智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信測試方法研究

瞿華鎮(zhèn) 楊明軒

智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信測試方法研究

瞿華鎮(zhèn) 楊明軒

（國網(wǎng)撫州供電公司，江西 撫州 330077）

智能變電站采用以太網(wǎng)傳輸采樣值、開入量及參數(shù)配置信息，網(wǎng)絡(luò)通信性能直接影響保護(hù)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。智能變電站現(xiàn)場調(diào)試和現(xiàn)場檢修過程中，網(wǎng)絡(luò)通信故障通常缺乏有效測試和定位手段。本文首先介紹智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信的測試機(jī)理，然后分析智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信典型故障形態(tài)，最后針對(duì)其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流特征提出一種基于大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)的實(shí)施方案。試驗(yàn)表明，該方案滿足智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信測試基本要求，可有效提升智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)維能力。

智能變電站；網(wǎng)絡(luò)通信；通信測試；現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）

0 引言

我國正深入推進(jìn)以“全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化”為基本特征的智能變電站建設(shè)。智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)建，并將通信網(wǎng)絡(luò)在功能邏輯上分為站控層、間隔層、過程層，各層使用開放結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。全站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)呈現(xiàn)“三層兩網(wǎng)”，站控層和間隔層設(shè)備由站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，間隔層和過程層設(shè)備由過程層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)連接[1-2]。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，相較于傳統(tǒng)變電站發(fā)生了巨大改變。其中，站控層網(wǎng)絡(luò)涉及的設(shè)備，包括后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)、五防系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)等[3-5]。站控層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱?bào)文包括制造報(bào)文規(guī)范（manufacturing message specification, MMS）、面向通用對(duì)象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）、地址解析協(xié)議（address resolution protocol, ARP）等。過程層網(wǎng)絡(luò)涉及的設(shè)備同樣種類各異、數(shù)量眾多，包括合并單元、智能終端、電子式互感器、數(shù)字化保護(hù)測控等[6]。過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄐ艌?bào)文也絕非單一報(bào)文，一般摻雜采樣值（sampled value, SV）報(bào)文和GOOSE報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)報(bào)文作為智能變電站設(shè)備間信息交互和共享的主要方式，其發(fā)送端、接收端及通信網(wǎng)絡(luò)異常都可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)重大事故[7-8]。為了保障國家電力安全，電力運(yùn)維人員需要通過某種手段或方法準(zhǔn)確測試智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并且在智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能夠快速確定問題原因。

目前，針對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信測試方面，國內(nèi)學(xué)者和研究人員做了大量研究。文獻(xiàn)[9]在對(duì)實(shí)際智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，搭建了500kV智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，解決了商用網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備報(bào)文類型與智能變電站不符的問題；文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)分析和故障錄波一體化系統(tǒng)，將傳統(tǒng)故障錄波與新興網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)合二為一，解決了傳統(tǒng)測試方法很難將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文數(shù)據(jù)和故障錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)并綜合分析的問題。本文在此基礎(chǔ)上，對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文作進(jìn)一步研究，有針對(duì)性地提出一種網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)測試方法，并基于該方法的特性提出對(duì)應(yīng)的硬件平臺(tái)方案和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)測試機(jī)理

1.1 測試系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前，雖然國內(nèi)多數(shù)地區(qū)都在大力推進(jìn)智能變電站建設(shè)，但是仍普遍存在電力運(yùn)維人員對(duì)各自轄區(qū)內(nèi)智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試不足的問題。究其原因，除了部分地區(qū)運(yùn)維人員對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理性和重要性認(rèn)識(shí)不足，主要原因還是缺乏簡便有效的測試手段。傳統(tǒng)測試方案多以單體設(shè)備為對(duì)象，難以準(zhǔn)確考察實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的影響[11]。

