí)將處理過(guò)的信息傳送到主控CPU模塊，協(xié)處理器CPU模塊通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)模塊同主控CPU模塊互聯(lián)。

開(kāi)入開(kāi)出轉(zhuǎn)接模塊主要用于一些傳統(tǒng)IED設(shè)備的測(cè)試中。其主要負(fù)責(zé)將測(cè)試平臺(tái)外部的物理開(kāi)入轉(zhuǎn)換為數(shù)字開(kāi)入量并通過(guò)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(shí)將主控CPU傳來(lái)的出口命令轉(zhuǎn)換為實(shí)際的物理開(kāi)出輸出。開(kāi)入開(kāi)出轉(zhuǎn)接模塊在結(jié)構(gòu)上與開(kāi)入開(kāi)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(kāi)入開(kāi)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(shí)連接主控CPU模塊、3個(gè)協(xié)處理器CPU模塊以及測(cè)試儀外部以太網(wǎng)，負(fù)責(zé)測(cè)試儀內(nèi)部主從CPU之間的高速信息交換以及同測(cè)試儀外部的網(wǎng)絡(luò)通信。整個(gè)硬件平臺(tái)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(cè)試硬件平臺(tái)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(gè)ARM核和1個(gè)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(cè)試平臺(tái)CPU架構(gòu)圖

一次典型的一致性閉環(huán)測(cè)試過(guò)程如下：

一致性閉環(huán)測(cè)試軟件平臺(tái)執(zhí)行算例，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)將可直接完成部分送至受測(cè)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(duì)算例進(jìn)行分析執(zhí)行，將所需開(kāi)出通過(guò)CAN模塊和開(kāi)入開(kāi)出轉(zhuǎn)換模塊送至受測(cè)IED(若此次算例執(zhí)行有此需求)。外部IED的GOOSE和SV信息通過(guò)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(duì)應(yīng)IED的GOOSE及SV信息，同時(shí)將處理過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)部以太網(wǎng)絡(luò)送至主控CPU。開(kāi)入開(kāi)出轉(zhuǎn)接模塊將外部物理開(kāi)入通過(guò)CAN模塊送到主控CPU中。主控CPU運(yùn)行測(cè)試邏輯程序，綜合判別3個(gè)協(xié)處理CPU模塊上送的GOOSE、SV信息以及開(kāi)入開(kāi)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(duì)后，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果輸出至一致性測(cè)試軟件平臺(tái)，完成一次典型的一致性閉環(huán)測(cè)試。

2運(yùn)行測(cè)試

圖3和圖4分別展示了一致性閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)使用硬件測(cè)試平臺(tái)之前和之后的平臺(tái)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(cè)試硬件平臺(tái)之前，僅憑一致性測(cè)試軟件平臺(tái)雖然也能進(jìn)行相關(guān)閉環(huán)測(cè)試，但由于缺乏硬件平臺(tái)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(cè)試項(xiàng)的執(zhí)行。在一致性測(cè)試硬件平臺(tái)的輔助下，新的一致性閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)將可以對(duì)

圖3　不含硬件平臺(tái)的一致性測(cè)試系統(tǒng)

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

圖4　含硬件平臺(tái)的一致性測(cè)試系統(tǒng)

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

由圖5可以看出，測(cè)試順利進(jìn)行，受測(cè)設(shè)備通過(guò)了測(cè)試。

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

圖5　站控層GOOSE測(cè)試

圖6　過(guò)程層GOOSE測(cè)試

3結(jié)語(yǔ)

一致性測(cè)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(cè)試能夠在保證測(cè)試可靠性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上大幅提高測(cè)試效率；一致性測(cè)試硬件平臺(tái)的引入，可以使得針對(duì)智能變電站的IEC 61850一致性測(cè)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(cè)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(guó)的發(fā)展以及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)在中國(guó)的推行，為智能電網(wǎng)在中國(guó)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參 考文獻(xiàn)

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(1.國(guó)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(guó)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(cè)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(kāi)環(huán)測(cè)試具有操作繁瑣、缺乏閉環(huán)測(cè)試、效率較低等缺點(diǎn)。采用閉環(huán)測(cè)試的方法，使測(cè)試平臺(tái)采用SV、GOOSE、MMS等報(bào)文，自動(dòng)逐條運(yùn)行測(cè)試?yán)?，并?duì)受測(cè)設(shè)備的對(duì)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(cè)試系統(tǒng)的軟件平臺(tái)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(cè)試環(huán)境的模擬能力均有所不足。根據(jù)一致性閉環(huán)測(cè)試的要求，針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)所需硬件輔助平臺(tái)進(jìn)行了基于多處理器ARM架構(gòu)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，并通過(guò)算例驗(yàn)證證明了硬件平臺(tái)的可靠性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：IEC 61850；一致性測(cè)試；智能變電站；硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)；閉環(huán)測(cè)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(lèi)號(hào)：TM74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)01-0051-03