智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能測試研究與應(yīng)用

楊建明，朱 玉，李詣烽，王冠南，金 敏

（1.南昌科晨電力試驗研究有限公司，江西南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司新余分公司，江西新余 338000）

0 引言

智能變電站的典型結(jié)構(gòu)是遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的“三層兩網(wǎng)”通信體系，三層為站控層、間隔層、過程層；兩網(wǎng)為站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)[1]。其中由過程層網(wǎng)絡(luò)負責(zé)傳輸智能開關(guān)相關(guān)的狀態(tài)量、控制量以及電子式互感器采集的模擬量，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)面向通用對象的變電站事件（GOOSE）報文、采集值（SV）報文、網(wǎng)絡(luò)對時報文（IEC 61588）在保護、測控、計量和故障錄播等智能電子設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通信。站控層網(wǎng)絡(luò)主要傳輸IEC 61850服務(wù)映射的MMS報文、網(wǎng)絡(luò)對時報文。

過程層網(wǎng)絡(luò)的功能和性能相關(guān)的設(shè)備主要包括[2]：過程層交換機、電子式互感器、合并單元、智能終端、數(shù)字化保護測控裝置、故障錄播和網(wǎng)絡(luò)分析裝置等。過程層網(wǎng)絡(luò)的運行情況關(guān)系到繼電保護裝置能否正確動作，進而影響整個電網(wǎng)的運行安全，其并非單純的SV網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)，而有可能是二者的混合網(wǎng)絡(luò)，因此評估網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理性，分析報文在正常和異常網(wǎng)絡(luò)的情況下其傳輸速率是否超過交換機的承載能力，以及及時發(fā)現(xiàn)并處理網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，對變電站的正常運行十分重要。

站控層網(wǎng)絡(luò)的功能和性能相關(guān)的設(shè)備主要包括[2]：后臺監(jiān)控電腦（監(jiān)控軟件）、五防系統(tǒng)、與調(diào)度端和變電站端通信的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等。站控層網(wǎng)絡(luò)主要的通信報文有MMS（制造報文規(guī)范）、GOOSE、ARP（地址解析協(xié)議）等。通信方式覆蓋了單播、組播、廣播3種通信方式。

為了保證變電站網(wǎng)絡(luò)的各項性能指標(biāo)和可靠性滿足國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和用戶的要求，保證變電站正常穩(wěn)定的運行，電網(wǎng)的安全運行，需要對其進行全面的測試。

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能變電站的智能電子設(shè)備使用各種報文進行通信，合并單元發(fā)出的SV報文傳輸各種電壓電流瞬時采用值，智能終端發(fā)出的GOOSE報文傳輸開關(guān)刀閘的開入信息，保護發(fā)出的GOOSE報文傳輸保護跳閘、重合閘和聯(lián)閉鎖信息，測控發(fā)出的GOOSE報文傳輸開關(guān)刀閘的控制信號等控制信息，所以智能電子設(shè)備還均發(fā)送包含自檢狀態(tài)及告警信息的GOOSE報文。

根據(jù)目前相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，保護使用的采樣信號以及發(fā)出的跳閘令均采樣直接連接的方式進行傳輸，不形成網(wǎng)絡(luò)。而智能終端發(fā)給測控的開關(guān)刀閘位置信息、告警開入以及測控發(fā)送的開關(guān)刀閘控制信息均以組網(wǎng)的形式傳輸，形成站內(nèi)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)。同時，合并單元發(fā)送給測控、故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀以及電能表等智能電子設(shè)備的SV報文也可以采用組網(wǎng)的形式傳輸，形成站內(nèi)的SV網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱笪慕?jīng)過交換機，因此受到交換機吞吐量以及傳輸時延的影響。目前的智能變電站中普遍采用100 Mb/s的工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

2 智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能測試內(nèi)容及原則

首先分別進行單裝置測試和規(guī)約一致性測試，在基本功能和性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，再進行智能變電站系統(tǒng)級的整體測試，重點進行智能變電站網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備之間的相互配合和相互影響測試，以及智能變電站網(wǎng)絡(luò)的性能和可靠性測試。

在對智能變電站網(wǎng)絡(luò)進行測試時，需要對典型智能變電站的網(wǎng)絡(luò)流量包括正常流量和最大流量（如在變電站雪崩試驗情況下產(chǎn)生的流量）進行理論分析，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量，進行網(wǎng)絡(luò)傳輸延時分析、業(yè)務(wù)限速及廣播抑制應(yīng)用分析、母差保護動作延時分析、變電站雪崩時交換機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分析等。

