韓曉言， 劉鵬， 呂廣憲， 杜建， 鄭毅

〔1. 國網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041；2. 配電變壓器節(jié)能技術北京市重點實驗室(中國電力科學研究院有限公司)，北京 100192〕

0 引 言

隨著國家電網(wǎng)公司在全國多個城市開展配電自動化實用化建設工作，逐步確立了信息互操作在配電網(wǎng)業(yè)務中的交通樞紐地位[1]。隨著國家能源局《配電網(wǎng)建設改造行動計劃》(2015—2020年)的出臺，明確指出“提高自動化水平，實現(xiàn)可觀可控”，對此可通過開展基于IEC 61968標準配電自動化與相關應用系統(tǒng)的信息互操作來提高配網(wǎng)數(shù)據(jù)的高效互聯(lián)與共享。

為了提高配電網(wǎng)信息互操作能力，驗證信息交互的一致性，美國電科院從2009年起召集廠商開展了基于IEC 61968-9、IEC 61968-13的一致性檢測[2]。而國內(nèi)的IEC 61968標準推廣仍處于起步階段，2014年至2015年間國家電網(wǎng)公司委托中國電科院組織國內(nèi)配電網(wǎng)信息總線產(chǎn)品的主流廠商開展了基于IEC 61968-100的功能及性能一致性測試，為配電自動化與其他系統(tǒng)間信息交互提供了標準化鑒定能力及優(yōu)化思路。

云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)等技術日趨成熟，基于云計算的配網(wǎng)信息總線軟件產(chǎn)品(以下簡稱“云總線”)也正處于研發(fā)階段，即將問世。為應對新一代產(chǎn)品檢測，本文采用Docker容器，結合分布式協(xié)同技術開展面向IEC 61968標準的信息互操作一致性測試，滿足被測對象(云總線)與測試節(jié)點的橫向擴展，使二者可以添加任意數(shù)量到檢測平臺，以實現(xiàn)“發(fā)布/訂閱”、“請求/響應”兩種基本交互方式與大數(shù)據(jù)量并發(fā)傳輸情況下的測試要求，解決了無法靈活探知被測對象性能上限的問題，有效提升了測試結點的資源利用率，為基于配電網(wǎng)信息互操作一致性測試提供穩(wěn)定、經(jīng)濟和高效的解決方案。

1 基于IEC61968的配電網(wǎng)信息互操作

在配電網(wǎng)領域，為了打通業(yè)務系統(tǒng)間的信息孤島，IEC TC57的第13、14工作組制定了61970/61968標準[3]。通過建立標準化的公共信息模型與非標準化的信息互操作體系，保護已投運系統(tǒng)的有效價值，減少新建系統(tǒng)的時間和經(jīng)濟成本。隨后，我國配電網(wǎng)的建設也開始逐步引入該標準，等同采用形成了行業(yè)標準DL/T 890/1080。

配網(wǎng)信息互操作測試的主要內(nèi)容包括公共信息模型、信息交互兩部分。其中，信息交互測試依據(jù)IEC 61968-100—2013《電氣設施應用集成.配電管理系統(tǒng)接口.第100部分：安裝啟用配置文件》標準進行，而公共信息模型測試則依據(jù)IEC 61970-301—2011《能量管理系統(tǒng)應用程序接口(EMS-API).第301部分：通用信息模型(CIM)基礎》標準的定義開展語義、語法等方面的XML模式校驗。

1.1 IEC 61968標準的信息交互

2013年7月，IEC正式發(fā)布了61968標準第100部分，提出了配電網(wǎng)信息交互的概要設計，闡述了“發(fā)布/訂閱”、“請求/應答”的基本消息傳輸模式，指定了通過信息交換總線的方式，采用WS(Web Service)與JMS(Java Message Service)兩種規(guī)范來實現(xiàn)配電網(wǎng)的信息交互業(yè)務。其中，基于智能代理與消息內(nèi)容的路由方案如圖1所示。

圖1 采用WS與JMS實現(xiàn)的信息交互模式

基本思路為：WS與JMS客戶端可向信息交互中間件發(fā)送請求消息，經(jīng)過主題隊列、消息路由后發(fā)送到消息服務中心處理該請求，并根據(jù)處理結果產(chǎn)生相應的事件消息廣播至消息訂閱方[4]。

