基于IEC 61850的GOOSE报文传输一致性测试研究-技术论文-输配电设备网

基于IEC 61850的GOOSE报文传输一致性测试研究
殷志良
（上海电力公司超高压输变电公司 上海 200063）
摘　要：以实现站内智能电子设备互操作性为主要目标的IEC 61850是未来数字化变电站建设所遵循的国际通信标准，一致性测试是实现此目标的重要保障。GOOSE是IEC 61850的一个全新应用，文章从有限状态机基本理论出发，分析了GOOSE报文传输的流程，推导生成了GOOSE报文传输一致性测试序列，深入挖掘了状态机技术在报文传输一致性测试中的应用。
关键词：IEC 61850 一致性测试 有限状态机 GOOSE
近年来，随着一次设备的智能化、二次设备的网络化和通信技术的飞速发展，基于IEC 61850的数字化变电站已成为变电站自动化领域的研究热点，IEC 61850标准制定的首要目标是实现各生产厂家智能电子设备（IED）的互操作性，为此，标准的第十部分定义了兼容认证步骤，即协议的一致性测试[1]。协议一致性测试研究内容比较广泛，包括测试方法、测试集描述、测试结果分析等多个方面，其实质则是测试序列和测试数据的生成和测试执行过程。
本文从协议的形式化模型技术---有限状态机（FSM，Finite State Machine）出发，以面向通用对象的变电站事件（GOOSE）模型为例，对其报文传输流程进行了分析，深入挖掘有限状态机技术在GOOSE报文传输一致性测试中的应用，并推导生成报文传输一致性测试序列[2]。信息来源:http://tede.cn
1 FSM的基本定义
FSM是一种具有离散输入输出系统的数学模型，它以一种“事件驱动”的方式工作，由有限个稳定的状态构成，通过激励信号(内部或外部的消息)，推动状态的迁移和自动机的运转，同时，在运转的过程中，会产生一定的输出信号。FSM技术的基础是计算机科学的经典理论---“自动机理论”。自动机理论创立于1936年，最初被应用于开关电路的设计，如今在网络通讯、协议一致性测试、语法分析程序、模式识别程序和图形用户界面(GUI)测试等方面都有广泛应用。自动机理论首次被引入到变电站通讯标准IEC 61850中，表明随着电力自动化的深入发展，势必会产生电力自动化与计算机科学理论相结合的趋势[3]。
FSM包括以下几个部分：一个有限状态集，用于描述系统的不同状态；一个输入集，用于表征系统所接收的不同输入信息；一个状态转移规则集，用于表述系统在接收不同输入下从一个状态转移到另一个状态的规则。FSM的形式定义如下[4]：
FSM是一个5元组M=(Q， ， ，q0，F) ，其中：
（1）Q＝{q0，q1，…，qn}是有限状态集合，在任一确定时刻，FSM只能处于一个确定的状态qi；
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（2） ={ 0， 1，…， n}是有限输入字符集合，在任一确定的时刻，FSM只能接收一个确定的输入 j；
（3） ：Q× Q是状态转移函数，如果在某一确定时刻，FSM处于某一状态qi Q，并接收一个输入字符 j ，那么在下一时刻将处于一个确定的状态q= (qi, j) Q。这里规定q= (q, )，即对任何状态q，当读入空字符 时，FSM不发生任何状态转移；
（4）q0 Q是初始状态，有限状态机由此状态开始接收输入；
（5） 是终止状态集合，这里并不是指M一旦进入这种状态就终止了，而是指M一旦在处理完输入字符串时到达这种状态，则M就是接收当前处理的字符串，所以，终止状态又称为接受状态。
2 基于FSM的GOOSE报文传输
2.1 GOOSE报文的服务原语分析
一致性测试要求从具体实现角度可分为两类：静态一致性要求和动态一致性要求。其中，静态一致性是指必须实现的最起码的协议要求，如协议参数、变量、定时时钟的取值范围等。动态一致性要求是协议的主体，它是指每个状态下所允许的行为是否与协议规定的一致，所关心的是可观察事件如协议数据单元（PDU）或服务原语（Service Primitive）的发送/接收顺序，PDU中信息的编码及不同PDU中所含信息的关系等。服务原语和PDU概念十分重要，它们是IEC 61850一致性测试中测试仪和被测对象之间交互的主要内容。
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服务原语主要有四种类型：请求（Request），指示（Indication），响应（Response）和证实（Confirm）。一个完整的服务原语应包括三个基本组成部分，即原语名字、原语类型和原语参数。GOOSE报文传输服务引用了上述概念。以GOOSE报文传输为例，其服务原语如图1所示[1]，服务的实现步骤分析如下[5]：
（1）发布者发出GOOSE报文发送请求GOOSE.request。该请求是发布者的（N+1）实体向其（N）实体发出的，伴随request的是必要的参数，如GOOSE报文发送的目的地址和数据信息。
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（2）发布者的（N）实体准备了将GOOSE报文的PDU发送到订阅者的（N）实体，PDU具体内容分析可参考文献[5].
