智能变电站网络性能测试研究与应用

杨建明，朱 玉，李诣烽，王冠南，金 敏

（1.南昌科晨电力试验研究有限公司，江西南昌 330096；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌 330096；3.国网江西省电力有限公司新余分公司，江西新余 338000）

0 引言

智能变电站的典型结构是遵循IEC 61850标准的“三层两网”通信体系，三层为站控层、间隔层、过程层；两网为站控层网络和过程层网络[1]。其中由过程层网络负责传输智能开关相关的状态量、控制量以及电子式互感器采集的模拟量，并通过以太网实现面向通用对象的变电站事件（GOOSE）报文、采集值（SV）报文、网络对时报文（IEC 61588）在保护、测控、计量和故障录播等智能电子设备间的网络通信。站控层网络主要传输IEC 61850服务映射的MMS报文、网络对时报文。

过程层网络的功能和性能相关的设备主要包括[2]：过程层交换机、电子式互感器、合并单元、智能终端、数字化保护测控装置、故障录播和网络分析装置等。过程层网络的运行情况关系到继电保护装置能否正确动作，进而影响整个电网的运行安全，其并非单纯的SV网络和GOOSE网络，而有可能是二者的混合网络，因此评估网络结构的合理性，分析报文在正常和异常网络的情况下其传输速率是否超过交换机的承载能力，以及及时发现并处理网络风暴，对变电站的正常运行十分重要。

站控层网络的功能和性能相关的设备主要包括[2]：后台监控电脑（监控软件）、五防系统、与调度端和变电站端通信的网络通信设备等。站控层网络主要的通信报文有MMS（制造报文规范）、GOOSE、ARP（地址解析协议）等。通信方式覆盖了单播、组播、广播3种通信方式。

为了保证变电站网络的各项性能指标和可靠性满足国网标准和用户的要求，保证变电站正常稳定的运行，电网的安全运行，需要对其进行全面的测试。

1 智能变电站网络结构

智能变电站的智能电子设备使用各种报文进行通信，合并单元发出的SV报文传输各种电压电流瞬时采用值，智能终端发出的GOOSE报文传输开关刀闸的开入信息，保护发出的GOOSE报文传输保护跳闸、重合闸和联闭锁信息，测控发出的GOOSE报文传输开关刀闸的控制信号等控制信息，所以智能电子设备还均发送包含自检状态及告警信息的GOOSE报文。

根据目前相关企业标准，保护使用的采样信号以及发出的跳闸令均采样直接连接的方式进行传输，不形成网络。而智能终端发给测控的开关刀闸位置信息、告警开入以及测控发送的开关刀闸控制信息均以组网的形式传输，形成站内的GOOSE网络。同时，合并单元发送给测控、故障录波器、网络分析仪以及电能表等智能电子设备的SV报文也可以采用组网的形式传输，形成站内的SV网络。利用网络传输的报文经过交换机，因此受到交换机吞吐量以及传输时延的影响。目前的智能变电站中普遍采用100 Mb/s的工业以太网交换机。

2 智能变电站网络性能测试内容及原则

首先分别进行单装置测试和规约一致性测试，在基本功能和性能满足相关标准的基础上，再进行智能变电站系统级的整体测试，重点进行智能变电站网络中各个设备之间的相互配合和相互影响测试，以及智能变电站网络的性能和可靠性测试。

在对智能变电站网络进行测试时，需要对典型智能变电站的网络流量包括正常流量和最大流量（如在变电站雪崩试验情况下产生的流量）进行理论分析，并根据网络流量，进行网络传输延时分析、业务限速及广播抑制应用分析、母差保护动作延时分析、变电站雪崩时交换机数据转发分析等。

在网络研发、建设或管理过程中，OSI参考模型为认识、分析和解决计算机网络问题提供了很好的思维方法与指导，网络测试也不例外，也应该强调从网络的体系结构出发，按照网络分层的思想，参照OSI及TCP/IP分层模型，自下而上的进行。由于底层的基础性作用，网络测试应首先从物理层开始。并根据软件测试的思想，先正常测试，后异常测试。

3 影响智能变电站网络性能的因素

3.1 网络传输时延

产生网络时延的主要原因[2]：

1）交换机固有时延：《智能变电站网络交换机技术规范》中要求传输各种帧长数据时，交换机固有时延小于10 us。

2）存储转发时延：报文越长，存储转发时延就越长。

3）报文在交换机中排队造成的时延：网络传输数据量大，交换机层数多，都会造成报文传输时排队，最终导致网络传输时延抖动大。

4）链入传输时延：智能变电站中使用的均是多模光纤，传输距离不超过2 km，故链入传输时延最大为9.95 us。

5）交换机层数：交换机层数越多，网络传输时延越长，在网络负载较低的情况下，若交换机层数为N，则网络传输时延=N层×（存储转发时延+交换机固有时延）。

3.2网络风暴

网络风暴指由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪。产生网络风暴的主要原因有[3-4]：

1）交换机异常。交换机作为网络核心交换设备，如果自身的报文转发机制异常，如VLAN机制失效，会导致网络风暴。

2）组网设备网卡异常。组网设备网卡发生异常，可能导致报文大量发送，导致网络风暴。

3）网络环路。这是智能变电站网络风暴产生的一个重要原因。一旦发送网络环路，对于站控层网络，广播报文（如：ARP请求报文）会形成网络风暴；此外，由于目前站控层网络一般没有采取VLAN或GMRP等机制对GOOSE报文隔离，GOOSE报文组播域为站控层全网，GOOSE报文也会形成风暴；对于过程层网络，一般采用网络隔离措施，如划分静态VLAN或采用GMRP组播过滤技术。以VLAN为例，如果产生环路且环路的两个端口属于同一VLAN，则交换机会不停转发该VLAN内数据，直至占满带宽或交换机CPU资源耗尽。

