智能變電站網絡性能測試研究與應用

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.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西南昌 330096；3.國網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構是遵循IEC 61850標準的“三層兩網”通信體系，三層為站控層、間隔層、過程層；兩網為站控層網絡和過程層網絡[1]。其中由過程層網絡負責傳輸智能開關相關的狀態量、控制量以及電子式互感器采集的模擬量，并通過以太網實現面向通用對象的變電站事件（GOOSE）報文、采集值（SV）報文、網絡對時報文（IEC 61588）在保護、測控、計量和故障錄播等智能電子設備間的網絡通信。站控層網絡主要傳輸IEC 61850服務映射的MMS報文、網絡對時報文。

過程層網絡的功能和性能相關的設備主要包括[2]：過程層交換機、電子式互感器、合并單元、智能終端、數字化保護測控裝置、故障錄播和網絡分析裝置等。過程層網絡的運行情況關系到繼電保護裝置能否正確動作，進而影響整個電網的運行安全，其并非單純的SV網絡和GOOSE網絡，而有可能是二者的混合網絡，因此評估網絡結構的合理性，分析報文在正常和異常網絡的情況下其傳輸速率是否超過交換機的承載能力，以及及時發現并處理網絡風暴，對變電站的正常運行十分重要。

站控層網絡的功能和性能相關的設備主要包括[2]：后臺監控電腦（監控軟件）、五防系統、與調度端和變電站端通信的網絡通信設備等。站控層網絡主要的通信報文有MMS（制造報文規范）、GOOSE、ARP（地址解析協議）等。通信方式覆蓋了單播、組播、廣播3種通信方式。

為了保證變電站網絡的各項性能指標和可靠性滿足國網標準和用戶的要求，保證變電站正常穩定的運行，電網的安全運行，需要對其進行全面的測試。

1 智能變電站網絡結構

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

根據目前相關企業標準，保護使用的采樣信號以及發出的跳閘令均采樣直接連接的方式進行傳輸，不形成網絡。而智能終端發給測控的開關刀閘位置信息、告警開入以及測控發送的開關刀閘控制信息均以組網的形式傳輸，形成站內的GOOSE網絡。同時，合并單元發送給測控、故障錄波器、網絡分析儀以及電能表等智能電子設備的SV報文也可以采用組網的形式傳輸，形成站內的SV網絡。利用網絡傳輸的報文經過交換機，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的工業以太網交換機。

2 智能變電站網絡性能測試內容及原則

首先分別進行單裝置測試和規約一致性測試，在基本功能和性能滿足相關標準的基礎上，再進行智能變電站系統級的整體測試，重點進行智能變電站網絡中各個設備之間的相互配合和相互影響測試，以及智能變電站網絡的性能和可靠性測試。

在對智能變電站網絡進行測試時，需要對典型智能變電站的網絡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生的流量）進行理論分析，并根據網絡流量，進行網絡傳輸延時分析、業務限速及廣播抑制應用分析、母差保護動作延時分析、變電站雪崩時交換機數據轉發分析等。

在網絡研發、建設或管理過程中，OSI參考模型為認識、分析和解決計算機網絡問題提供了很好的思維方法與指導，網絡測試也不例外，也應該強調從網絡的體系結構出發，按照網絡分層的思想，參照OSI及TCP/IP分層模型，自下而上的進行。由于底層的基礎性作用，網絡測試應首先從物理層開始。并根據軟件測試的思想，先正常測試，后異常測試。

3 影響智能變電站網絡性能的因素

3.1 網絡傳輸時延

產生網絡時延的主要原因[2]：

1）交換機固有時延：《智能變電站網絡交換機技術規范》中要求傳輸各種幀長數據時，交換機固有時延小于10 us。

2）存儲轉發時延：報文越長，存儲轉發時延就越長。

3）報文在交換機中排隊造成的時延：網絡傳輸數據量大，交換機層數多，都會造成報文傳輸時排隊，最終導致網絡傳輸時延抖動大。

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：交換機層數越多，網絡傳輸時延越長，在網絡負載較低的情況下，若交換機層數為N，則網絡傳輸時延=N層×（存儲轉發時延+交換機固有時延）。

3.2網絡風暴

網絡風暴指由于網絡拓撲的設計和連接問題，或其他原因導致廣播在網段內大量復制，傳播數據幀，導致網絡性能下降，甚至網絡癱瘓。產生網絡風暴的主要原因有[3-4]：

1）交換機異常。交換機作為網絡核心交換設備，如果自身的報文轉發機制異常，如VLAN機制失效，會導致網絡風暴。

2）組網設備網卡異常。組網設備網卡發生異常，可能導致報文大量發送，導致網絡風暴。

3）網絡環路。這是智能變電站網絡風暴產生的一個重要原因。一旦發送網絡環路，對于站控層網絡，廣播報文（如：ARP請求報文）會形成網絡風暴；此外，由于目前站控層網絡一般沒有采取VLAN或GMRP等機制對GOOSE報文隔離，GOOSE報文組播域為站控層全網，GOOSE報文也會形成風暴；對于過程層網絡，一般采用網絡隔離措施，如劃分靜態VLAN或采用GMRP組播過濾技術。以VLAN為例，如果產生環路且環路的兩個端口屬于同一VLAN，則交換機會不停轉發該VLAN內數據，直至占滿帶寬或交換機CPU資源耗盡。

4 智能變電站網絡性能測試

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。

實測結果：測試數據看表1-3和圖2-4。接收端口將按其最大轉發容量接收端口施加的過載測試流，直至丟幀率為零，符合預期結果[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共網組網級聯測試

測試拓撲圖見圖5。

圖5 測試拓撲圖

測試方法：級聯兩臺交換機，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。

實測結果：測試數據看表4至表6，圖6至圖8。接收端口將按其最大轉發容量接收端口施加的過載測試流，直至丟幀率為零，符合預期結果[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。

實測結果：測試數據看表7及表8。測試流只能在同屬一個Vlan的端口內傳輸，其余端口無法收到相應測試流[5-6]。

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

表7 VLAN測試數據收發表

表8 VLAN測試數據收發表

1）Vlan101、Vlan102、Vlan103——測試流VID為101

4.4 網絡系統安全校核

測試目的：模擬保護GOOSE、SV在網絡傳輸中產生誤碼時，驗證網絡設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錯的數據包。本方案適用于全站所有過程層交換機。

實測結果：測試數據看表9至表12。交換機過濾出錯誤的幀而不是繼續傳播錯誤幀到目標地址；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，符合預期結果[5-7]。

表9 正確幀收發數據表

表10 超小幀收發數據表

表11 超大幀收發數據表

表12 CRC錯幀收發數據表

4.5 整組傳動測試（風暴）

測試目的：模擬GOOSE網絡產生大量風暴報文時，保護信號及相關重要開入開出量在網絡傳輸中能及時準確到達。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、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。

實測結果：如表13所示，100 Mbps風暴流量下，“啟動失靈”信號正常傳達，滿足預期結果[7]。

表13 風暴測試結果表

5 結語

本文結合實際變電站網絡，通過對影響智能變電站網絡性能的因素的分析，有針對性的對網絡性能進行測試，并且可根據實際需要進行網絡在正常和異常工況下的性能測試。通過對測試結果進行分析，三網合一模式下網絡的性能指標及可靠性均能滿足相關的標準及用戶的需求，為智能變電站可靠穩定的運行提供了重要依據，也可為后續該類測試提供借鑒。