在網(wǎng)絡(luò)研發(fā)、建設(shè)或管理過程中，OSI參考模型為認識、分析和解決計算機網(wǎng)絡(luò)問題提供了很好的思維方法與指導(dǎo)，網(wǎng)絡(luò)測試也不例外，也應(yīng)該強調(diào)從網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，按照網(wǎng)絡(luò)分層的思想，參照OSI及TCP/IP分層模型，自下而上的進行。由于底層的基礎(chǔ)性作用，網(wǎng)絡(luò)測試應(yīng)首先從物理層開始。并根據(jù)軟件測試的思想，先正常測試，后異常測試。

3 影響智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能的因素

3.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸時延

產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時延的主要原因[2]：

1）交換機固有時延：《智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機技術(shù)規(guī)范》中要求傳輸各種幀長數(shù)據(jù)時，交換機固有時延小于10 us。

2）存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延：報文越長，存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延就越長。

3）報文在交換機中排隊造成的時延：網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量大，交換機層數(shù)多，都會造成報文傳輸時排隊，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸時延抖動大。

4）鏈入傳輸時延：智能變電站中使用的均是多模光纖，傳輸距離不超過2 km，故鏈入傳輸時延最大為9.95 us。

5）交換機層數(shù)：交換機層數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)傳輸時延越長，在網(wǎng)絡(luò)負載較低的情況下，若交換機層數(shù)為N，則網(wǎng)絡(luò)傳輸時延=N層×（存儲轉(zhuǎn)發(fā)時延+交換機固有時延）。

3.2網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴

網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴指由于網(wǎng)絡(luò)拓撲的設(shè)計和連接問題，或其他原因?qū)е聫V播在網(wǎng)段內(nèi)大量復(fù)制，傳播數(shù)據(jù)幀，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的主要原因有[3-4]：

1）交換機異常。交換機作為網(wǎng)絡(luò)核心交換設(shè)備，如果自身的報文轉(zhuǎn)發(fā)機制異常，如VLAN機制失效，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

2）組網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)卡異常。組網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)卡發(fā)生異常，可能導(dǎo)致報文大量發(fā)送，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

3）網(wǎng)絡(luò)環(huán)路。這是智能變電站網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴產(chǎn)生的一個重要原因。一旦發(fā)送網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，對于站控層網(wǎng)絡(luò)，廣播報文（如：ARP請求報文）會形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴；此外，由于目前站控層網(wǎng)絡(luò)一般沒有采取VLAN或GMRP等機制對GOOSE報文隔離，GOOSE報文組播域為站控層全網(wǎng)，GOOSE報文也會形成風(fēng)暴；對于過程層網(wǎng)絡(luò)，一般采用網(wǎng)絡(luò)隔離措施，如劃分靜態(tài)VLAN或采用GMRP組播過濾技術(shù)。以VLAN為例，如果產(chǎn)生環(huán)路且環(huán)路的兩個端口屬于同一VLAN，則交換機會不停轉(zhuǎn)發(fā)該VLAN內(nèi)數(shù)據(jù)，直至占滿帶寬或交換機CPU資源耗盡。

4 智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能測試

4.1 交換機單體測試

測試拓撲圖見圖1。

圖1 測試拓撲圖

測試方法：單臺交換機，測試幀長分別為64 Bytes、128 Bytes、256 Bytes、512 Bytes、1024 Bytes、1280 Bytes、1518 Bytes，采用單邊雙端口組播IP方式，測試時間為30 s。

實測結(jié)果：測試數(shù)據(jù)看表1-3和圖2-4。接收端口將按其最大轉(zhuǎn)發(fā)容量接收端口施加的過載測試流，直至丟幀率為零，符合預(yù)期結(jié)果[5-6]。

表1 吞吐量

圖2 吞吐量測試值及理論最大吞吐量值比較圖

表2 時延

圖3 時延測試分析圖

表3 抖動

圖4 抖動測試分析圖

4.2 SV+GOOSE共網(wǎng)組網(wǎng)級聯(lián)測試

測試拓撲圖見圖5。

圖5 測試拓撲圖

測試方法：級聯(lián)兩臺交換機，測試幀長分別為64 Bytes、128 Bytes、256 Bytes、512 Bytes、1024 Bytes、1280 Bytes和1518 Bytes，采用單邊雙端口組播方式，測試時間為30 s。

