李大勇1，房亞囡1，王  洋1，楊  暢1，蔡  飛2，楊經(jīng)超3

　　(1.國網(wǎng)天津市電力公司，天津300010；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)），湖北 武漢430074；

　　3.武漢凱默電氣有限公司，湖北 武漢430000)

　　摘  要： 目前智能變電站中智能電子設(shè)備（IED）的網(wǎng)絡(luò)測試缺乏充分的測試依據(jù)與有效的測試方法。本文對IED設(shè)備網(wǎng)絡(luò)壓力的產(chǎn)生機(jī)理展開分析，根據(jù)不同IED設(shè)備的功能特點(diǎn)提出了針對性的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，探討了網(wǎng)絡(luò)壓力測試的基本原則與方法，并研發(fā)了一款能夠?qū)ED設(shè)備網(wǎng)絡(luò)性能各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試的網(wǎng)絡(luò)測試儀，對智能變電站網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及壓力測試提供了指導(dǎo)性作用。

　　關(guān)鍵詞： 智能變電站；網(wǎng)絡(luò)壓力測試；訂閱報(bào)文

0 引言

　　智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)由站控層、間隔層、過程層三部分組成[1]，如圖1所示。三層之間采用分層、分區(qū)的開放式網(wǎng)絡(luò)連接，取消了曾在傳統(tǒng)變電站設(shè)備之間被大量使用的二次電纜。其中，智能開關(guān)的狀態(tài)量、控制量以及電子式互感器采集的模擬量由過程層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸。然后通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)變電站事件報(bào)文、采樣值報(bào)文以及網(wǎng)絡(luò)對時(shí)報(bào)文在保護(hù)、測控、計(jì)量及故障錄波等智能電子設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通信。與過程層網(wǎng)絡(luò)功能和性能相關(guān)的設(shè)備主要包括：交換機(jī)、合并單元、智能終端、數(shù)字化保護(hù)測控裝置、故障錄波和網(wǎng)路報(bào)文記錄裝置，本文中簡稱為智能電子設(shè)備（IED）。

　　網(wǎng)絡(luò)平臺的引入使IED設(shè)備高度依賴網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的穩(wěn)定傳輸，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，可能使IED設(shè)備的某些功能喪失，保護(hù)裝置不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至連鎖引發(fā)電力安全事故[2]。為了保證IED設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求，需要對IED設(shè)備進(jìn)行全面的網(wǎng)絡(luò)壓力測試。

　　目前國網(wǎng)大部分智能變電站主要采用“直采直跳”的模式，即智能變電站繼電保護(hù)遵循直接采樣、直接跳閘的原則[3]。但即使在“直采直跳”的模式下，SV網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)依然存在，MU、保護(hù)裝置及智能終端依然與SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)相連，如圖1所示，跨間隔的信息傳輸與共享仍然通過SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。若SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，仍會(huì)對IED設(shè)備的組網(wǎng)造成較大網(wǎng)絡(luò)壓力，可能會(huì)影響其正常工作。因此，即使在“直采直跳”的模式下，仍需對IED設(shè)備進(jìn)行全面的網(wǎng)絡(luò)壓力測試與性能評價(jià)。

　　隨著智能變電站的發(fā)展，新一代智能變電站試點(diǎn)及推廣及站域保護(hù)的引入，“網(wǎng)采網(wǎng)跳”和“三網(wǎng)合一”模式將更多地被采用，對IED設(shè)備網(wǎng)絡(luò)可靠性及其耐壓能力的要求將更高。

　　目前智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)測試多是圍繞著交換機(jī)進(jìn)行，而較少涉及對智能電子設(shè)備（IED）的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)性能測試。本文詳細(xì)分析了智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)壓力產(chǎn)生的機(jī)理，以此為基礎(chǔ)提出了IED設(shè)備應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)壓力應(yīng)具備的性能要求。結(jié)合所分析的網(wǎng)絡(luò)壓力產(chǎn)生原因，介紹了網(wǎng)絡(luò)壓力測試的基本原則，并給出一種可實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)測試方式，為實(shí)際工程應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)壓力測試提供依據(jù)。

