一種配電主站系統(tǒng)集成測試架構(gòu)及方法

陳明恩，戰(zhàn) 峰,于麗丹，郭 飛

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100)

配電主站系統(tǒng)用于配電系統(tǒng)運行的監(jiān)視和控制，作為配電調(diào)度自動化系統(tǒng)核心，是整個配電系統(tǒng)生產(chǎn)指揮協(xié)調(diào)中心。其軟件模塊主要包括SCADA子系統(tǒng)、應(yīng)用計算子系統(tǒng)、系統(tǒng)維護子系統(tǒng)、Web發(fā)布子系統(tǒng)、調(diào)度員培訓(xùn)子系統(tǒng)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理子系統(tǒng)，同時為其他高級應(yīng)用如能量管理系統(tǒng)EMS、ERP等提供數(shù)據(jù)交換。

主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用分布式、分層設(shè)計原則，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫軟件、開發(fā)工具軟件，統(tǒng)一平臺模塊，集成測試工具軟件等；應(yīng)用軟件包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、電網(wǎng)安全分析、電網(wǎng)經(jīng)濟分析及優(yōu)化和系統(tǒng)互聯(lián)模塊等。

根據(jù)主站產(chǎn)品軟件開發(fā)過程中的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計和具體編程的不同階段，對SCADA主站系統(tǒng)測試內(nèi)容應(yīng)包括單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試和驗收測試。測試經(jīng)過單元質(zhì)量度量和評測、軟件運行單元級集成測試和軟件系統(tǒng)級集成測試3個階段[1-2]。

單元測試的目的是檢驗軟件模塊的設(shè)計開發(fā)情況，主要由編程人員和測試人員通過開發(fā)測試環(huán)境進行測試?？捎蓪I(yè)測試工具parasoft公司c++Test等專業(yè)軟件來完成；單元測試不在本文描述范圍。

集成測試的目的是檢驗各子部件軟件模塊的集成情況，重點測試子部件的接口功能，對使用子部件的測試環(huán)境進行測試。

系統(tǒng)測試和驗收測試則主要測試系統(tǒng)目標(biāo)和支持驗收過程，使用系統(tǒng)及實際運行測試環(huán)境。主站系統(tǒng)的集成測試主要考察系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)[3-4]。包括主站系統(tǒng)的性能指標(biāo)測試、雪崩測試、穩(wěn)定性測試、可靠性測試、安全性測試和可維護性測試[5-7]。

單元測試軟件工具已經(jīng)專業(yè)化、通用化，但集成測試并無通用統(tǒng)一的測試方法。集成測試對于各類軟件產(chǎn)品，需要定制化實現(xiàn)集成測試流程。目前軟件集成測試技術(shù)研究熱點較多集中在軟件集成測試序列選擇和優(yōu)化,面向行為編程中的集成測試策略、集成測試自動化等專題。在軟件集成測試平臺方面，主要側(cè)重于構(gòu)建專用系統(tǒng)的測試平臺；對于建設(shè)通用集成測試平臺面臨測試對象外部接口動態(tài)匹配問題，關(guān)注相對較少[8-11]。

1 集成測試方案設(shè)計與功能

本文主要關(guān)注自動化集成測試的技術(shù)方案。主站系統(tǒng)軟件模塊單元數(shù)量眾多，較為龐大和復(fù)雜，代碼量從數(shù)十萬行到數(shù)百萬行，目前還主要依賴開發(fā)人員的單元測試，測試人員白盒和黑盒等傳統(tǒng)測試技術(shù)方法?，F(xiàn)有集成或系統(tǒng)測試手段方法單一[12-13]，自動化測試程度低下，手工工作量大，重復(fù)性勞動多，日復(fù)一日。強烈需要自動化測試工具，從研發(fā)、測試、現(xiàn)場開局與版本驗證模擬與維護階段全部參與，以減少測試工作量。