本文針對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在的諸多實(shí)景測試需求，提出一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自適應(yīng)的閉環(huán)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備大流量站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模擬功能，能夠根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)配置按設(shè)定的時(shí)間間隔輸出SV、GOOSE、MMS等報(bào)文，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多種故障報(bào)文異常反演功能，可以對(duì)變電站整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行多維度、完整的測試[12]。智能變電站網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 測試報(bào)文結(jié)構(gòu)

智能變電站網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)測試系統(tǒng)的核心是測試流量如何生成與發(fā)送。測試系統(tǒng)可以根據(jù)導(dǎo)入的智能變電站全站系統(tǒng)配置（substation configuration description, SCD）文件[13]，對(duì)待測智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)境重構(gòu)，通過提取SCD文件中關(guān)鍵字信息和通道屬性，設(shè)定測試報(bào)文端口信息、報(bào)文類型、報(bào)文大小等特征字段，從而自動(dòng)生成待發(fā)送的測試報(bào)文。

圖1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)架構(gòu)

為了滿足智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中多種網(wǎng)絡(luò)裝置在功能和性能方面的測試要求，需要發(fā)送的測試報(bào)文可以靈活多變[14]。同時(shí)，測試系統(tǒng)需要對(duì)接收到的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文進(jìn)行閉環(huán)分析，因此，在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)報(bào)文幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加多個(gè)測試所需的特征字段。測試報(bào)文幀格式如圖2所示。

圖2 測試報(bào)文幀格式

測試標(biāo)簽由6部分組成，總共20個(gè)字節(jié)。

控制幀頭：字段長度為4個(gè)字節(jié)，用于區(qū)分報(bào)文是否為測試系統(tǒng)發(fā)出的測試報(bào)文，內(nèi)容固定為0XFEFE7070。

端口ID：字段長度為1個(gè)字節(jié)，用于區(qū)分測試報(bào)文發(fā)出的端口。

流序號(hào)：字段長度為1個(gè)字節(jié)，用于區(qū)分測試系統(tǒng)不同端口發(fā)出的不同數(shù)據(jù)流內(nèi)容。

數(shù)據(jù)序號(hào)：字段長度為4個(gè)字節(jié)，用于區(qū)分某個(gè)數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。

時(shí)標(biāo)：字段長度為8個(gè)字節(jié)，用于區(qū)分某個(gè)數(shù)據(jù)流的時(shí)延信息。

校驗(yàn)碼：字段長度為2個(gè)字節(jié)，用于測試報(bào)文測試標(biāo)簽字段的通信校驗(yàn)。

2 網(wǎng)絡(luò)通信異常分析

2.1 鏈路中斷

智能變電站的建設(shè)多分布在偏遠(yuǎn)郊區(qū)，站內(nèi)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所處的工作環(huán)境惡劣，空氣中粉塵、水分及腐蝕性介質(zhì)日益侵入，會(huì)嚴(yán)重影響光通信模塊的靈敏度，一旦條件達(dá)到臨界點(diǎn)就會(huì)導(dǎo)致通信鏈路中斷[15]。

通信鏈路中斷通常會(huì)造成設(shè)備的通信功能喪失，包括報(bào)文發(fā)送、報(bào)文接收和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能。由于鏈路中斷會(huì)影響通信系統(tǒng)的可靠性，因而對(duì)保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行造成一定威脅[16]。因此，運(yùn)維人員需要在保護(hù)裝置發(fā)出斷鏈警告時(shí)，對(duì)通信異常情況進(jìn)行必要的測試，然后根據(jù)測試結(jié)果及時(shí)準(zhǔn)確地判定當(dāng)前斷鏈警告為一般性警告或嚴(yán)重性警告，進(jìn)而為后續(xù)選擇故障排除方法提供有力參考。

因此，針對(duì)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷的問題可分兩個(gè)方面進(jìn)行測試。一方面，通過測試系統(tǒng)模擬通信鏈路異常，觀察待測保護(hù)設(shè)備是否能夠識(shí)別通信鏈路異常問題并正確發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)。另一方面，通過測試系統(tǒng)串接監(jiān)測保護(hù)裝置所處的通信網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)裝置收發(fā)報(bào)文流量的理論值和實(shí)際值，分析判定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是否存在通信鏈路中斷問題。