1 網(wǎng)絡(luò)壓力產(chǎn)生的機(jī)理

　　網(wǎng)絡(luò)壓力產(chǎn)生機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面：

　　（1）IED設(shè)備故障，向網(wǎng)絡(luò)重復(fù)發(fā)送報(bào)文

　　如前所述，對于一個(gè)500 kV智能變電站，接入過程層SV網(wǎng)或GOOSE網(wǎng)的IED設(shè)備數(shù)量龐大。若其中的一個(gè)或幾個(gè)IED設(shè)備出現(xiàn)故障，該IED設(shè)備可能會(huì)向網(wǎng)絡(luò)重復(fù)發(fā)送大流量的報(bào)文，且這些報(bào)文類型并不可測，可能為訂閱報(bào)文，也可能為非訂閱報(bào)文。由于其不可預(yù)測性，需考慮GOOSE報(bào)文的ST值、SQ值可能同時(shí)發(fā)生變化，此時(shí)IED對訂閱報(bào)文的解析需精確到變位的通道層次，因而IED設(shè)備對內(nèi)部CPU及內(nèi)存資源的消耗最為嚴(yán)重。

　　（2）GOOSE心跳報(bào)文自然同步

　　在智能變電建設(shè)中，GOOSE網(wǎng)作為間隔層之間及間隔層與過程層之間通信的橋梁，其功能主要包括：傳遞遙信信息、間隔閉鎖信息、保護(hù)跳閘以及遙控操作信息等[4]。對于一個(gè)500 kV智能變電站，網(wǎng)絡(luò)中GOOSE控制塊數(shù)目可達(dá)到300~400個(gè)[5]。每個(gè)控制塊都是按照各自的時(shí)間基準(zhǔn)并以T0(通常設(shè)為5 s)為時(shí)間間隔發(fā)送心跳報(bào)文，目前現(xiàn)場從運(yùn)行維護(hù)角度出發(fā)傾向于GOOSE網(wǎng)絡(luò)不作VLAN劃分，網(wǎng)絡(luò)中對于非訂閱報(bào)文存在著一定數(shù)量的GOOSE控制塊心跳報(bào)文自然同步的可能性，即在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)按T0時(shí)間間隔同步發(fā)送GOOSE報(bào)文，在很短的t時(shí)間內(nèi)形成大量的GOOSE報(bào)文流量，網(wǎng)絡(luò)壓力陡增。對于訂閱報(bào)文，目前單端口工程配置控制塊數(shù)最多可達(dá)到15個(gè)，考慮最嚴(yán)峻的情況，最多會(huì)出現(xiàn)15個(gè)GOOSE控制塊心跳報(bào)文自然同步。

　　（3）交換機(jī)“泛洪”

　　正常情況下交換機(jī)可以“學(xué)習(xí)”MAC地址，并把其存放在內(nèi)部地址表中，通過在報(bào)文的始發(fā)者和目標(biāo)接收者之間建立臨時(shí)的交換路徑，使報(bào)文直接由源地址到達(dá)目的地址。但是，如果配置錯(cuò)誤，則報(bào)文始發(fā)者會(huì)向從未學(xué)習(xí)過的交換機(jī)端口發(fā)送報(bào)文，從而導(dǎo)致交換機(jī)泛洪，即將該端口收到的數(shù)據(jù)流從除該接口之外其他的端口發(fā)送出去，最終在交換機(jī)的其他端口產(chǎn)生流量壓力。

　　（4）A、B網(wǎng)物理隔離破壞

　　目前智能變電站主要配置兩套SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)，稱為A、B網(wǎng)，要求A、B網(wǎng)完全物理隔離，配置不同的CT、PT以及合并單元、保護(hù)裝置等。若A、B網(wǎng)之間跨接了沒有完全物理隔離的IED設(shè)備，或原隔離的物理設(shè)備損壞引起隔離被破壞，則會(huì)導(dǎo)致A、B網(wǎng)報(bào)文會(huì)互通，網(wǎng)絡(luò)流量增加。

