瞿華鎮(zhèn) 楊明軒

智能變電站網(wǎng)絡通信測試方法研究

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)絡通信性能直接影響保護裝置運行的穩(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)絡通信的測試機理，然后分析智能變電站網(wǎng)絡通信典型故障形態(tài)，最后針對其網(wǎng)絡數(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的實施方案。試驗表明，該方案滿足智能變電站網(wǎng)絡通信測試基本要求，可有效提升智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)運維能力。

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

0 引言

我國正深入推進以“全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化”為基本特征的智能變電站建設。智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)基本遵循IEC 61850標準進行構建，并將通信網(wǎng)絡在功能邏輯上分為站控層、間隔層、過程層，各層使用開放結構實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。全站的網(wǎng)絡架構呈現(xiàn)“三層兩網(wǎng)”，站控層和間隔層設備由站控層網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)，間隔層和過程層設備由過程層網(wǎng)絡負責連接[1-2]。

智能變電站網(wǎng)絡結構和網(wǎng)絡環(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)絡涉及的設備，包括后臺監(jiān)控主機、五防系統(tǒng)、遠動等[3-5]。站控層網(wǎng)絡傳輸?shù)膱笪陌ㄖ圃靾笪囊?guī)范（manufacturing message specification, MMS）、面向通用對象的變電站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）、地址解析協(xié)議（address resolution protocol, ARP）等。過程層網(wǎng)絡涉及的設備同樣種類各異、數(shù)量眾多，包括合并單元、智能終端、電子式互感器、數(shù)字化保護測控等[6]。過程層網(wǎng)絡傳輸?shù)耐ㄐ艌笪囊步^非單一報文，一般摻雜采樣值（sampled value, SV）報文和GOOSE報文。網(wǎng)絡報文作為智能變電站設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)絡異常都可能導致電力系統(tǒng)重大事故[7-8]。為了保障國家電力安全，電力運維人員需要通過某種手段或方法準確測試智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并且在智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)生故障時能夠快速確定問題原因。

目前，針對智能變電站網(wǎng)絡通信測試方面，國內(nèi)學者和研究人員做了大量研究。文獻[9]在對實際智能變電站網(wǎng)絡結構進行分析的基礎上，搭建了500kV智能變電站過程層網(wǎng)絡測試系統(tǒng)，解決了商用網(wǎng)絡測試設備報文類型與智能變電站不符的問題；文獻[10]設計了網(wǎng)絡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)絡分析技術合二為一，解決了傳統(tǒng)測試方法很難將網(wǎng)絡報文數(shù)據(jù)和故障錄波數(shù)據(jù)進行關聯(lián)并綜合分析的問題。本文在此基礎上，對智能變電站網(wǎng)絡環(huán)境和網(wǎng)絡報文作進一步研究，有針對性地提出一種網(wǎng)絡閉環(huán)測試方法，并基于該方法的特性提出對應的硬件平臺方案和軟件系統(tǒng)設計思路。

1 智能變電站網(wǎng)絡測試機理

1.1 測試系統(tǒng)架構

當前，雖然國內(nèi)多數(shù)地區(qū)都在大力推進智能變電站建設，但是仍普遍存在電力運維人員對各自轄區(qū)內(nèi)智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)測試不足的問題。究其原因，除了部分地區(qū)運維人員對智能變電站網(wǎng)絡結構的合理性和重要性認識不足，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備為對象，難以準確考察實際網(wǎng)絡運行環(huán)境對設備運行產(chǎn)生的影響[11]。

本文針對智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)存在的諸多實景測試需求，提出一種網(wǎng)絡環(huán)境自適應的閉環(huán)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備大流量站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)模擬功能，能夠根據(jù)實際網(wǎng)絡配置按設定的時間間隔輸出SV、GOOSE、MMS等報文，同時可以實現(xiàn)多種故障報文異常反演功能，可以對變電站整個網(wǎng)絡系統(tǒng)進行多維度、完整的測試[12]。智能變電站網(wǎng)絡測試系統(tǒng)架構如圖1所示。

1.2 測試報文結構

智能變電站網(wǎng)絡閉環(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)導入的智能變電站全站系統(tǒng)配置（substation configuration description, SCD）文件[13]，對待測智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)環(huán)境進行實境重構，通過提取SCD文件中關鍵字信息和通道屬性，設定測試報文端口信息、報文類型、報文大小等特征字段，從而自動生成待發(fā)送的測試報文。