2.2 異常幀

智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在通信正常的情況下，不會(huì)向變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送異常幀，也不會(huì)接收或轉(zhuǎn)發(fā)任何異常幀。由于受到外部電磁輻射干擾等因素影響，導(dǎo)致保護(hù)裝置或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的報(bào)文發(fā)送或者報(bào)文接收物理模塊受損，從而影響網(wǎng)絡(luò)裝置正常的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

若網(wǎng)絡(luò)裝置的報(bào)文發(fā)送模塊受損，則可能導(dǎo)致該設(shè)備向通信網(wǎng)絡(luò)注入異常幀。若網(wǎng)絡(luò)裝置的報(bào)文接收模塊受損，則可能導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)異常幀。常見的以太網(wǎng)通信異常幀包括前導(dǎo)碼錯(cuò)誤幀、循環(huán)冗余校驗(yàn)（cyclic redundancy check, CRC）錯(cuò)誤幀、超長幀、超短幀等。

因此，針對(duì)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信異常幀的測試主要分兩個(gè)方面進(jìn)行。一方面，可以通過測試系統(tǒng)給單個(gè)設(shè)備或多個(gè)設(shè)備定向注入異常幀，觀測待測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是否繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該異常幀。另一方面，通過測試系統(tǒng)串接監(jiān)測整個(gè)變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過濾鏡測試判定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中是否存在異常幀。

2.3 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴

網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴對(duì)于保護(hù)設(shè)備的影響十分惡劣，其會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速搶占中央處理器（central processing unit, CPU）資源，輕則導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)性能下降，重則導(dǎo)致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓，嚴(yán)重威脅著保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[17-18]。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備需要具備一定的防范外部環(huán)境輸入網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴影響其正常通信功能的能力。同時(shí)，變電站內(nèi)的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)裝置不能因?yàn)楸旧碓O(shè)備故障向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸出網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。比如，由于某個(gè)設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生異常，導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備每秒實(shí)際報(bào)文發(fā)送量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論數(shù)值4 000幀，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)此類原因引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時(shí)，其他正常的保護(hù)裝置應(yīng)能有效應(yīng)對(duì)。

因此，針對(duì)此類網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的測試需要分兩步進(jìn)行。第一步，通過測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視待測設(shè)備的報(bào)文發(fā)送情況，統(tǒng)計(jì)其在規(guī)定時(shí)間內(nèi)發(fā)送的所有報(bào)文，當(dāng)報(bào)文統(tǒng)計(jì)數(shù)值明顯大于其理論數(shù)值時(shí)，即可判定待測設(shè)備報(bào)文發(fā)送頻率異常引起網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。第二步，可以通過測試系統(tǒng)向變電站通信網(wǎng)絡(luò)注入網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴報(bào)文，監(jiān)視待測設(shè)備通信功能是否受到影響，從而判定待測設(shè)備是否能夠有效處理網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

2.4 通信時(shí)延

智能變電站網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)延計(jì)算的準(zhǔn)確性依賴于硬件設(shè)備的時(shí)鐘精度，若網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部時(shí)間精度不夠，則網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈路傳輸延時(shí)計(jì)算會(huì)不準(zhǔn)，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)備延時(shí)補(bǔ)償異常。智能變電站需要對(duì)系統(tǒng)中所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信時(shí)延進(jìn)行準(zhǔn)確測試，包括時(shí)延最大值、時(shí)延最小值、時(shí)延平均值等。

3 閉環(huán)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能變電站網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)測試系統(tǒng)需要模擬現(xiàn)場實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對(duì)全站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中調(diào)試或單設(shè)備檢驗(yàn)測試，因此需要測試系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）處理器憑借其獨(dú)有的并行處理能力，以及豐富的高速通信接口，可以勝任不同電壓等級(jí)變電站對(duì)站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的測試需求。