　　（5）開關(guān)量抖動(dòng)

　　接入智能終端的硬接點(diǎn)開入量頻繁抖動(dòng)，使GOOSE報(bào)文中ST值頻繁變化，導(dǎo)致報(bào)文雪崩，造成網(wǎng)絡(luò)流量急劇上升。

　　（6）網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)路

　　由于外在的因素，使原來星形運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)形成環(huán)路，報(bào)文會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中被重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量重復(fù)報(bào)文，增加網(wǎng)絡(luò)流量。

　　（7）交換機(jī)異常

　　交換機(jī)VLAN配置運(yùn)行過程中出現(xiàn)混亂，導(dǎo)致報(bào)文跨WLAN傳輸；亦或交換機(jī)自身向外發(fā)送以太網(wǎng)報(bào)文，均會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)流量的增加。

　　（8）檢修時(shí)人為誤操作

　　對于按間隔進(jìn)行VLAN劃分的交換機(jī)，在檢修時(shí)測試儀或筆記本電腦接至過程層網(wǎng)絡(luò)，因測試儀或筆記本電腦發(fā)送的報(bào)文VLAN配置錯(cuò)誤，向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送大量SV、GOOSE VLAN配置不正確的報(bào)文，形成非檢修間隔的網(wǎng)絡(luò)壓力。這種壓力報(bào)文可能是訂閱的或非訂閱的，對于GOOSE來說可能ST、SQ同時(shí)變化。

　　（9）自然災(zāi)害

　　臺風(fēng)、地震、冰災(zāi)等自然災(zāi)害引起大面積電力故障，保護(hù)頻繁跳閘，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量GOOSE報(bào)文，網(wǎng)絡(luò)壓力驟增。

2 IED設(shè)備網(wǎng)絡(luò)壓力測試基本原則

　　首先對IED設(shè)備進(jìn)行單裝置測試，再進(jìn)行IED設(shè)備整體網(wǎng)絡(luò)性能測試。單裝置測試，可直接對端口施加網(wǎng)絡(luò)壓力，不需要網(wǎng)絡(luò)支撐。整體網(wǎng)絡(luò)性能測試，在網(wǎng)絡(luò)組建完成后進(jìn)行，可比較完整地測試壓力流量下跨間隔信息傳遞的正確性。

　　其次，在對IED設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)壓力測試時(shí)，應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與底層的基礎(chǔ)性作用，并且網(wǎng)絡(luò)壓力測試應(yīng)自下而上進(jìn)行，包括過程層網(wǎng)絡(luò)測試與站控層網(wǎng)絡(luò)測試。

　　此外，在對IED設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試時(shí)，需對IED設(shè)備分別進(jìn)行非訂閱報(bào)文網(wǎng)絡(luò)壓力測試和訂閱報(bào)文網(wǎng)絡(luò)壓力測試。訂閱報(bào)文，即APPID、MAC地址與接收IED模型一致的報(bào)文，若有一個(gè)不一致，即為非訂閱報(bào)文。對于非訂閱報(bào)文， IED設(shè)備會(huì)對非訂閱報(bào)文利用哈希算法進(jìn)行過濾[6]，其原理如下：每個(gè)報(bào)文均含有長度為6 B的MAC地址，哈希算法利用這6 B的MAC地址進(jìn)行計(jì)算，得出32位的CRC值，與特征值進(jìn)行比較，若不匹配，則將其過濾。由于計(jì)算得出的CRC值是32位數(shù)據(jù)，而長度為6 B的MAC地址值是48位數(shù)據(jù)，而32位數(shù)據(jù)無法一一映射所有48位數(shù)據(jù)，因此不同的MAC地址值將會(huì)對應(yīng)至相同的CRC值，兩者之間的映射關(guān)系并非一一對應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一定的重復(fù)，由此產(chǎn)生過濾“漏洞”[6-8]，因此仍需進(jìn)行非訂閱報(bào)文網(wǎng)絡(luò)壓力測試。

