基于等价类的电能表可靠性检测案例设计研究

梁 捷

（广西电网有限责任公司计量中心，广西 南宁 530023）

0 引言

随着智能电网信息化水平的提升，智能电能表和计量终端等电子设备在电网中广泛应用。在长时间的信息采集与数据传输中，电子设备在功能、通信、接口、软件等诸多方面存在的可靠性缺陷问题，在现场的电磁干扰或极限条件下逐渐暴露出来。据统计，电能表软件可靠性故障约占总故障率的20%，已成为影响产品质量的关键因素之一，并呈逐渐上升的趋势[1]。软件引发的故障具有批量性的特点，给现场电能表数据的采集等带来了风险。目前，南方电网公司在电能表软件可靠性评估和检测方法方面尚未有成熟的技术规范和应用，以基本电能误差、日计时误差等实验室常规性能测试为主，对软件可靠性缺乏完善的测试方案和有效的测试手段[2]。本文基于等价类理论，对电能表的可靠性检测案例设计进行研究，将等价类法和判定表驱动法用于检测案例的生成和优化。本文方法对电力设备的软件可靠性检测案例设计可提供指导思路，对可靠性检测装置的功能验证可提供验证手段。

1 电能表软件可靠性测试内容

据统计，电能表的典型故障主要包括数据边界情况、极限情况、容错性、接口故障、存储异常等[3]；常见电表软件可靠性测试方法包括边界值分析法、等价类法、极限压力测试法等[4]，部分测试项目需要用到多种测试方法。电能表可靠性测试项目根据缺陷的表现形式主要分为3 类，即一致性、极限和容错类测试，如表1 所示。

表1 电能表可靠性测试项目举例

1.1 一致性类测试

1.1.1 测试内容和方法

电能表软件一致性类可靠性测试主要包括通信规约和数据一致性的检验，目的是消除不同厂家对通信规约理解上的差别和保证电能表存储的数据与实际采集的数据一致。常用的测试方法为有效等价类法。

1.1.2 检测案例设计举例

以数据块抄读一致性测试为例，根据技术规范要求[5]，电能表单帧抄读数据项与对应数据块抄读以及实际数据应一致，通信帧格式符合通信规约要求。

1.1.3 测试方案

分别抄读电表当前电量、冻结电量以及事件记录数据块，对其通信报文格式进行一致性判断。数据块中的数据与相应单帧抄读数据以及标准表数据进行比较，进行准确性判断。测试流程见图1。

图1 数据块抄读一致性测试

1.2 容错类可靠性试验

1.2.1 测试内容

电能表容错类可靠性测试主要是测试电能表能否识别参数设置时的非法情况，常用测试方法为无效等价类法。等价类是指某个输入域的子集。在该子集中，各个输入数据对于测试时反映软件中的异常问题都是等效的，并假定测试某等价类中的代表值就等价于对这一类其他值的测试。利用有效等价类可检验程序是否实现了技术规范中所规定的功能和性能，而无效等价类用于检验软件能否经受非法数据的攻击。

1.2.2 检测案例设计举例

以结算日容错及干扰转存测试项目为例，根据技术规范要求，电能表内的结算日参数允许在1—28 日、0—23 点范围内设置。

1.2.3 测试方案

a） 正确参数测试：任意设置电表日期为1—28日、0—23 点，电表应响应正确应答帧，回抄参数与设置参数一致。

b） 月份容错、日容错、整点容错测试：例如设置13 月，电表应响应错误应答帧，且回抄参数不变。

c） 进制容错：如设置0A、0B 等十六进制数值，电表应响应错误应答帧，回抄参数不变。

结算日参数设置与容错测试流程见图2。

图2 结算日参数设置与容错测试流程

1.3 极限类测试

1.3.1 测试内容和方法

电能表极限类可靠性测试的常见形式为压力测试，即利用故障模拟、边界值分析等方法，分析电力设备技术规范要求的各功能项目中可能存在的极限状态下的异常问题，列出所有可能的异常或容易发生故障的情况，模拟出各极限状态，并模拟超过正常功能强度状态下，观察设备能否正常工作。

1.3.2 检测案例设计举例

南方电网技术规范要求电表至少能存储前12个月或前12 个（结算） 抄表周期的总电能，数据转存分界时间为每月最后一日的24 时，为验证转存的可靠性，需进行结算日极限电压及大数据处理、干扰情况下的转存测试。

1.3.3 测试方案

验证电表在极限条件下能否根据设置的结算日参数准确转存数据，主要包括以下方面，测试流程如图3 所示。

a） 电能表在转存时通过485 或载波等通信方式施加连续通信干扰，验证转存是否能正常进行。

b） 数据处理压力测试：设置定时冻结、日冻结、整点冻结与结算日转存为同一时刻，验证转存是否能正常进行。

c） 根据设定的极限条件（例如在电表正常计量的临界电压值附近，长时间对电表通信时），电表冻结数据转存是否能正常进行。

d） 在转存前停电，电表时钟跨过结算日后上电，验证转存是否能正常进行。

图3 结算日转存测试流程

2 判定表驱动法应用于案例设计优化

依照南方电网公司设备供货管理要求，电表到货后，需对其抽样进行全性能测试，目前该测试在可靠性方面的要求仅局限于基于加速老化试验的年故障率指标以及部分常用规约一致性的要求。但随着电网公司对电能表软件可靠性的重视，电能表软件的容错性、极限处理能力和抗干扰能力的指标要求逐步受到重视。电表可靠性测试的关键是所设计的检测案例是否对电表的各项功能要求均能准确判断，避免功能缺陷和判断失误的情况。同时，测试所用的案例应代表并覆盖各种合法和非法的输入数据，即有效等价类和无效等价类。本文将等价类划分法和判定表驱动法相结合实现电能表软件可靠性检测案例的设计。