1.2 主流的信息互操作測試技術

由于配電網(wǎng)應用系統(tǒng)仍以傳統(tǒng)的單機或集群形式的部署形式為主，目前相關的信息互操作及其一致性測試也在該平臺上構建。圖2為中國電力科學研究院的配電網(wǎng)信息互操作測試平臺架構，用于驗證IEC 61968標準接口[5]、信息交互功能、傳輸效率及并發(fā)效率，包括生產(chǎn)控制大區(qū)與信息管理大區(qū)之間的跨區(qū)交互。

在測試過程中:首先需要根據(jù)實際場景編排業(yè)務消息流程，以滿足現(xiàn)場需要；其次是對各個主機系統(tǒng)進行時鐘同步，精確到毫秒級，以確保所有性能數(shù)據(jù)的準確性。

圖2 配電網(wǎng)信息互操作測試架構

結合國內(nèi)配網(wǎng)信息互操作實際情況，該平臺僅實現(xiàn)WS規(guī)范的接口標準化檢測，測試系統(tǒng)通過指定數(shù)量的應用適配器向被測對象發(fā)送IEC61968消息，將結果統(tǒng)一匯總至測試中心，根據(jù)業(yè)務場景和測試數(shù)據(jù)驗證交互過程是否滿足標準的要求，最后生成測試報告[6]。

2 面向SaaS的配網(wǎng)互操作分布式云檢測方法

作為一種輕量級的虛擬化方式，通過Docker容器技術打包IEC61968互操作測試程序，并借助Kubernetes(以下簡稱K8S)的集群管理能力構建動態(tài)伸縮的統(tǒng)一測試平臺，可對外提供面向服務的標準化測試接口，同時滿足SaaS的基本特性。

2.1 基于Docker容器的測試體系

容器技術類似于一個簡易型沙箱，Docker利用容器運行時對應用隔離的特點，簡化傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)的冗余資源損耗，在相同硬件配置條件下提升了測試系統(tǒng)的執(zhí)行效率。本文利用Docker容器設計了一整套基于IEC61968標準的配電網(wǎng)信息互操作測試架構，如圖3所示。

圖3 基于Docker容器的IEC61968標準檢測架構

基于Docker的IEC61968標準檢測云構建了分布式的配電網(wǎng)信息互操作平臺，通過K8S對Docker集群進行管理和維護，實現(xiàn)彈性的分布式應用的協(xié)同訪問與數(shù)據(jù)存儲，根據(jù)具體測試場景自動伸縮容器數(shù)量。其中，每臺服務器部署1套Docker引擎，通過制作測試程序鏡像，可創(chuàng)建、移除各應用容器。

并發(fā)能力作為衡量配電信息總線性能的重要指標，是本方案設計的重點。通過動態(tài)擴展與降低測試程序的樣本數(shù)據(jù)發(fā)送量，可較為精確地掌握被測總線最大并發(fā)性能指標。

2.2 制定彈性伸縮策略

根據(jù)測試具體場景與要求，容器云采用彈性伸縮策略動態(tài)擴展容器數(shù)量，開展面向IEC61968標準的信息交互測試。按照測試系統(tǒng)資源來制訂伸縮策略，主要針對測試集群的CPU與內(nèi)存使用率。

2.2.1確定閾值

首先，作為彈性伸縮策略的基礎，需要明確發(fā)生彈性的條件。本文使用常規(guī)策略，如表1所示。當測試集群的平均CPU 或內(nèi)存使用率超過80%時啟動彈性擴展機制。其次是制訂彈性尺度，即步幅，考慮到測試程序資源損耗的因素，CPU 每次擴展或收縮5個容器，內(nèi)存每次擴展或收縮3個容器。

表1 IEC 61968檢測云伸縮策略

2.2.2指標監(jiān)控

通過操作系統(tǒng)本身的API很容易獲得系統(tǒng)資源(含CPU、內(nèi)存、磁盤與網(wǎng)絡等)的使用率，例如Linux系統(tǒng)中的top命令。將該命令形成shell腳本供檢測平臺調(diào)用即可實現(xiàn)指標監(jiān)控，并按照測試需求實現(xiàn)超出閾值時的處理。

