劉哲，劉林

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

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大型火電機(jī)組分散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信性能試驗(yàn)

劉哲1，劉林2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

針對(duì)某1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組在基建調(diào)試期分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)通信網(wǎng)絡(luò)存在的問題，開展DCS網(wǎng)絡(luò)通信性能測(cè)試，分析了光纖鏈路損耗大及以太網(wǎng)鏈路廣播風(fēng)暴發(fā)生的原因。對(duì)此，提出了利用機(jī)組調(diào)試及大小修期間加強(qiáng)光纖端面清潔檢驗(yàn)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口進(jìn)行速率限制以抑制網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的措施。實(shí)施處理措施后，該機(jī)組DCS網(wǎng)絡(luò)通信性能良好，滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

分散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；光纖鏈路；吞吐率；丟包率；廣播風(fēng)暴

20世紀(jì)80年代末開始，分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS) 逐步在大型火力發(fā)電機(jī)組控制中應(yīng)用，DCS不僅成為新建大機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)裝備，而且越來越多的中小機(jī)組也逐步完成了DCS改造。DCS在火力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，其功能已逐步擴(kuò)展到機(jī)、爐、電全廠控制以及外圍輔助系統(tǒng)，成為電廠控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

通信網(wǎng)絡(luò)是DCS的重要支柱，DCS的各個(gè)單元以及各個(gè)人機(jī)接口需要通訊系統(tǒng)連成一個(gè)有機(jī)整體。DCS網(wǎng)絡(luò)完成的是工業(yè)級(jí)的控制，不同于其他辦公用局域網(wǎng)絡(luò)，要求具有更高的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，并且適合在惡劣的工作環(huán)境下運(yùn)行。目前廠家和科研院所針對(duì)DCS的性能進(jìn)行了大量相關(guān)試驗(yàn)研究[1-5]，但是針對(duì)DCS通信網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)研究和試驗(yàn)開展較少，且主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率進(jìn)行測(cè)試，對(duì)以太網(wǎng)健康狀況、鏈路傳輸率、丟包率及廣播風(fēng)暴抑制功能沒有開展相關(guān)測(cè)試研究。

本文從對(duì)DCS網(wǎng)絡(luò)性能有重大影響的幾個(gè)方面入手，對(duì)光纖鏈路、以太網(wǎng)可靠性分析、雙向網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試、TCP吞吐率測(cè)試和反事故措施設(shè)置有效性測(cè)試。通過DCS網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)所存在的問題和隱患。

1 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該DCS是一個(gè)具有分層結(jié)構(gòu)的分級(jí)遞解系統(tǒng)，系統(tǒng)分為4級(jí)，第1級(jí)為帶輸入/輸出(I/O)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，第2級(jí)為過程管理級(jí)，第3級(jí)為生產(chǎn)管理級(jí)，第4級(jí)為全廠管理級(jí)。各級(jí)之間通過通信網(wǎng)絡(luò)相連，級(jí)內(nèi)各站點(diǎn)由本級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信聯(lián)系。如圖1所示。

圖1 DCS控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該廠1號(hào)機(jī)組DCS工業(yè)以太網(wǎng)由3個(gè)子網(wǎng)組成，分別為：C-NET A/B網(wǎng)、C-NET 公用A/B網(wǎng)和O-NET A/B網(wǎng)。其中C-NET網(wǎng)用于現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，其網(wǎng)絡(luò)從機(jī)柜控制器至服務(wù)器，O-NET網(wǎng)絡(luò)用于上層監(jiān)視控制級(jí)，其網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器到工程師站和操作員站，3個(gè)子網(wǎng)均采用A/B網(wǎng)雙冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于循環(huán)水系統(tǒng)及燃油系統(tǒng)距離熱工公用機(jī)柜較遠(yuǎn)，循環(huán)水泵房遠(yuǎn)程I/O及燃油泵房遠(yuǎn)程I/O數(shù)據(jù)采用光纖傳輸。

2 光纖鏈路健康質(zhì)量測(cè)試

一般情況下，光纖用于光的單向傳輸成對(duì)使用，分別用于發(fā)送和接收，本項(xiàng)目采用多模光纖，光以多路徑或多模式傳輸，但因模件色散較大，限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)加重，光信號(hào)損耗較多，因此多模光纖傳輸距離較近，但價(jià)格相對(duì)便宜。光纖及其連接頭的清潔度是影響光纖損耗性能的重要因素，因此對(duì)光纖的連接器、適配器、光纖模塊的I/O光口等部位的檢測(cè)是十分必要的。