實測結(jié)果：測試數(shù)據(jù)看表4至表6，圖6至圖8。接收端口將按其最大轉(zhuǎn)發(fā)容量接收端口施加的過載測試流，直至丟幀率為零，符合預(yù)期結(jié)果[5-6]。

表4 吞吐量

圖6 吞吐量測試值及理論最大吞吐量值比較圖

圖注同圖2

表5時延

圖7 時延測試分析圖

表6 抖動

圖8 抖動測試分析圖

4.3VLAN功能測試

測試拓撲圖見圖9。

圖9 測試拓撲圖

測試方法：針對一臺交換機，測試采用組播方式，由Port4輸入攜帶不同Vlan ID為X、Y、Z的三條GOOSE報文測試流，幀長取1518bytes，測試時間為10s。依次測試 Vlan101~Vlan112，如（X，Y，Z）=（101，102，103）等，其余Vlan依次類推。Port1、Port2和Port3分別屬于Vlan X、Vlan Y和Vlan Z。

實測結(jié)果：測試數(shù)據(jù)看表7及表8。測試流只能在同屬一個Vlan的端口內(nèi)傳輸，其余端口無法收到相應(yīng)測試流[5-6]。

測試范圍：現(xiàn)場A、B網(wǎng)過程層中心交換機（含Vlan101，102，103，104，105，106，107，108，109，110，111，112）。

表7 VLAN測試數(shù)據(jù)收發(fā)表

表8 VLAN測試數(shù)據(jù)收發(fā)表

1）Vlan101、Vlan102、Vlan103——測試流VID為101

4.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全校核

測試目的：模擬保護GOOSE、SV在網(wǎng)絡(luò)傳輸中產(chǎn)生誤碼時，驗證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對于錯誤幀過濾的處理方式。測試拓撲圖如圖9。

測試方法：過程層一臺交換機，測試幀長取128 bytes，測試時間為10 s，Port1按1000 fps加載組播流，觀察其余端口流情況；測試包含正確幀、超小幀、超大幀、CRC錯的數(shù)據(jù)包。本方案適用于全站所有過程層交換機。

實測結(jié)果：測試數(shù)據(jù)看表9至表12。交換機過濾出錯誤的幀而不是繼續(xù)傳播錯誤幀到目標(biāo)地址；在傳播正確幀時Port2-Port4收到正確報文；在傳播錯誤幀時Port2-Port4無法收到報文，符合預(yù)期結(jié)果[5-7]。

表9 正確幀收發(fā)數(shù)據(jù)表

表10 超小幀收發(fā)數(shù)據(jù)表

表11 超大幀收發(fā)數(shù)據(jù)表

表12 CRC錯幀收發(fā)數(shù)據(jù)表

4.5 整組傳動測試（風(fēng)暴）

測試目的：模擬GOOSE網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生大量風(fēng)暴報文時，保護信號及相關(guān)重要開入開出量在網(wǎng)絡(luò)傳輸中能及時準(zhǔn)確到達。測試拓撲圖見圖10。

圖10 測試拓撲圖

測試方法：從中心交換機Port1端口輸入100 Mbps風(fēng)暴流，測試幀長取128 Bytes，測試時間為60 s；同時由線路/主變保護裝置開出“啟動失靈”信號，觀察母線保護裝置上的“啟動失靈”收信情況。本方法適用于220kV葛樟線、吉樟線、樟眾線、1號主變，110 kV母聯(lián)、樟福線、樟金線、樟灘線、吉山I、II線、樟螺I、II線、1號主變間隔。

實測結(jié)果：如表13所示，100 Mbps風(fēng)暴流量下，“啟動失靈”信號正常傳達，滿足預(yù)期結(jié)果[7]。

表13 風(fēng)暴測試結(jié)果表

5 結(jié)語

本文結(jié)合實際變電站網(wǎng)絡(luò)，通過對影響智能變電站網(wǎng)絡(luò)性能的因素的分析，有針對性的對網(wǎng)絡(luò)性能進行測試，并且可根據(jù)實際需要進行網(wǎng)絡(luò)在正常和異常工況下的性能測試。通過對測試結(jié)果進行分析，三網(wǎng)合一模式下網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)及可靠性均能滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)及用戶的需求，為智能變電站可靠穩(wěn)定的運行提供了重要依據(jù)，也可為后續(xù)該類測試提供借鑒。