基于等价类的检测案例通常用多因素析因案例设计法生成，主要过程如下：第一步，全面分析技术规范对电力设备的技术要求，提取测试要点（因素），形成等价类表；第二步，将各等价类的典型场景组合，形成检测案例；第三步，重复第二步骤直至形成的检测案例能穷举等价类集。

当研究因素较多时，该方法要求的检测案例数量或试验次数会随因素数呈指数式增长，以致无法承受。对此，引入判定表驱动法简化析因设计法生成的检测案例，其流程如图4 所示。判定表由条件桩、动作桩组成，不同条件桩和动作桩的组合对应一个检测案例，判定表驱动法的思路是通过合并相似的条件桩和动作桩来简化初始判定表，使生成的案例在保证覆盖所有等价类的基础上，尽可能减小案例集的规模，合并原则详见文献[6]。

3 案例分析

3.1 测试案例优化

以1.2 节电能表结算日容错及干扰转存测试项为例进行研究。由等价类理论和三因素析因设计法及技术要求可确定输入域等价类和初始判定表，详情见表2 和表3。

表2 中，等价类1 是指任意设置1—28 日、0—23 点，电能表能响应正确应答帧，回抄参数与设置参数一致的情况；等价类2 对应不满足该条件的情况，属于有效等价类；等价类3 属于月份、日和小时容错，例如设置13 月，电能表能响应错误应答帧，电能表回抄参数不变，属于无效等价类；等价类5 属于进制容错，如设置0A、0B等非十进制数值，电能表能响应错误应答帧，回抄参数不变的情况，属于无效等价类。

图4 判定表驱动法流程

表2 根据输入条件提取的等价类

表3 初始判定表

表3 中“Y”对应于表2 中符合该输入条件的等价类编号，“N”反之，“/”表示任意条件桩的Y 或N。按判定表驱动法合并相似条件桩和相同动作桩，将表3 简化为表4。由表4 可得能覆盖表2 所有等价类的检测案例1—4。例如，对某待测电能表样品执行检测案例的结果为：满足结算日参数正确设置时，电能表能正确应答，且结算日参数月份、日和小时异常设置时，电能表能正确应答，但结算日参数的进制异常设置时，电能表不能正确应答，则该情况符合判断表4 案例1 的条件桩，从而根据对应动作桩判定该项功能不合格。

比较表3 和表4 可知，本文方法在析因分析法生成初始案例集后，再通过判定表驱动法进行案例集简化，将8 个案例缩简为4 个，实测检测用时缩短了约45%。可在等价类尽可能全覆盖的基础上，减小检测案例数量，提高了测试效率，在包含等价类数量较多的测试过程中效果更为明显。

表4 简化后的判定表

3.2 检测装置功能验证案例

表5 为2018 年广西某单位费控电能表在到货抽检做软件可靠性测试时先后进行的3 次测试情况。为验证电能表检测装置能否准确识别出被测电表的各种输入条件，根据3.1 节的分析，以分别满足表4 中4 个案例对应的功能缺陷情况的4只南方电网规范的费控电能表作为被测样品。第一次测试时，对应3 号检测案例的待测电表本应是合格的，但装置却判为不合格，检查后发现原因为该装置未根据电能表的加密类型进行参数设置，对需要以密文方式进行参数设置的费控电能表仍采用普通非加密电能表的“明文+密码”的参数设置方式，导致参数设置失败，故对所有被测表装置均自动判断为不合格。第二次测试时，对应1 号检测案例的待测电能表本应判断为不合格，但装置却误判断为合格，检查后发现装置自动测试案例的设计存在缺陷，未按技术要求考虑输入条件3，当结算日参数设置为0A，电表回复确认时仍判为合格。第三次测试时，所有检测案例的期望输出与实际输出相符，依据等价类理论，可认为装置对该检测项目的设计满足预期的技术要求。由上述过程可见，由本文方法设计的检测案例能准确识别出被测装置检测项目设计缺陷。

表5 电能表到货抽检测试情况

3.3 电表可靠性测试情况

对13 个广西常见电表厂家的50 只电能表按表1 的项目进行可靠性测试，测试通过率约为76%，测试时发现的常见问题见表6。

由表6 可知，通过表1 的可靠性测试项目，可识别出各厂家电表中许多常规测试时易忽视的可靠性问题，如极限情况下少计量或计量不准确、停上电电量未转存、电量冻结数据丢失、需量功能设计失误、边界情况下通信异常等问题。

表6 电表软件可靠性测试情况

4 结束语

目前，南方电网的电能表技术规范对可靠性类缺陷虽然有技术要求，但未给出明确的检测方法，故存在测试覆盖率不高、测试方案设计不合理的问题。将等价类理论和判定表驱动法应用于电能表软件可靠性检测案例设计和验证中，实测案例表明，该方法可改善检测案例设计时难以全面覆盖技术要求的问题，同时优化了检测案例的规模，提高了测试效率。

电表软件可靠性测试的情况表明，广西电网常见厂家的电能表在软件容错、极限加压条件等软件可靠性方面存在的问题不可忽视。如果不能对可靠性缺陷进行有效的检测和控制，电表安装到现场后，在现场各种环境和干扰因素的长时间影响下，有可能由于可靠性缺陷而引发异常事故，给电能量的正常计量、结算带来影响。