圖1 智能變電站網(wǎng)絡測試系統(tǒng)架構

為了滿足智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)中多種網(wǎng)絡裝置在功能和性能方面的測試要求，需要發(fā)送的測試報文可以靈活多變[14]。同時，測試系統(tǒng)需要對接收到的網(wǎng)絡報文進行閉環(huán)分析，因此，在標準以太網(wǎng)報文幀結構的基礎上，添加多個測試所需的特征字段。測試報文幀格式如圖2所示。

圖2 測試報文幀格式

測試標簽由6部分組成，總共20個字節(jié)。

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

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

流序號：字段長度為1個字節(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：字段長度為4個字節(jié)，用于區(qū)分某個數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。

時標：字段長度為8個字節(jié)，用于區(qū)分某個數(shù)據(jù)流的時延信息。

校驗碼：字段長度為2個字節(jié)，用于測試報文測試標簽字段的通信校驗。

2 網(wǎng)絡通信異常分析

2.1 鏈路中斷

智能變電站的建設多分布在偏遠郊區(qū)，站內(nèi)各種網(wǎng)絡設備所處的工作環(huán)境惡劣，空氣中粉塵、水分及腐蝕性介質(zhì)日益侵入，會嚴重影響光通信模塊的靈敏度，一旦條件達到臨界點就會導致通信鏈路中斷[15]。

通信鏈路中斷通常會造成設備的通信功能喪失，包括報文發(fā)送、報文接收和報文轉發(fā)功能。由于鏈路中斷會影響通信系統(tǒng)的可靠性，因而對保護設備正常運行造成一定威脅[16]。因此，運維人員需要在保護裝置發(fā)出斷鏈警告時，對通信異常情況進行必要的測試，然后根據(jù)測試結果及時準確地判定當前斷鏈警告為一般性警告或嚴重性警告，進而為后續(xù)選擇故障排除方法提供有力參考。

因此，針對設備網(wǎng)絡鏈路中斷的問題可分兩個方面進行測試。一方面，通過測試系統(tǒng)模擬通信鏈路異常，觀察待測保護設備是否能夠識別通信鏈路異常問題并正確發(fā)出相應的告警信號。另一方面，通過測試系統(tǒng)串接監(jiān)測保護裝置所處的通信網(wǎng)絡，統(tǒng)計各個裝置收發(fā)報文流量的理論值和實際值，分析判定網(wǎng)絡系統(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)絡設備在通信正常的情況下，不會向變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)送異常幀，也不會接收或轉發(fā)任何異常幀。由于受到外部電磁輻射干擾等因素影響，導致保護裝置或其他網(wǎng)絡設備的報文發(fā)送或者報文接收物理模塊受損，從而影響網(wǎng)絡裝置正常的網(wǎng)絡通信功能。

若網(wǎng)絡裝置的報文發(fā)送模塊受損，則可能導致該設備向通信網(wǎng)絡注入異常幀。若網(wǎng)絡裝置的報文接收模塊受損，則可能導致該網(wǎng)絡設備接收并繼續(xù)轉發(fā)異常幀。常見的以太網(wǎng)通信異常幀包括前導碼錯誤幀、循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）錯誤幀、超長幀、超短幀等。

因此，針對設備網(wǎng)絡通信異常幀的測試主要分兩個方面進行。一方面，可以通過測試系統(tǒng)給單個設備或多個設備定向注入異常幀，觀測待測網(wǎng)絡設備是否繼續(xù)轉發(fā)該異常幀。另一方面，通過測試系統(tǒng)串接監(jiān)測整個變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)，通過濾鏡測試判定網(wǎng)絡系統(tǒng)中是否存在異常幀。

2.3 網(wǎng)絡風暴

網(wǎng)絡風暴對于保護設備的影響十分惡劣，其會在短時間內(nèi)快速搶占中央處理器（central processing unit, CPU）資源，輕則導致通信網(wǎng)絡性能下降，重則導致整個通信網(wǎng)絡癱瘓，嚴重威脅著保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性[17-18]。

智能變電站網(wǎng)絡通信設備需要具備一定的防范外部環(huán)境輸入網(wǎng)絡風暴影響其正常通信功能的能力。同時，變電站內(nèi)的各個網(wǎng)絡裝置不能因為本身設備故障向網(wǎng)絡系統(tǒng)輸出網(wǎng)絡風暴。比如，由于某個設備內(nèi)部時鐘發(fā)生異常，導致保護設備每秒實際報文發(fā)送量遠遠高于理論數(shù)值4 000幀，當通信網(wǎng)絡中出現(xiàn)此類原因引發(fā)的網(wǎng)絡風暴時，其他正常的保護裝置應能有效應對。