2.1 測(cè)試方法

在對(duì)光纖鏈路的損耗測(cè)試中，根據(jù)被測(cè)鏈路光纖的實(shí)際長(zhǎng)度、連接器數(shù)量和接合點(diǎn)的數(shù)量來估計(jì)出該鏈路總損耗的限值，然后通過損耗測(cè)試來驗(yàn)證鏈路實(shí)際損耗是否在限制之內(nèi)。如果實(shí)際損耗超過了估算的限值，則說明光纖鏈路具有不正常的鏈路損耗，如有光纖損壞、光纜過度彎曲或捆扎、連接器或適配器質(zhì)量欠佳、結(jié)合效果不好、部件清潔程度不夠等，因此通過損耗測(cè)試可以對(duì)光纖鏈路的質(zhì)量和性能進(jìn)行檢查。

測(cè)試采用1號(hào)機(jī)組熱控電子間熱工公用DCS機(jī)柜至遠(yuǎn)程循環(huán)水泵房DCS機(jī)柜光纖部分，將熱工公用DCS的光纖連接頭接入智能光鏈路分析儀，用光纖端面分析儀對(duì)光纖端面清潔度進(jìn)行測(cè)試和檢查。

2.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)測(cè)試計(jì)算A網(wǎng)光纖鏈路長(zhǎng)度約768 m，連接頭損耗未達(dá)到GB/T 50312—2007《綜合布線系統(tǒng)工程驗(yàn)收規(guī)范》中對(duì)光纖鏈路損耗小于0.3 dB的參考值標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 A網(wǎng)光纖鏈路質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

B網(wǎng)光纖鏈路長(zhǎng)度約795 m，連接頭損耗未達(dá)到GB/T 50312—2007《綜合布線系統(tǒng)工程驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 B網(wǎng)光纖鏈路質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

利用端面分析儀對(duì)A、B網(wǎng)的光纖連接頭的端面進(jìn)行放大后的實(shí)際效果如圖4、圖5所示。

圖4 A網(wǎng)連接頭端面沾污效果

圖5 B網(wǎng)連接頭端面沾污效果

使用專用清潔工具對(duì)光纖連接頭及法蘭進(jìn)行清潔，清潔后的連接頭端面效果如圖6所示。

圖6 清潔后的連接頭端面效果

4條光纖鏈路的全程損耗指標(biāo)均小于PROFIBUS規(guī)范中對(duì)850 nm波長(zhǎng)多模光纖鏈路損耗不大于6 dB的典型值要求，但是其中B網(wǎng)光纖損耗達(dá)5.303 dB，已經(jīng)接近限制值，若不對(duì)電子間及循泵房就地電子間的光纖連接頭及座進(jìn)行潔凈度控制，將造成更大的反射及額外的光信號(hào)損耗，影響可靠運(yùn)行。建議對(duì)光纖端面及其連接裝置做全面清潔工作，并通過測(cè)試確保光纖鏈路沒有污損缺陷。

3 以太網(wǎng)健康質(zhì)量測(cè)試

對(duì)于DCS中的局域網(wǎng)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的故障分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律，約72%的網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生在開放系統(tǒng)互連參考模型(open system interconnect，OSI)7層協(xié)議的下3層[7]，因此性能測(cè)試主要集中在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)層，而這3層是網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟δ堋?jù)此有必要對(duì)該廠1號(hào)機(jī)組3個(gè)子網(wǎng)分別進(jìn)行不同負(fù)荷率工況下以太網(wǎng)幀健康分析、雙向網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試、TCP吞吐率測(cè)試和反事故措施設(shè)置有效性測(cè)試。

3.1 以太網(wǎng)可靠性分析

不同負(fù)荷率工況下以太網(wǎng)可靠性分析，按照一定網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷進(jìn)行測(cè)試，以衡量網(wǎng)絡(luò)OSI第二層即數(shù)據(jù)鏈路層在一定負(fù)荷下網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的速率是否滿足要求。

