摘　要　针对监控主站进行动态测试对提高变电站综合自动化系统的整体性能具有十分重要的意义。在对测试对象的特性和测试任务进行分析后，提出并建立了一种符合实际的数模混合的动态测试环境。对照各测试项目，详细阐述了测试方法和测试过程。应用该模型，对一种基于LonWorks局域网络的变电站综合自动化系统监控主站进行了动态测试，效果良好。
关键词　变电站综合自动化　监控主站　动态测试
分类号　TM764

DYNAMICTESTINGOFMAINSTATIONFORMONITORINGANDCONTROLLING
ININTEGRATEDSUBSTATIONAUTOMATION

WangPeng,WangHaiyou,WangWeiguo,GuMi,HeRenmu
(NorthChinaElectricPowerUniversity,100085,Beijing,China)

Abstract　Dynamictestingisimportantforthemainmonitoringandcontrollingstationinintegratedsubstationautomation.Thispaperproposesadigital-analoghybridmodelforsystemdynamictestingbyanalyzingthetestingtasksandcharacteristicsofthetestingobject.Thetestingmethodandprocessaredetailed.Byusingthemodel,thedynamictestingonamainmonitoringandcontrollingstationinintegratedsubstationautomationsystembasedonLonWorksnetworkiscarriedout.Theresultsshowthattheproposedmodelissatisfactory.
Keywords　integratedsubstationautomation　mainmonitoringandcontrollingstation　dynamictesting

0　引言
　　随着国内许多变电站综合自动化系统的投入运行，相应的研究和讨论也趋于深入^［1～5］。在变电站综合自动化系统中，监控主站充当站内的保护、测量、控制及通信装置与变电站运行人员之间的接口，它正确、及时地转换与传输变电站的运行状态信息以及运行人员的控制命令，是整个系统正常运转的前提，地位十分重要。目前，站内的各微机保护装置、控制单元及通信网络的性能指标都已较高，但监控主站的性能却是薄弱环节。
　　如何尽早消除监控主站的缺陷，尽量避免发生事故时遭受损失，如何对监控主站的性能进行合理评价，都是亟待解决的问题。软件工程提供的“测试”(testing)概念是一个好的解决方案^［6～8］。
　　针对基于LonWorks局域网络的变电站综合自动化系统监控主站软件平台，在充分分析测试对象的基础上，本文提出了一种实用的动态测试模型，建立了一套数模混合的变电站模拟系统，并对监控主站进行了完整的动态测试。

1　目前现状
　　目前在许多系统的监控主站的应用验收上存在以下观点：
　　a.各个测量和控制“对点”正确，用户所需的各项功能均能满足(如各类图形、表格)，因此系统的监控主站是合格的；
　　b.系统已经在现场投运了数套，目前尚无问题，所以系统的性能过硬。
　　事实上，对于观点a，虽然正常数据信息下的“对点”正确是必须的，但对于无效或错误信息的容错能力同样很关键，因为系统长期运行中站内装置发出错误信息的可能性是存在的。对于观点b，用现场运行的数量和时间来衡量显然不够严格。因为现场运行中，事故运行状况和正常运行状况差异很大(如信息量和信息的重要性)，监控主站能否在各种事故运行情况下保证可靠性更为重要。但是，事故状况出现较少，一些复杂故障情况，在一个具体的变电站中可能几年才会遇到。

2　测试对象及测试任务分析
2.1　测试对象及特点
　　本文讨论的变电站自动化系统的结构如图1所示。

图1　基于LonWorks的变电站自动化系统结构
Fig.1　Structureofintegratedsubstationautomation
systembasedonLonWorks