2.3 信息交互測試

根據(jù)IEC 6968標準第100部分，被測對象的信息交互能力應滿足“發(fā)布/訂閱”、“請求/應答”兩種消息傳輸模式[7]。通過測試樣本數(shù)據(jù)的發(fā)送判定返回結果是否與測試場景相符。

2.3.1交互場景編排

在開展測試之前，需要先編排交互場景，作為結果正確性的判定依據(jù)。表2結合配網(wǎng)實際需求提供了簡化的交互場景,其中:編號1為“請求/應答”類型，由動詞與名詞可知，Adapter0向總線請求查詢資產(chǎn)信息，Adapter2負責將查詢結果返回給Adapter0；編號3為“發(fā)布/訂閱”類型，由動詞與名詞可知，總線負責將Adapter0廣播的停電通知消息分別送達Adapter1和Adapter2。

表2 基于IEC61968標準的應用系統(tǒng)交互場景

2.3.2交互測試

按照交互測試規(guī)則，Adapter0、Adapter1和Adapter2將作為測試系統(tǒng)的組成部分負責向被測總線發(fā)送測試樣本數(shù)據(jù)，并接收從總線轉發(fā)來的消息。例如，對于編號為1的“請求/應答”消息，應判斷Adapter0收到應答消息與Adapter2提供的應答消息作對比來判斷總線交互的正確性，并符合動詞使用規(guī)則；對于編號為3的“發(fā)布/訂閱”消息，應判斷Adapter1、Adapter2收到的消息與Adapter0發(fā)送的消息是否一致。

2.3.3性能測試

配網(wǎng)信息總線的性能主要體現(xiàn)在交互效率與并發(fā)效率兩方面。交互效率是總線傳輸單個完整消息的耗時，并發(fā)效率是總線批量和并行傳輸消息的總耗時。

交互效率測試過程中，測試程序根據(jù)預編排的場景向總線發(fā)送樣本消息，通過記錄發(fā)送消息時間與接收響應時間計算出整個交互過程的時延，從而得到效率測試結果。

并發(fā)測試過程中，測試程序首先按照預定義的并發(fā)消息數(shù)量向總線發(fā)送樣本消息，若每個容器中的測試程序單次并發(fā)量為20，檢測云初始創(chuàng)建的容器數(shù)量為5，則本次測試總體并發(fā)量為100。如果測試結果顯示符合100并發(fā)未丟包，檢測云將自動擴展容器數(shù)量為7，則當前并發(fā)量為140，執(zhí)行新一輪測試。如果結果仍未丟包,則繼續(xù)擴展容器數(shù)量直到測試結果發(fā)生丟包現(xiàn)象，此時記錄上一次符合的結果即為總線的并發(fā)性能結果。倘若測試一開始即發(fā)生丟包現(xiàn)象，檢測云將自動收縮容器數(shù)量為4，則當前并發(fā)量為160，執(zhí)行新一輪測試。如果未丟包則總線的并發(fā)能力即為160。如果仍發(fā)生丟包則繼續(xù)收縮容器數(shù)量直到測試結果不發(fā)生丟包現(xiàn)象為止，記錄上一次符合的結果即為總線的并發(fā)性能結果。

3 結束語

基于IEC 61968標準的信息互操作借助配電自動化系統(tǒng)的建設已廣泛使用。作為配網(wǎng)信息交互的主要載體，總線的實施直接影響著配網(wǎng)應用系統(tǒng)之間的互操作性。

國內(nèi)主流廠商的傳統(tǒng)總線標準化檢測自2014年起已陸續(xù)開展，但在進行并發(fā)測試時很難取得準確結果。隨著云計算、大數(shù)據(jù)等新技術在配網(wǎng)的深入應用，未來的總線也將基于云平臺。本文提出的方法:一是為了解決云計算平臺的測試技術，二是便于快速開展配網(wǎng)信息交互的并發(fā)測試。下一步將主要面向IEC61968標準的信息互操作測試云平臺提供技術實現(xiàn)。