因此，針對此類網(wǎng)絡風暴的測試需要分兩步進行。第一步，通過測試系統(tǒng)實時監(jiān)視待測設備的報文發(fā)送情況，統(tǒng)計其在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)送的所有報文，當報文統(tǒng)計數(shù)值明顯大于其理論數(shù)值時，即可判定待測設備報文發(fā)送頻率異常引起網(wǎng)絡風暴。第二步，可以通過測試系統(tǒng)向變電站通信網(wǎng)絡注入網(wǎng)絡風暴報文，監(jiān)視待測設備通信功能是否受到影響，從而判定待測設備是否能夠有效處理網(wǎng)絡風暴。

2.4 通信時延

智能變電站網(wǎng)絡節(jié)點通信時延計算的準確性依賴于硬件設備的時鐘精度，若網(wǎng)絡設備的內(nèi)部時間精度不夠，則網(wǎng)絡節(jié)點鏈路傳輸延時計算會不準，最終導致網(wǎng)絡設備延時補償異常。智能變電站需要對系統(tǒng)中所有網(wǎng)絡設備通信時延進行準確測試，包括時延最大值、時延最小值、時延平均值等。

3 閉環(huán)測試系統(tǒng)設計

3.1 硬件平臺設計

智能變電站網(wǎng)絡閉環(huán)測試系統(tǒng)需要模擬現(xiàn)場實際網(wǎng)絡環(huán)境，對全站網(wǎng)絡設備進行集中調(diào)試或單設備檢驗測試，因此需要測試系統(tǒng)具有強大的數(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變電站對站內(nèi)通信網(wǎng)絡的測試需求。

網(wǎng)絡閉環(huán)測試平臺采用FPGA+精簡指令集架構中央處理器（performance optimization with enhancedRISC-performance computing, POWERPC）+上位機的硬件架構，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產(chǎn)權模塊，負責系統(tǒng)對外硬件接口的控制邏輯擴展功能。POWERPC處理器選用NXP公司的多核浮點系列產(chǎn)品P2020，具有良好的數(shù)據(jù)處理能力，方便系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)運算。上位機采用工業(yè)級高性能X86 CPU運行Windows操作系統(tǒng)，使用QT圖形高級測試軟件，測試軟件中包含多種測試功能模塊，各個功能模塊之間實現(xiàn)邏輯高度解耦，每個功能既能獨立運行，又能像“搭積木”一樣進行自由組合，自動創(chuàng)建測試腳本，從而實現(xiàn)組合功能測試。網(wǎng)絡閉環(huán)測試平臺的硬件系統(tǒng)架構如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡閉環(huán)測試平臺硬件系統(tǒng)架構

3.2 FPGA邏輯設計

測試系統(tǒng)需要實現(xiàn)閉環(huán)網(wǎng)絡測試，對于FPGA網(wǎng)口功能而言，需要各個功能網(wǎng)口支持多流發(fā)送、接收和統(tǒng)計，此為上位機軟件所有業(yè)務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，每個發(fā)送功能模塊最多支持32個樣本流同時發(fā)送。測試開始后，發(fā)送功能模塊會首先從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)寄存器要求進行，發(fā)送間隔按照流1發(fā)送幀間隔寄存器要求進行。第1個樣本發(fā)送完成后再從RAM中取出第2個樣本，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)寄存器要求進行，發(fā)送間隔按照流2發(fā)送幀間隔寄存器要求進行。依此類推，發(fā)送功能模塊繼續(xù)進行其他已配置樣本的發(fā)送任務，直至發(fā)送控制邏輯檢測到樣本流發(fā)送總幀數(shù)達到發(fā)送總幀數(shù)寄存器設定值，才會停止當前發(fā)送任務，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)送任務的控制邏輯同上，在每次發(fā)送任務完成后，POWERPC處理器需要更新下一次任務的發(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。依此類推，最終實現(xiàn)軟件測試邏輯所需的報文發(fā)送任務。

圖4 FPGA網(wǎng)口功能模塊內(nèi)部邏輯框圖

測試系統(tǒng)中每個網(wǎng)口的接收功能模塊支持報文丟幀統(tǒng)計、通信時延值統(tǒng)計、通信時延抖動值統(tǒng)計、報文流量分類統(tǒng)計等多種功能。每個接收功能模塊最多支持32個樣本流的接收統(tǒng)計任務，每個數(shù)據(jù)流在FPGA內(nèi)部分配一套完整的統(tǒng)計寄存器。測試開始后，接收功能模塊會根據(jù)用戶設定模式進行接收統(tǒng)計。首先FPGA根據(jù)識別樣本中特征字段的流序號，判定當前接收到的樣本屬于第幾個流的數(shù)據(jù)，然后將其接收過程中的統(tǒng)計結果，填寫到對應組別的寄存器供上位機訪問。然后POWERPC處理器根據(jù)軟件應用邏輯的需求實時獲取FPGA接收功能模塊對應寄存器的統(tǒng)計數(shù)值，判定測試是否需要繼續(xù)進行。同時，POWERPC處理器會將實時測試數(shù)值上送上位機軟件，最終經(jīng)過圖形化的用戶界面對測試結果和數(shù)據(jù)進行直觀展示。