　　系统采用分层分布式，站内通信网络采用美国ECHELON公司的LonWorks总线结构，站内的保护、测量、控制及通信装置分别作为一个智能网络节点同总线相连。由于采用面向对象的设计，变电站所包括的变压器、电容器、备自投装置及各条线路等均对应一个LonWorks网络节点；担当就地监控的PC机和远动任务的PC机也对应一个LonWorks网络节点。所有连接在网络上的节点是平等的，但从功能角度将前者称为间隔层，后者称为主站层。各节点按照功能下放的原则完成其独立的任务，节点之间按LonWorks规约以报文的形式传递信息。
　　后台监控软件是在WindowsNT4.0下采用PCSoft公司的WIZCON7.0平台开发，自LonWorks网络到WIZCON的上行报文处理采用WIZCON的API机制，自WIZCON到LonWorks网络的下行过程采用DDE热链接。由于本文探讨监控主站的动态测试，因此为了分析清晰起见，以下不考虑远动PC机。
　　按照变电站自动化的要求，监控主站主要完成两项任务。一个是上行任务：接收并解释站内保护、测量等装置发送的上行报文，并将结果通过友好、直观的人机界面显示给变电站的运行人员；另一个是下行任务：接收并解释运行人员通过人机界面下达的控制命令，随后通过LonWorks将其下传至保护及控制装置。两项任务的特点是：上行任务是大量的和持续性的；而下行任务是少量的和间歇性的。
　　值得注意的是，在变电站正常运行和事故运行两种状态下，监控主站的任务具有不同的特点。正常运行时，站内各装置定时上送遥测、遥信等报文，数量较少，且每帧报文的处理过程简单。发生故障时，可能引发多个装置一起上送保护动作、保护告警、SOE等报文，这些报文较遥测和遥信报文优先级高，处理过程复杂。但此时运行人员往往更需要进行一些操作(下行任务)，以控制事态，而这些下行报文同样具有高优先级。
2.2　动态测试的任务分析
　　衡量监控主站性能的指标比较多，如功能齐全，响应速度快，可靠性高，维护方便等。其中，功能齐全和维护方便等项的测试方法简单且容易实现(如对照需求分析进行人工走查等)。除此之外，动态测试需完成的任务分以下两类。
2.2.1　单信息的测试
　　从集合论的观点讲，监控主站体现的是物理设备与计算机界面之间的映射关系。
　　对于上行任务，物理设备集合用A表示，监控主站界面集合用A′表示：
　　A=｛模拟量a₁,…，模拟量a_m，数字量b₁，…，数字量b_n，伪变量c｝
　　　　　　　　　　　　　
其中　伪变量c存在的原因在于数据传输中的可能错误；c′为当c出现时界面的相关响应信息；v_ai为a_i实际取值；Φ_ai为a_i的定义域；α_i为取值在定义域外时界面的相关处理信息；b_i′的表示形式与a_i′类似。
　　这样集合A与集合A′建立起一一映射关系(见图2)。类似地，下行任务也存在监控主站界面集合B′与物理设备集合B之间的一一映射关系。

图2　A与A′的一一映射关系
Fig.2　Mappingrelationshipfromonetoone
betweenAandA′

　　单信息测试的目的就是要验证A与A′、B′与B之间的一一映射关系。因此，测试不仅包括传统的“对点”工作，而且要进行大量的无效代码测试。
2.2.2　大量信息的测试
　　a.不仅满足正常环境下，而且要保证当变电站出现故障而信息大规模地涌上LonWorks网络时，监控主站不死机、不丢失重要信息。为此，采用主站系统的负载水平^［2］、报文的处理率、主站系统的内存变化趋势等指标来衡量；
　　b.不仅满足正常环境下，而且要保证当变电站出现故障而信息大规模地涌上LonWorks网络时，信息的快速响应。为衡量系统的响应速度，定义主站的响应时间HRT(hostresponsetime)为：从操作员下达一个遥控命令开始，到由命令而引起的设备动作并在屏幕上显示为止的整个过程时间。

3　动态测试模型
3.1　模型结构
　　完成上述的动态测试任务，需要有良好的动态测试环境。动态测试环境可以采用的模型有物理模型、数字模型及数模混合模型。
　　本文采用的数模混合模型是用计算机和实际装置一起构成动态测试环境，能够较好地满足动态测试的要求。数模混合模型的结构如图3所示。

图3　变电站自动化数模混合测试模型的结构
Fig.3　Structureofthedigital-analoghybrid
modelforintegratedsubstationautomationsystem

　　变电站自动化系统中的同一类装置在模型中都必须有一个对应的RN，其余装置则用VN来模拟。操作机构是一个能跳、合闸的物理设备，它同RN的数据是双向的。在测试时，操作机构同RN的连接可以手工完成。保护测试仪的作用是向RN提供模拟量或开关量(折合成高、低电平)。LonBuilder是LonWorks总线网的监视节点，可以监视网络信息流的统计特征。
3.2　VN的实现
　　在数模混合模型中，赋予VN的作用是单一地模拟各类RN的上行过程。RN的上行过程可以分解为3步：采集数据；数据打包成LonWorks报文格式；通过专用通信接口发送到网络上(如图4)。对照此过程，用1号计算机(PC1)模拟p个VN的步骤如图5所示。

图4　RN的上行过程
Fig.4　UpprocessofRN

图5　计算机模拟p个VN的实现
Fig.5　Implementationofcomputeranalogyof
pvirtualnodes

　　图中，数据生成器模拟了RN的数据采集过程，根据测试项目的不同其生成规则也不同。报文生成器的作用在于形成符合变电站自动化系统内部规约格式的数据报文，而从变电站自动化系统内部规约格式到LonWorks规约格式的转换则在LonWorks通信接口中实现。报文生成器的另一个作用在于赋予报文以相应的属性组C(C₁，C₂，C₃)，其中，C₁为报文优先级别，C₂为报文应答机制，C₃为报文重发机制。报文发送控制器的作用在于将p个报文生成器的报文进行排队，串行通过通信接口发向LonWorks网络。这是因为p个VN实际上只有一个物理的通信接口。报文排队的同时，报文发送控制器还要控制报文发送的平均速度，发送速度随测试项目的不同而不同。