　　3 IED設(shè)備網(wǎng)絡(luò)壓力測試通用要求

　　建立IED設(shè)備通用網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示，該IED是一個(gè)通用的IED，并不一定是實(shí)際工程中的IED，其通信接口包含了各種可能的方式。通用模型中端口分為A、B兩組，A組與B組端口為級聯(lián)關(guān)系，如母線電壓經(jīng)線路合并單元級聯(lián)輸出，GOOSE分為單端口單鏈路（一根光纖中傳輸一個(gè)GOOSE控制塊）與單端口多鏈路（一根光纖中傳輸多個(gè)GOOSE控制塊）兩類，端口B1為單向發(fā)送SV的端口，如合并單元的“直采”輸出口；端口B2為單向接收SV端口，如保護(hù)裝置的“直采”接收口；端口B3為接至交換機(jī)的SV端口；端口B6為SV、GOOSE共光纖共網(wǎng)傳輸端口。

　　對通用IED設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)壓力性能提如下要求：

　　（1）輸入通道上產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)壓力不能影響到IED的輸出通道，即A組端口上的壓力，不能影響到B組端口。例如，端口A1的訂閱報(bào)文及非訂閱報(bào)文壓力不能影響到端口B1的采樣值報(bào)文輸出，即直采輸出口不能有丟幀、錯(cuò)序，時(shí)間均勻性及采樣精度要滿足要求。

　　（2）任何端口都不應(yīng)該受非訂閱報(bào)文網(wǎng)絡(luò)流量異常的影響。即使依據(jù)哈希算法報(bào)文會(huì)漏過過濾，亦不能對IED運(yùn)行造成影響。

　　（3）任何鏈路訂閱報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)流量異常都不能影響其他端口鏈路的正常工作。

　　（4）對于多鏈路的端口，當(dāng)出現(xiàn)一條鏈路訂閱報(bào)文流量異常時(shí)，在極限壓力（100 Mb/s情況下），應(yīng)當(dāng)不影響其他端口正常工作，本端口各鏈路在流量異常消失后端口能恢復(fù)正常工作。

　　（5）對于多鏈路的端口，應(yīng)至少滿足出現(xiàn)15條鏈路心跳報(bào)文自然同步時(shí)仍能正常工作的要求。

　　（6）站控層的網(wǎng)絡(luò)流量異常，不應(yīng)對保護(hù)的動(dòng)作行為產(chǎn)生影響，即站控層MMS網(wǎng)產(chǎn)生壓力時(shí)，保護(hù)的正確跳閘應(yīng)不受影響。

　　上述要求實(shí)例化到“直采直跳”模式下的過程層主要IED設(shè)備，簡要說明如下：

　　（1）合并單元：接至交換機(jī)上的組網(wǎng)口SV、GOOSE任何流量（訂閱報(bào)文或非訂閱報(bào)文流量）異常不能對直采口的SV輸出產(chǎn)生影響，GOOSE與SV組網(wǎng)口不能相互影響；對于線路合并單元，母線級聯(lián)電壓SV輸入流量異常，不能影響到輸出的SV報(bào)文，包括線路電壓電流的采樣精度及“直采”輸出口報(bào)文的時(shí)間均勻性、傳輸時(shí)延等。

　　（2）智能終端：接至交換機(jī)的組網(wǎng)口訂閱報(bào)文及非訂閱報(bào)文流量異常時(shí)不能對“直跳”端口產(chǎn)生影響；對于多鏈路端口，在15條鏈路心跳報(bào)文自然同步時(shí)能正常工作，單鏈路訂閱報(bào)文極限壓力流量下，允許端口丟失數(shù)據(jù)，但不影響其他端口鏈路工作，壓力消失后本端口能恢復(fù)正常工作。