網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)測試平臺(tái)采用FPGA+精簡指令集架構(gòu)中央處理器（performance optimization with enhancedRISC-performance computing, POWERPC）+上位機(jī)的硬件架構(gòu)，其中可編程邏輯門陣列選用Xilinx公司低功耗工藝K7系列FPGA，該系列集成了豐富的硬核知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)對(duì)外硬件接口的控制邏輯擴(kuò)展功能。POWERPC處理器選用NXP公司的多核浮點(diǎn)系列產(chǎn)品P2020，具有良好的數(shù)據(jù)處理能力，方便系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)運(yùn)算。上位機(jī)采用工業(yè)級(jí)高性能X86 CPU運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，使用QT圖形高級(jí)測試軟件，測試軟件中包含多種測試功能模塊，各個(gè)功能模塊之間實(shí)現(xiàn)邏輯高度解耦，每個(gè)功能既能獨(dú)立運(yùn)行，又能像“搭積木”一樣進(jìn)行自由組合，自動(dòng)創(chuàng)建測試腳本，從而實(shí)現(xiàn)組合功能測試。網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)測試平臺(tái)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)測試平臺(tái)硬件系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)測試，對(duì)于FPGA網(wǎng)口功能而言，需要各個(gè)功能網(wǎng)口支持多流發(fā)送、接收和統(tǒng)計(jì)，此為上位機(jī)軟件所有業(yè)務(wù)要求功能的最大集合。FPGA網(wǎng)口功能模塊內(nèi)部邏輯框圖如圖4所示。

測試系統(tǒng)中每個(gè)網(wǎng)口的發(fā)送功能模塊，在FPGA內(nèi)部都分配有一片RAM用于緩存發(fā)送樣本包，每個(gè)發(fā)送功能模塊最多支持32個(gè)樣本流同時(shí)發(fā)送。測試開始后，發(fā)送功能模塊會(huì)首先從RAM中取出第1樣本包，發(fā)送過程受第1組寄存器控制。其中，發(fā)送幀數(shù)按照流1發(fā)送幀數(shù)寄存器要求進(jìn)行，發(fā)送間隔按照流1發(fā)送幀間隔寄存器要求進(jìn)行。第1個(gè)樣本發(fā)送完成后再從RAM中取出第2個(gè)樣本，發(fā)送過程受第2組寄存器控制。其中，發(fā)送幀數(shù)按照流2發(fā)送幀數(shù)寄存器要求進(jìn)行，發(fā)送間隔按照流2發(fā)送幀間隔寄存器要求進(jìn)行。依此類推，發(fā)送功能模塊繼續(xù)進(jìn)行其他已配置樣本的發(fā)送任務(wù)，直至發(fā)送控制邏輯檢測到樣本流發(fā)送總幀數(shù)達(dá)到發(fā)送總幀數(shù)寄存器設(shè)定值，才會(huì)停止當(dāng)前發(fā)送任務(wù)，除非在測試數(shù)據(jù)流發(fā)送過程中收到POWERPC處理器發(fā)出的停止測試命令。如果涉及流量序列測試，則單次發(fā)送任務(wù)的控制邏輯同上，在每次發(fā)送任務(wù)完成后，POWERPC處理器需要更新下一次任務(wù)的發(fā)送控制寄存器及樣本包數(shù)據(jù)，然后開始下一次的發(fā)送任務(wù)。依此類推，最終實(shí)現(xiàn)軟件測試邏輯所需的報(bào)文發(fā)送任務(wù)。