3.1.1 測(cè)試方法

將網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀器接到被監(jiān)測(cè)的以太網(wǎng)鏈路兩端，選擇從操作員站(IP：192.16.8.190)到服務(wù)器(IP：192.16.8.12)加載40 Mbps的負(fù)荷率，分別對(duì)A/B網(wǎng)各層交換機(jī)的接入端口鏈路和級(jí)聯(lián)端口鏈路之間的傳輸速率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試其性能指標(biāo)。

3.1.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，接入鏈路之間的傳輸速率以及操作員層交換機(jī)接入端口和服務(wù)器層交換機(jī)接入端口鏈路之間的傳輸速率滿足GB/T 21671—2008《基于以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)評(píng)規(guī)范》在100%流量情況下利用率達(dá)到99%以上的標(biāo)準(zhǔn)。如圖7、圖8所示。

圖7 A網(wǎng)負(fù)荷率為39.1 Mbps時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖8 B網(wǎng)負(fù)荷率為39.7 Mbps時(shí)的測(cè)試結(jié)果

3.2 雙向網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試

以太網(wǎng)雙向網(wǎng)絡(luò)分析，按照一定網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率進(jìn)行測(cè)試，以衡量網(wǎng)絡(luò)對(duì)主機(jī)即操作員站與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信性能情況。

3.2.1 測(cè)試方法

將網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀接到被測(cè)鏈路的兩端，以操作員站為發(fā)送端(IP：192.16.8.190)，服務(wù)器為接收端(IP：192.16.8.12)，發(fā)送20 Mbps的流量負(fù)荷分別對(duì)A/B網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試，統(tǒng)計(jì)從發(fā)送端到接收端經(jīng)歷的時(shí)間、在接收端測(cè)試數(shù)據(jù)幀丟失的比例等數(shù)據(jù)。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延不超過1 ms、丟包率不超過0.1%，均滿足GB/T 21671—2008局域網(wǎng)系統(tǒng)性能的要求，如圖9、圖10所示。

圖9 A網(wǎng)負(fù)荷率為20 Mbps時(shí)的測(cè)試結(jié)果

圖10 B網(wǎng)負(fù)荷率為20 Mbps時(shí)的測(cè)試結(jié)果

3.3 TCP吞吐率測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)流量是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的最直接載體，它能夠直接反映網(wǎng)絡(luò)性能的好壞，理想狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)能夠承載任何突發(fā)流量，直至超過網(wǎng)絡(luò)的最大吞吐率[8]。TCP吞吐率測(cè)試是根據(jù)ABB DCS基于TCP協(xié)議進(jìn)行通信而進(jìn)行的測(cè)試，以衡量網(wǎng)絡(luò)承載DCS監(jiān)視和操作業(yè)務(wù)的應(yīng)用承載性能。

3.3.1 測(cè)試方法

將網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀接到被測(cè)鏈路的兩端，以操作員站為發(fā)送端(IP：192.16.8.190)，服務(wù)器為接收端(IP：192.16.8.12)，發(fā)送端自動(dòng)增加或減少發(fā)送的幀速率，使接收端測(cè)出被測(cè)鏈路在未丟包的情況下能夠處理的最大幀速率。

3.3.2 測(cè)試結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)上兩個(gè)端點(diǎn)設(shè)備間的吞吐率取決于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口卡和網(wǎng)絡(luò)帶寬、交換部件(路由器或交換機(jī)等)的速度。測(cè)試結(jié)果表明，TCP吞吐率在100%流量情況下A、B網(wǎng)吞吐速率分別為94.61 Mbps、95.18 Mbps，吞吐率均達(dá)到94%以上，達(dá)到局域網(wǎng)系統(tǒng)吞吐率大于70%的要求，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的需要。

3.4 反事故措施測(cè)試

在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)包到本地網(wǎng)段上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為廣播。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)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)幀占用網(wǎng)絡(luò)帶寬和設(shè)備資源，引起網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓，這就是廣播風(fēng)暴[9-10]。網(wǎng)絡(luò)中引發(fā)廣播風(fēng)暴的原因有很多，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障、病毒入侵等。

3.4.1 測(cè)試方法

利用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀在操作員站(IP：192.16.12.190)模擬廣播數(shù)據(jù)，逐漸增大廣播速率，直到控制器CPU負(fù)荷率過高，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障為止，查看交換機(jī)是否具有抑制廣播風(fēng)暴的能力。