（3）订阅者的（N）实体向其（N+1）实体发indication服务原语，通知有一个远方请求出现，订阅者收到的GOOSE.indication中包含了报文的源地址和数据信息。
2.2 GOOSE报文的FSM流程分析
GOOSE报文传输的发送方（发布者）和接收方（订阅者）的时序控制关系均采用了FSM模型，图2是发布者FSM模型[1]。信息来源:http://www.tede.cn

图2 GOOSE服务中发布者状态机 信息来源:http://www.tede.cn
从图中可以看出，虽然发布者自动机模型十分简易，同样具有FSM的5元组：
（1）有限状态集合 包含S1-S3这3个状态，分别表示NON-EXISTEN，RETRANSMIT-PENDING和RETRANSMIT。
（2）有限输入字符集合 对应于图中状态机连接线上的1），2），3）和4）。其中1）和3）均与服务原语“请求”相关，即发布者发出GOOSE报文发送请求GOOSE.request；2）表示报文重发计时器的计时时刻到，重发GOOSE报文；4）表示当GoEna设置为FALSE，报文发送停止，返回状态S1[3]。
（3）状态转移函数 对应于状态机中的连接线。
（4）初始状态 对应于状态S1，即NON-EXISTENT。
（5）终止状态集合 图中状态S2和S3均是终止状态。
3 基于FSM的一致性测试分析
3.1 一致性测试基本理论
网络协议是计算机网络技术的核心，是各种实体之间交换信息的规范。协议测试可以保证来自不同厂家的系统能够成功的交换信息。协议测试是在软件测试的基础上发展起来的，软件测试一般分为两种：白盒测试和黑盒测试。协议测试归于黑盒测试范畴，即通过控制观察被测协议实现的外部行为对其做出评价，而不涉及到协议实现的内部结构。协议测试一般包括四种类型：一致性测试（Conformance Testing），互操作性测试（Interoperability Testing），性能测试（Performance Testing）和鲁棒性测试（Robustness Testing）[4]。一致性测试主要检测实现协议的实体或系统与协议规范的符合程度；互操作性测试是检查同种协议的不同版本或不同实体间的互通和互操作能力；上述四种类型协议测试中，一致性测试是互操作性测试和性能测试的基础。信息请登陆:输配电设备网
一致性测试主要检测实现协议的实体或系统与协议规范的符合程度，它可划归于黑盒测试范畴，即通过控制观察被测协议实现的外部行为对其做出评价，而不涉及到协议实现的内部结构。一致性测试的简要模型如图3所示，这里涉及到参考规范（Specification）、测试仪（Tester）和被测实体（IUT ---Implementation Under Test）[1]。测试仪根据规范给IUT一组测试序列（test sequence），然后观察IUT的外部行为是否符合规范的描述。
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图3 一致性测试简要模型信息来源:http://tede.cn
需要强调的是：一致性测试并不能保证被测实体完全符合协议标准，它仅说明通过选用的一组测试样本，没有检测到错误。虽然增加测试样本可能提高故障覆盖系数，但会极大的增加测试费用。因此，在一致性测试成本和故障覆盖系数之间，必须做某种折衷。
3.2 GOOSE报文的一致性测试分析
为测试某个具体的发布者功能实现是否满足一致性测试要求，必须导出具体实现（即IUT）的FSM模型（简称FSM实例），然后从以下三个方面进行测试：FSM实例是否实现了标准FSM的所有状态；对于标准FSM中所有输入，FSM实例的状态转换是否符合要求；对于标准FSM所有输入，FSM实例的状态转换后其输出是否符合要求。
测试内容可归结为测试序列和测试数据的生成和测试执行过程。其中，测试序列是对IUT进行结构测试的输入、输出事件序列，说明了IUT应该表现的逻辑行为，它只需考虑控制结构（即状态改变关系）；测试数据指每个测试序列中输入、输出事件所携带的参数和数据，如服务原语和PDU的描述等。表1是基于图2状态机流程分析，得出的GOOSE报文传输一致性测试集。信息来自:输配电设备网
表1 GOOSE报文传输一致性测试的测试集
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基于FSM模型进行一致性测试的一个不足之处：着重于控制流的描述而缺乏数据流的描述。以图2的FSM模型为例，该模型提供了GOOSE报文传输状态转移的控制成分，但是对于每个状态所具有的特征输出及状态之间的数据流动却不能提供，究其原因，这是由FSM的基本定义所决定的。针对此问题，目前已提出了扩展有限状态机EFSM（extended-FSM）模型。限于篇幅，本文对此不作探讨。
表1实例测试中，由于FSM内部状态的观测局限性，其状态的准确识别，即判断FSM目前处于何种状态，是一个难点，目前比较常用的算法有：唯一输入输出（UIO，Unique IO）序列算法和特征序列（CS）算法。
4 结语
IEC 61850制定的首要目标是实现变电站内不同厂家IED的互操作性，作为实现此目标的重要基础---一致性测试，已引起广泛重视。本文介绍分析了计算机科学理论中的有限状态机技术，并深入研究了该技术在GOOSE报文传输一致性测试中的应用。