圖4 FPGA網(wǎng)口功能模塊內(nèi)部邏輯框圖

測試系統(tǒng)中每個(gè)網(wǎng)口的接收功能模塊支持報(bào)文丟幀統(tǒng)計(jì)、通信時(shí)延值統(tǒng)計(jì)、通信時(shí)延抖動(dòng)值統(tǒng)計(jì)、報(bào)文流量分類統(tǒng)計(jì)等多種功能。每個(gè)接收功能模塊最多支持32個(gè)樣本流的接收統(tǒng)計(jì)任務(wù)，每個(gè)數(shù)據(jù)流在FPGA內(nèi)部分配一套完整的統(tǒng)計(jì)寄存器。測試開始后，接收功能模塊會(huì)根據(jù)用戶設(shè)定模式進(jìn)行接收統(tǒng)計(jì)。首先FPGA根據(jù)識(shí)別樣本中特征字段的流序號(hào)，判定當(dāng)前接收到的樣本屬于第幾個(gè)流的數(shù)據(jù)，然后將其接收過程中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，填寫到對(duì)應(yīng)組別的寄存器供上位機(jī)訪問。然后POWERPC處理器根據(jù)軟件應(yīng)用邏輯的需求實(shí)時(shí)獲取FPGA接收功能模塊對(duì)應(yīng)寄存器的統(tǒng)計(jì)數(shù)值，判定測試是否需要繼續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，POWERPC處理器會(huì)將實(shí)時(shí)測試數(shù)值上送上位機(jī)軟件，最終經(jīng)過圖形化的用戶界面對(duì)測試結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展示。

3.3 軟件設(shè)計(jì)思路

在智能變電站現(xiàn)場進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的測試時(shí)，由于測試選項(xiàng)繁多，涉及跨專業(yè)等多重限制，電力運(yùn)維人員往往不能很好地參與整個(gè)測試過程。很多網(wǎng)絡(luò)故障隱蔽性強(qiáng)，若僅進(jìn)行單一、簡單的功能項(xiàng)測試，則往往在短時(shí)間內(nèi)無法發(fā)現(xiàn)問題。因此，需要網(wǎng)絡(luò)測試軟件能夠針對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不同功能和性能進(jìn)行測試。

智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試與故障精準(zhǔn)定位軟件應(yīng)該采用模塊化一鍵閉環(huán)測試技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。操作人員可以通過簡便操作，對(duì)變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試項(xiàng)進(jìn)行自由增減。在軟件模塊化設(shè)計(jì)過程中，為了達(dá)到快速配置或一鍵配置的目的，應(yīng)充分考慮不同電壓等級(jí)、不同測試環(huán)境的參數(shù)差異，對(duì)添加參與一鍵測試模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)檢查，對(duì)不合理的參數(shù)給出告警提示，對(duì)不正確的配置項(xiàng)進(jìn)行彈框提示。

同時(shí)，測試軟件應(yīng)支持模塊的重復(fù)添加功能，以滿足相同功能不同參數(shù)的應(yīng)用場景需求；應(yīng)支持“斷點(diǎn)續(xù)測”功能，以滿足某些應(yīng)用場景需要中途人工介入測試閉鎖測試項(xiàng)，然后等待用戶干預(yù)完畢繼續(xù)測試的復(fù)雜應(yīng)用場景需求。軟件系統(tǒng)模塊化一鍵測試流程如圖5所示。

圖5 軟件系統(tǒng)模塊化一鍵測試流程

4 測試驗(yàn)證

為驗(yàn)證智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信測試方法，選用一種相對(duì)簡單的測試拓?fù)溥M(jìn)行試驗(yàn)測試，將測試儀的4個(gè)端口與交換機(jī)的4個(gè)端口直接相連，具體測試網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)如圖6所示。

4.1 鏈路中斷驗(yàn)證

測試儀通過實(shí)時(shí)監(jiān)視交換機(jī)端口流量信息，判斷網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷情況。測試示例通過對(duì)交換機(jī)端口1施加50Mbit/s左右流量，實(shí)時(shí)監(jiān)控交換機(jī)端口2的流量信息，當(dāng)斷開交換機(jī)端口1與測試儀的連接時(shí)，測試儀監(jiān)測到交換機(jī)端口2的流量數(shù)據(jù)從50Mbit/s銳減到0Mbit/s，即驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)鏈路中斷情況。交換機(jī)端口2流量變化曲線如圖7所示。