3.4.2 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)在操作員站(IP：192.16.12.190)模擬速率為40 Mbps的廣播數(shù)據(jù)，服務(wù)器(IP：192.16.12.12)可以接收到40 Mbps的廣播數(shù)據(jù)包，連接網(wǎng)絡(luò)的A、B網(wǎng)控制器全部自動(dòng)斷開，操作員站離線，監(jiān)控畫面失效，需要對(duì)控制器和交換機(jī)進(jìn)行人工手動(dòng)復(fù)位才能恢復(fù)正常，如圖11所示。

圖11 廣播風(fēng)暴抑制測(cè)試結(jié)果

DCS網(wǎng)絡(luò)一定要具備抑制廣播風(fēng)暴的功能，否則在廣播風(fēng)暴發(fā)生時(shí)會(huì)釀成嚴(yán)重后果，對(duì)生產(chǎn)造成重大損失。建議在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上添加廣播風(fēng)暴抑制的設(shè)置，將每個(gè)交換機(jī)接口廣播風(fēng)暴的速率限制在DCS正常運(yùn)行的負(fù)荷速率以下。

目前，國(guó)內(nèi)發(fā)電廠對(duì)DCS網(wǎng)絡(luò)性能要求還未形成標(biāo)準(zhǔn)，不同型號(hào)、不同廠家的DCS網(wǎng)絡(luò)性能千差萬別，為了防止由于DCS網(wǎng)絡(luò)造成的事故，需要加快形成DCS網(wǎng)絡(luò)性能要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的問題及建議

a) 光纖鏈路質(zhì)量測(cè)試表明光纖連接端面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境非常敏感，應(yīng)利用機(jī)組調(diào)試及大小修期間對(duì)光纖連接端面潔凈度進(jìn)行檢測(cè)，保持光纖連接端面的清潔度，確保整個(gè)光纖鏈路質(zhì)量沒有污損和缺陷，最大程度降低反射及額外的光信號(hào)損耗。

b) 以太網(wǎng)質(zhì)量測(cè)試表明在正常情況下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備滿足DCS的工作要求，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有對(duì)廣播風(fēng)暴的抑制機(jī)制，當(dāng)廣播風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，所有連接網(wǎng)絡(luò)的A、B網(wǎng)控制器全部自動(dòng)斷開，操作員站離線，對(duì)整個(gè)DCS具有嚴(yán)重的故障隱患，建議在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上添加廣播風(fēng)暴抑制的設(shè)置，將每個(gè)交換機(jī)接口廣播風(fēng)暴的速率限制在DCS正常運(yùn)行的負(fù)荷速率以下。

5 結(jié)束語

DCS網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試是確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)長(zhǎng)期、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的一種有效手段和監(jiān)督機(jī)制，通過DCS網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試，可以使發(fā)電企業(yè)及時(shí)掌握機(jī)組網(wǎng)絡(luò)健康狀況，對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在的問題進(jìn)行整改從而得到及時(shí)處理，滿足機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

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(編輯 王朋)

Network Communication Performance Test for Distributed Control System of Large-scale Thermal Power Unit

LIU Zhe1, LIU Lin2

(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2.Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China)

In allusion to problems of distributed control system (DCS) based communication network of one 1 000 MW ultra-supercritical coal-fired generating unit during capital construction commissioning, this paper analyzes reasons for big loss of fiber optic link and broadcast storm of Ethernet link on the basis of performance test for DCS network communication.It presents measures such as strengthening cleaning examination on fiber end facc during the period of unit commissioning, overhaul or minor repair, adopting speed rate limitation at the port of network equipment so as to restrict network storm.After taking these measures, performance of DCS network communication is proved to be good and feasible to satisfy requirement for safe and stable operation.

distributed control system network; fiber optic link; throughput; packet loss rate; broadcast storm

2016-06-21

2016-09-08

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.010

TM621

A

1007-290X(2016)11-0047-05

劉哲(1985)，男，河北石家莊人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事科技成果轉(zhuǎn)化及火電廠熱工控制方面的試驗(yàn)和研究。

劉林(1986)，女，湖南湘鄉(xiāng)人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電能計(jì)量、控制系統(tǒng)等方面研究。