3.3 軟件設計思路

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

智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)測試與故障精準定位軟件應該采用模塊化一鍵閉環(huán)測試技術進行設計。操作人員可以通過簡便操作，對變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)測試項進行自由增減。在軟件模塊化設計過程中，為了達到快速配置或一鍵配置的目的，應充分考慮不同電壓等級、不同測試環(huán)境的參數(shù)差異，對添加參與一鍵測試模塊的數(shù)據(jù)進行自動檢查，對不合理的參數(shù)給出告警提示，對不正確的配置項進行彈框提示。

同時，測試軟件應支持模塊的重復添加功能，以滿足相同功能不同參數(shù)的應用場景需求；應支持“斷點續(xù)測”功能，以滿足某些應用場景需要中途人工介入測試閉鎖測試項，然后等待用戶干預完畢繼續(xù)測試的復雜應用場景需求。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 測試驗證

為驗證智能變電站網(wǎng)絡通信測試方法，選用一種相對簡單的測試拓撲進行試驗測試，將測試儀的4個端口與交換機的4個端口直接相連，具體測試網(wǎng)絡組網(wǎng)架構如圖6所示。

4.1 鏈路中斷驗證

測試儀通過實時監(jiān)視交換機端口流量信息，判斷網(wǎng)絡鏈路中斷情況。測試示例通過對交換機端口1施加50Mbit/s左右流量，實時監(jiān)控交換機端口2的流量信息，當斷開交換機端口1與測試儀的連接時，測試儀監(jiān)測到交換機端口2的流量數(shù)據(jù)從50Mbit/s銳減到0Mbit/s，即驗證網(wǎng)絡鏈路中斷情況。交換機端口2流量變化曲線如圖7所示。

圖6 測試網(wǎng)絡組網(wǎng)架構

圖7 交換機端口2流量變化曲線

4.2 異常報文監(jiān)視

測試儀通過對接收的數(shù)據(jù)幀進行分析，判斷報文數(shù)據(jù)結構正確性。測試示例通過對交換機端口1施加循環(huán)冗余校驗錯誤幀、超長幀、超短幀，實時監(jiān)控交換機端口2的報文分析數(shù)據(jù)，測試儀實時展示交換機端口2分析出的異常數(shù)據(jù)見表1。

表1 異常報文監(jiān)視數(shù)據(jù)

4.3 網(wǎng)絡風暴

測試儀支持發(fā)送網(wǎng)絡風暴，通過導入各種類型的數(shù)據(jù)報文作為風暴樣本，輸出網(wǎng)絡風暴數(shù)據(jù)。測試儀對交換機的端口1持續(xù)施加網(wǎng)絡風暴，同時監(jiān)視交換機的端口流量信息，根據(jù)當前流量和報文類型，提示告警類型為網(wǎng)絡風暴。網(wǎng)絡流量監(jiān)視數(shù)據(jù)見表2。

4.4 時延測試

測試儀具備網(wǎng)絡時延測試功能，測試儀通過記錄輸入和輸出報文時標信息，計算每一幀報文數(shù)據(jù)的時延值。測試儀可以測試交換機端口1與端口2、端口3與端口4之間的時延信息，記錄信息包括最大時延、最小時延和平均時延。時延測試數(shù)據(jù)見表3。

表2 網(wǎng)絡流量監(jiān)視數(shù)據(jù)

表3 時延測試數(shù)據(jù) 單位: ms

5 結論

傳統(tǒng)的智能變電站網(wǎng)絡測試方法往往無法真實模擬智能變電站網(wǎng)絡環(huán)境，無法針對智能變電站網(wǎng)絡系統(tǒng)進行閉環(huán)測試和故障重演。本文研究和實現(xiàn)的智能變電站網(wǎng)絡通信閉環(huán)測試系統(tǒng)，其硬件支持多種類型的測試報文同時發(fā)送、大流量數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計和大流量數(shù)據(jù)接收存儲，軟件支持用戶進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)基本滿足電力運維人員日常應用場景的測試需求，但其完備性仍需要經(jīng)過進一步長時間的工程應用來檢驗。此外，如何結合變電站運維場景需求的不斷變化對測試方法進行完善和優(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)自動化、電網(wǎng)規(guī)劃相關研究工作。