圖6 測試網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

圖7 交換機(jī)端口2流量變化曲線

4.2 異常報(bào)文監(jiān)視

測試儀通過對(duì)接收的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，判斷報(bào)文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正確性。測試示例通過對(duì)交換機(jī)端口1施加循環(huán)冗余校驗(yàn)錯(cuò)誤幀、超長幀、超短幀，實(shí)時(shí)監(jiān)控交換機(jī)端口2的報(bào)文分析數(shù)據(jù)，測試儀實(shí)時(shí)展示交換機(jī)端口2分析出的異常數(shù)據(jù)見表1。

表1 異常報(bào)文監(jiān)視數(shù)據(jù)

4.3 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴

測試儀支持發(fā)送網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，通過導(dǎo)入各種類型的數(shù)據(jù)報(bào)文作為風(fēng)暴樣本，輸出網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴數(shù)據(jù)。測試儀對(duì)交換機(jī)的端口1持續(xù)施加網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，同時(shí)監(jiān)視交換機(jī)的端口流量信息，根據(jù)當(dāng)前流量和報(bào)文類型，提示告警類型為網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)視數(shù)據(jù)見表2。

4.4 時(shí)延測試

測試儀具備網(wǎng)絡(luò)時(shí)延測試功能，測試儀通過記錄輸入和輸出報(bào)文時(shí)標(biāo)信息，計(jì)算每一幀報(bào)文數(shù)據(jù)的時(shí)延值。測試儀可以測試交換機(jī)端口1與端口2、端口3與端口4之間的時(shí)延信息，記錄信息包括最大時(shí)延、最小時(shí)延和平均時(shí)延。時(shí)延測試數(shù)據(jù)見表3。

表2 網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)視數(shù)據(jù)

表3 時(shí)延測試數(shù)據(jù) 單位: ms

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的智能變電站網(wǎng)絡(luò)測試方法往往無法真實(shí)模擬智能變電站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，無法針對(duì)智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)測試和故障重演。本文研究和實(shí)現(xiàn)的智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信閉環(huán)測試系統(tǒng)，其硬件支持多種類型的測試報(bào)文同時(shí)發(fā)送、大流量數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)和大流量數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)，軟件支持用戶進(jìn)行模塊化一鍵式閉環(huán)測試操作。本文提出的閉環(huán)測試系統(tǒng)已經(jīng)基本滿足電力運(yùn)維人員日常應(yīng)用場景的測試需求，但其完備性仍需要經(jīng)過進(jìn)一步長時(shí)間的工程應(yīng)用來檢驗(yàn)。此外，如何結(jié)合變電站運(yùn)維場景需求的不斷變化對(duì)測試方法進(jìn)行完善和優(yōu)化是后續(xù)的研究方向。

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Research on network communication test method of intelligent substation

QU Huazhen YANG Mingxuan

(State Grid Fuzhou Power Supply Company, Fuzhou, Jiangxi 330077)

Intelligent substation uses Ethernet to transmit sampling values, binary input and parameter configuration information. Network communication performance directly affects the stability and reliability of the protection device. In the process of on-site debugging and on-site maintenance of intelligent substation, network communication failure usually lacks effective means of testing and fault location method. This paper first introduces the test mechanism of network communication in intelligent substation. Then, typical failure modes of network communication in intelligent substation are analyzed. Finally, an implementation scheme based on large-scale field programmable gate array technology is proposed for its network data flow characteristics. The test results show that the method meets the basic requirements of network communication test in intelligent substation and effectively improves the op-eration and maintenance capacity of the network system in intelligent substation.

intelligent substation; network communication; communication test; field pro- grammable gate array (FPGA)

國網(wǎng)撫州供電公司科技項(xiàng)目（5218F0220002）

2022-09-28

2022-11-16

瞿華鎮(zhèn)（1993—），男，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電網(wǎng)規(guī)劃相關(guān)研究工作。