4 智能变电站网络性能测试

4.1 交换机单体测试

测试拓扑图见图1。

图1 测试拓扑图

测试方法：单台交换机，测试帧长分别为64 Bytes、128 Bytes、256 Bytes、512 Bytes、1024 Bytes、1280 Bytes、1518 Bytes，采用单边双端口组播IP方式，测试时间为30 s。

实测结果：测试数据看表1-3和图2-4。接收端口将按其最大转发容量接收端口施加的过载测试流，直至丢帧率为零，符合预期结果[5-6]。

表1 吞吐量

图2 吞吐量测试值及理论最大吞吐量值比较图

表2 时延

图3 时延测试分析图

表3 抖动

图4 抖动测试分析图

4.2 SV+GOOSE共网组网级联测试

测试拓扑图见图5。

图5 测试拓扑图

测试方法：级联两台交换机，测试帧长分别为64 Bytes、128 Bytes、256 Bytes、512 Bytes、1024 Bytes、1280 Bytes和1518 Bytes，采用单边双端口组播方式，测试时间为30 s。

实测结果：测试数据看表4至表6，图6至图8。接收端口将按其最大转发容量接收端口施加的过载测试流，直至丢帧率为零，符合预期结果[5-6]。

表4 吞吐量

图6 吞吐量测试值及理论最大吞吐量值比较图

图注同图2

表5时延

图7 时延测试分析图

表6 抖动

图8 抖动测试分析图

4.3VLAN功能测试

测试拓扑图见图9。

图9 测试拓扑图

测试方法：针对一台交换机，测试采用组播方式，由Port4输入携带不同Vlan ID为X、Y、Z的三条GOOSE报文测试流，帧长取1518bytes，测试时间为10s。依次测试 Vlan101~Vlan112，如（X，Y，Z）=（101，102，103）等，其余Vlan依次类推。Port1、Port2和Port3分别属于Vlan X、Vlan Y和Vlan Z。

实测结果：测试数据看表7及表8。测试流只能在同属一个Vlan的端口内传输，其余端口无法收到相应测试流[5-6]。

测试范围：现场A、B网过程层中心交换机（含Vlan101，102，103，104，105，106，107，108，109，110，111，112）。

表7 VLAN测试数据收发表

表8 VLAN测试数据收发表

1）Vlan101、Vlan102、Vlan103——测试流VID为101

4.4 网络系统安全校核

测试目的：模拟保护GOOSE、SV在网络传输中产生误码时，验证网络设备对于错误帧过滤的处理方式。测试拓扑图如图9。

测试方法：过程层一台交换机，测试帧长取128 bytes，测试时间为10 s，Port1按1000 fps加载组播流，观察其余端口流情况；测试包含正确帧、超小帧、超大帧、CRC错的数据包。本方案适用于全站所有过程层交换机。

实测结果：测试数据看表9至表12。交换机过滤出错误的帧而不是继续传播错误帧到目标地址；在传播正确帧时Port2-Port4收到正确报文；在传播错误帧时Port2-Port4无法收到报文，符合预期结果[5-7]。

表9 正确帧收发数据表

表10 超小帧收发数据表

表11 超大帧收发数据表

表12 CRC错帧收发数据表

4.5 整组传动测试（风暴）

测试目的：模拟GOOSE网络产生大量风暴报文时，保护信号及相关重要开入开出量在网络传输中能及时准确到达。测试拓扑图见图10。

图10 测试拓扑图

测试方法：从中心交换机Port1端口输入100 Mbps风暴流，测试帧长取128 Bytes，测试时间为60 s；同时由线路/主变保护装置开出“启动失灵”信号，观察母线保护装置上的“启动失灵”收信情况。本方法适用于220kV葛樟线、吉樟线、樟众线、1号主变，110 kV母联、樟福线、樟金线、樟滩线、吉山I、II线、樟螺I、II线、1号主变间隔。

实测结果：如表13所示，100 Mbps风暴流量下，“启动失灵”信号正常传达，满足预期结果[7]。

表13 风暴测试结果表

5 结语

本文结合实际变电站网络，通过对影响智能变电站网络性能的因素的分析，有针对性的对网络性能进行测试，并且可根据实际需要进行网络在正常和异常工况下的性能测试。通过对测试结果进行分析，三网合一模式下网络的性能指标及可靠性均能满足相关的标准及用户的需求，为智能变电站可靠稳定的运行提供了重要依据，也可为后续该类测试提供借鉴。