本文設(shè)計易于擴展、簡潔高效、盡量測試充分而又盡可能通用平臺的方案，以主站系統(tǒng)為基礎(chǔ)，經(jīng)過多種測試工具軟件與一系列測試方法組合，形成自動化集成測試設(shè)計架構(gòu)，成為主站系統(tǒng)軟件開發(fā)和維護的重要組成部分?？梢钥焖衮炞C各模塊功能，加快開發(fā)進度，及時排除錯誤[14]。

主站系統(tǒng)一般包括商業(yè)數(shù)據(jù)庫配置、實時數(shù)據(jù)庫(RealtimeDatabase/RDB)、歷史數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、告警顯示、SCADA規(guī)則、畫面組態(tài)工具、畫面實時顯示、前置規(guī)約、數(shù)據(jù)總線等核心功能模塊，以及其他報表查詢與展示、Web或者移動終端查詢與展示、五防功能、負(fù)荷預(yù)測、曲線查詢等應(yīng)用功能。

圖1描述了主站系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件功能單元和一些核心功能模塊；集成測試模塊在該系統(tǒng)中的框架位置和數(shù)據(jù)交換接口。集成測試與主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，主要通過原有的實時庫數(shù)據(jù)交互和總線數(shù)據(jù)交互方式。這2種形式為主站系統(tǒng)原有很多功能軟件模塊數(shù)據(jù)交互所采用。集成測試借此采用接口函數(shù)，無需另外設(shè)計數(shù)據(jù)交互途徑，這樣就快速實現(xiàn)配電調(diào)度主站集成測試架構(gòu)原理。

第一種實時庫插件交互方式。以插件DLL接口函數(shù)交互，主站系統(tǒng)中實時庫 (RDB) 模塊提供統(tǒng)一訪問接口，所述接口函數(shù)采用共享內(nèi)存來信息交換，采用插件DLL代碼形式，為實時顯示scheonline，智能信息查詢wisdomhiq，告警alarm等眾多與實時庫交互模塊所采用。

日糧蛋白質(zhì)水平對蛋雞育成期料重比有極顯著影響（P＜0.01）。P4組(CP 15.7%)的料重比最低（4.483），且極顯著低于其他各組（P＜0.01），P1(CP 14.2%)組、P2(CP 14.7%)組和 P3(CP 15.2%)組之間無顯著差異（P＞0.05）。整個試驗周期中各組之間的死淘率和脛長并無顯著差異（P＞0.05）。

第二種總線數(shù)據(jù)交互方式?？偩€插件DLL接口函數(shù)交互，主站系統(tǒng)軟件中，通常都設(shè)計有總線軟件單元，實現(xiàn)各模塊的TCP/IP數(shù)據(jù)通信，總線數(shù)據(jù)報文與格式，系統(tǒng)軟件按照行為模式約定而成。

圖2描述主站集成測試功能模塊和方法流程。包括測試用例生成器、測試用例生成文檔、測試用例解釋器、測試行為發(fā)生器、終端數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器和測試日志分析器。自動化測試過程包括測試用例的測試條件、測試工具、測試場景、測試步驟和測試結(jié)果。

測試用例生成器用于在界面軟件中選擇，添加測試條目，自動生成符合一定格式測試用例文檔。

測試用例文檔為測試用例條目集合。由用例生成器自動生成，特殊情況下手動編輯。

測試用例解釋器讀入測試用例文檔，分析測試用例文檔，記錄用例文檔測試的全部測試條目集合，將測試用例文檔存入到內(nèi)存中，把測試用例文檔內(nèi)容拆分為測試用例條目，逐條讀入，檢查測試參數(shù)是否合法有效，參數(shù)是否完備(每一個測試用例條目不相同，參數(shù)也各不相同，檢查參數(shù)是否合法有效，參數(shù)是否完備)。

測試行為發(fā)生器讀入測試用例解釋器逐條讀入的測試用例條目，逐條順序按一定時間間隔執(zhí)行；如果測試行為發(fā)生器存在相對應(yīng)測試用例條目的測試行為相匹配，則測試用例合法(測試行為指測試執(zhí)行過程函數(shù)，過程函數(shù)在測試過程中修改實時庫相應(yīng)數(shù)據(jù)或者發(fā)送數(shù)據(jù))；如果沒有與測試用例條目相匹配的測試行為，丟棄該條測試用例條目。測試行為發(fā)生器根據(jù)主站調(diào)度系統(tǒng)可整理及歸納測試行為，不斷添加與豐富。