4　动态测试方法
　　根据上述模型的描述，动态测试有3种工作方式：
　　a.“VN方式”，即测试时仅由VN类节点发送报文信息。
　　b.“RN方式”，即测试时仅由RN类节点发送报文信息。
　　c.“VN RN方式”，即测试时由VN类节点和RN类节点同时发送报文信息。
　　针对测试任务要求，动态测试的实现过程如下。
4.1　单信息的测试过程
　　对于单信息的测试，传统的“对点”工作既可按传统的“RN方式”，也可按“VN方式”；无效代码测试按“VN方式”进行。
　　此项测试中，测试用例的生成十分关键。例如，假定用VN₁模拟线路保护CSL216B装置，针对A相电压模拟量a₁进行测试。按照一一映射的原则，需要验证a₁必然导致a₁′，不可能导致a₁′，即

a₁→a₁′，a₁′

其中　为a₁对于集合A的补集。
　　实现a₁→a₁′，数据生成器中产生数v的规则采用黑盒测试(black-boxtesting)的等价类划分(equivalencepartitioning)方法和边值分析法。
　　实现a₁′，核心在于生成伪变量c。数据生成器中产生c的规则采用各种数据的变异体(mutation)方法，即对特定数据报文的相关字节有意地植错。
　　目前，单信息的测试结果仍需要人工判断。
4.2　大量信息的测试过程
4.2.1　对大量信息的a项测试
　　按照“VN方式”进行。主站系统的负载水平可以通过WindowsNT所提供的性能监视器所监视的中央处理器的处理时间来衡量^［2］。报文的处理率r，可以通过LonBuilder的报文统计量N_LON与监控主站PC机中处理报文统计量N_HPC的比较来实现。即
　　　　　　　　　　　　　　　(1)
当N_LON=N_HPC时，r=100。
　　主站系统的内存变化趋势可以通过WindowsNT所提供的任务管理器中“性能”标签的“内存使用记录”图来观察。
　　在此项测试中需要注意以下几点：
　　a.由于在监控主站智能节点的寄存器内和主站软件中均有可能设置有缓冲区，因此，对报文处理率的测试必须经长时间的测试才有意义。否则，主站有可能由于缓冲区的存在而掩盖报文丢失现象。
　　b.模拟变电站故障环境时，需要在报文生成器中改变报文的属性组C；同时，需在报文发送控制器中增大报文的发送速度。
　　c.对于实时运行的程序，如果处理不当，可能造成内存逐渐被占用，直到出现死机现象。这种现象在程序中采用多任务、多线程、多进程等技术后更易出现^［5］。因此，长期观察内存变化趋势具有十分重要的意义。实践中，我们采用72h运行观察。
　　d.由于测试是针对监控主站进行的，自间隔层的VN和RN到监控主站却还涉及到网络，所以VN产生的测试用例是否提供到监控主站需要一个判断准则。对于“VN方式”，LonBuilder和k台PC机的报文发送计数器一起可以给出测试用例的有效性判据。设测试过程中LonBuilder的报文统计量为N_LON，第i台PC机的报文发送计数器报文记数为N_i，则测试用例有效性判据的条件为：
　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)
4.2.2　大量信息的b项测试
　　按照“VN RN方式”进行。需要注意的是：
　　a.由于模型的限制，在HRT的测试中忽略了开关动作的机械过程。但这个时间同其他节点及设备没有耦合关系，对于具体设备是固定的和已知的。
　　b.模拟变电站故障环境时，需要在报文生成器中改变报文的属性组C；同时，需在报文发送控制器中增大报文的发送速度。

5　测试模型评价^［9］
　　数模混合模型中保留RN的目的在于对监控主站快速性的测试(以响应时间HRT为指标)，而大量用到VN则发挥了计算机的灵活性。因此，数模混合模型会聚了物理模型和数字模型的优点。
　　比较图4和图5，可以看出模拟系统同实际系统的差异在于用n k个物理节点的网络竞争模拟n m个物理节点的竞争。由于LonWorks网络协议中采用的算法为CSMA/CD，即载波监听多路访问/冲撞检测方式，因此，数模混合模型的平均速度必然大于其模拟对象(因为n k＜n m)。也就是说，监控主站在模拟系统下的吞吐量比在其对应的真实系统下的吞吐量大，模拟系统仿真的环境更为苛刻。所以测试结果是可信的。