　　（3）保護(hù)裝置：當(dāng)組網(wǎng)口訂閱的GOOSE報(bào)文發(fā)生流量異常時(shí)，不影響保護(hù)裝置對正常報(bào)文的處理，不影響保護(hù)的“直采”、“直跳”功能；非訂閱報(bào)文流量異常時(shí)，不能對經(jīng)交換機(jī)轉(zhuǎn)輸?shù)穆?lián)閉鎖信息產(chǎn)生影響，多鏈路端口滿足心跳報(bào)文自然同步的要求，同時(shí)在壓力極限條件下，不影響其他端口工作，壓力消失后端口能恢復(fù)正常工作；站控層MMS網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量異常時(shí)不能對保護(hù)正確跳閘產(chǎn)生影響。

4 網(wǎng)絡(luò)壓力測試的實(shí)現(xiàn)

　　天津電力公司與武漢凱默電氣有限公司聯(lián)合進(jìn)行了智能變電站網(wǎng)絡(luò)壓力測試技術(shù)的研究，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)壓力測試平臺，該平臺具有交換機(jī)測試功能及智能變電站網(wǎng)絡(luò)壓力測試功能，平臺軟件主界面如圖3所示。

　　該平臺具有8對10M/100M自適應(yīng)光電可互換的以太網(wǎng)接口，1路獨(dú)立光IRIG-B碼/PPS輸入端口，2路獨(dú)立光IRIG-B碼/PPS輸出端口，1路GPS天線接口，8路硬接點(diǎn)開入，8路硬接點(diǎn)開出，在網(wǎng)絡(luò)壓力測試方面，能夠準(zhǔn)確地輸出兩大類數(shù)據(jù)流：壓力數(shù)據(jù)流及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。壓力數(shù)據(jù)流又分為IEC61850機(jī)制壓力數(shù)據(jù)流及流量機(jī)制壓力數(shù)據(jù)流。IEC61850機(jī)制數(shù)據(jù)流是指SV按照設(shè)定的采樣率、GOOSE按照T0、T1、T1、2T1、4T1…時(shí)間機(jī)制輸出的數(shù)據(jù)流，流量機(jī)制數(shù)據(jù)流可輸出SV、GOOSE及以太網(wǎng)報(bào)文，輸出的報(bào)文均按流量設(shè)置，不受采樣率、GOOSE機(jī)制限制，GOOSE輸出過程中可進(jìn)行ST、SQ變化。此外，在壓力數(shù)據(jù)流輸出的同時(shí)，又可配合輸出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，輸出的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流可實(shí)現(xiàn)光數(shù)字報(bào)文輸出、整組試驗(yàn)、GOOSE碰撞、智能終端測試、狀態(tài)序列、電壓電流、PTP測試等功能。

5 總結(jié)

　　本文詳細(xì)分析了智能變電站網(wǎng)絡(luò)壓力產(chǎn)生的原因，包括GOOSE心跳報(bào)文自然同步、IED設(shè)備故障、交換機(jī)“泛洪”、A、B網(wǎng)物理隔離破壞和外部因素等原因。提出了IED設(shè)備網(wǎng)絡(luò)壓力測試的方法：先分別進(jìn)行單裝置測試，再進(jìn)行IED設(shè)備整體性能測試；結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自下而上的特點(diǎn)，以非訂閱報(bào)文和訂閱報(bào)文兩種形式分別進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)壓力測試。在此基礎(chǔ)上提出了網(wǎng)絡(luò)壓力環(huán)境下對IED設(shè)備進(jìn)行測試的具體要求，并闡述了測試方法，即以非訂閱報(bào)文測試和訂閱報(bào)文測試的形式，分別在被測試設(shè)備端口施加SV、GOSSE報(bào)文，測試IED設(shè)備能否對非訂閱報(bào)文進(jìn)行正常過濾，然后測試保護(hù)發(fā)生區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障且激勵(lì)量滿足動(dòng)作條件時(shí)，被測試設(shè)備能否正確動(dòng)作。本文的研究對智能變電站網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及壓力測試等都有指導(dǎo)性作用。

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