測試行為發(fā)生器根據(jù)測試用例文檔預(yù)先設(shè)定參數(shù)，測試用例文檔中某一測試條目可以執(zhí)行一次，也可以執(zhí)行數(shù)次，測試用例文檔的每一條測試用例條目全部執(zhí)行完，本輪測試完畢。

測試行為發(fā)生器數(shù)據(jù)交互包括兩種方式，第一種實時庫統(tǒng)一訪問接口函數(shù)。測試行為發(fā)生器集成該實時庫統(tǒng)一訪問接口函數(shù)，調(diào)用該DLL接口來訪問實時庫屬性數(shù)據(jù)(實時庫屬性數(shù)據(jù)指實時庫object對象的屬性數(shù)據(jù)，不同測試用例，實時庫object對象的attribute屬性不同，例如數(shù)值、主備切換、工作結(jié)果狀態(tài)、動作行為、同步狀態(tài))，通過觸發(fā)RDB實時庫中相應(yīng)object對象的attribute屬性改變，改變數(shù)字量、模擬量，主備機切換的狀態(tài)量變化，實現(xiàn)主站系統(tǒng)的各軟件模塊變位或者變化以及告警事項產(chǎn)生，實現(xiàn)事件變化或者告警，同時，主站系統(tǒng)的變位或者變化存入歷史數(shù)據(jù)庫，形成歷史曲線或者報表系統(tǒng)，進而觸發(fā)主站系統(tǒng)功能的變化與驗證。

終端數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器包括終端數(shù)據(jù)配置文件、通信規(guī)約、設(shè)備通信鏈路管理和統(tǒng)計分析模塊；配置文件是虛擬設(shè)備配置表，包括TCP的Server或Client方式選擇、IP地址、IP端口、遙信數(shù)量、遙測數(shù)量和電度數(shù)量信息；通信規(guī)約包括電力協(xié)議IEC103,IEC104、Modbus和IEC61850規(guī)約，終端數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器采用的通信規(guī)約與主站配電系統(tǒng)的通信規(guī)約一致。

測試日志包括正常、告警和錯誤信息，完善的日志文件，是測試與排除問題的基礎(chǔ)。與此同時，這些日志文件，是各軟件模塊在編程時必須設(shè)計嵌入。這要求主站調(diào)度系統(tǒng)各程序在開發(fā)之初，就要設(shè)計日志文件。

測試日志分析器是分析用例文檔執(zhí)行的過程記錄。綜合使用xml配置文件、腳本文件或者批處理文件，抓取日志Log文件，例如逐一查找關(guān)鍵字，這些關(guān)鍵字，可以是normal，warning，error，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的關(guān)鍵字，把相關(guān)日志文件重定位到某一文件中，這樣，大量的日志信息運用多種技術(shù)去粗取精，歸納總結(jié)得到需要的信息，生成測試結(jié)果報表，然后，在日志分析器中，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的郵箱，自動發(fā)送郵件接收者，供分析排查問題使用。

2 集成測試過程

根據(jù)主站產(chǎn)品軟件開發(fā)過程中的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計和具體編程的不同階段，對SCADA主站系統(tǒng)測試內(nèi)容經(jīng)歷單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試和驗收測試過程。從集成測試的角度對SCADA 主站系統(tǒng)測試進行比較完整的系統(tǒng)性研究，從性能指標(biāo)測試、雪崩測試、穩(wěn)定性測試、可靠性測試、安全性測試和可維護性測試等幾個方面具體探討SCADA主站系統(tǒng)的集成測試。文獻[1]對這些測試內(nèi)容做了詳細(xì)具體研究，為主站系統(tǒng)集成測試提供較好借鑒意義。但對于SCADA主站集成測試用到的具體軟件工具、方法和過程，可借鑒文獻較少。

結(jié)合圖2所示，本文對生成測試工具與方法過程，做了詳細(xì)的設(shè)計與描述。測試過程包括以下步驟。

a.建立測試用例生成器的用例配置文檔。用例配置文檔采用xml格式，用例配置文檔將測試功能分為測試功能大類和測試功能小類，所有的測試功能大類和測試功能小類采用英文字符串與數(shù)值匹配宏定義，測試用例條目項應(yīng)該盡可能完備；測試用例涉及實時數(shù)據(jù)改變、告警事項、通信鏈路、主備倒換、數(shù)據(jù)同步、實時畫面、歷史數(shù)據(jù)入庫、前置通信協(xié)議、風(fēng)暴數(shù)據(jù)測試、保護設(shè)備裝置管理、Web頁面同步變化等多個大類和子集，測試用例在不同階段在此架構(gòu)下可刪減和擴充。

b.啟動測試用例生成器，讀入xml格式的用例配置文檔，將所有能夠支持自動化測試的測試項顯示出來，選擇本次需要測試的用例后，生成測試用例文檔。

c.建立測試用例文檔。用例文檔是測試用例生成器配置文檔的子集，產(chǎn)生若干個測試用例文檔。測試用例生成器每一次操作是指啟動后，在界面中勾選本次需求的多條測試條目，保存后就會產(chǎn)生包括這些選擇的多個測試項的測試用例文檔。

d.啟動測試用例解釋器和測試行為發(fā)生器。測試用例解釋器解釋用例，分析用例參數(shù)，啟動與主站系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互，逐一執(zhí)行用例。主站配電系統(tǒng)各模塊產(chǎn)生相應(yīng)測試日志文檔。測試用例解釋器根據(jù)測試功能大類和測試功能小類的用例進行編號，提取并分解相應(yīng)參數(shù)，以功能編號分支條件來匹配測試行為發(fā)生器相應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)。

e.測試用例執(zhí)行后，自動啟動測試日志分析器，產(chǎn)生測試結(jié)果，供系統(tǒng)分析與驗證等。

f.終端裝置模擬發(fā)生器，模擬終端裝置行為,產(chǎn)生裝置數(shù)據(jù)。終端裝置模擬發(fā)生器根據(jù)用戶配置提供多達數(shù)千臺虛擬終端設(shè)備或數(shù)十萬點甚至百萬點遙信或遙測數(shù)據(jù)點，驗證各模塊功能正確性。同時支持風(fēng)暴突發(fā)對復(fù)雜組網(wǎng)環(huán)境的性能模擬測試。主站系統(tǒng)承受風(fēng)暴數(shù)據(jù)沖擊，來驗證主站系統(tǒng)的界面變化刷新情況、CPU性能情況、對電腦服務(wù)器配置要求、系統(tǒng)多機切換、歷史曲線和報表驗證等。這樣，主站配電系統(tǒng)正確性和可靠性都得到盡可能的測試。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)設(shè)計了一種配電調(diào)度主站自動化集成測試架構(gòu)，在配電調(diào)度主站系統(tǒng)開發(fā)初期，驗證各模塊的功能，加快開發(fā)進度，及時排除錯誤。在開發(fā)后期驗證系統(tǒng)容量測試、壓力測試、性能測試、CPU負(fù)荷是否滿足設(shè)計要求。

在系統(tǒng)版本維護階段，快速搭建自動化測試平臺，驗證每日構(gòu)造版本有效性，減少重復(fù)測試人工勞動，減少人力成本具有重要的意義。在現(xiàn)場開局或故障復(fù)現(xiàn)，可迅速搭建出一個復(fù)雜現(xiàn)場組網(wǎng)環(huán)境，進行現(xiàn)場工作開展與實施，測試或模擬故障復(fù)現(xiàn)，對現(xiàn)場故障迅速做出有效響應(yīng)，也能擴大測試范圍，最大限度減少故障泄漏，節(jié)省維護成本，高效可控。