李大勇1，房亚囡1，王  洋1，杨  畅1，蔡  飞2，杨经超3

　　(1.国网天津市电力公司，天津300010；2.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学），湖北 武汉430074；

　　3.武汉凯默电气有限公司，湖北 武汉430000)

　　摘  要： 目前智能变电站中智能电子设备（IED）的网络测试缺乏充分的测试依据与有效的测试方法。本文对IED设备网络压力的产生机理展开分析，根据不同IED设备的功能特点提出了针对性的网络性能指标。在此基础上，探讨了网络压力测试的基本原则与方法，并研发了一款能够对IED设备网络性能各项指标进行测试的网络测试仪，对智能变电站网络的设计以及压力测试提供了指导性作用。

　　关键词： 智能变电站；网络压力测试；订阅报文

0 引言

　　智能变电站自动化系统由站控层、间隔层、过程层三部分组成[1]，如图1所示。三层之间采用分层、分区的开放式网络连接，取消了曾在传统变电站设备之间被大量使用的二次电缆。其中，智能开关的状态量、控制量以及电子式互感器采集的模拟量由过程层网络负责传输。然后通过以太网实现变电站事件报文、采样值报文以及网络对时报文在保护、测控、计量及故障录波等智能电子设备间的网络通信。与过程层网络功能和性能相关的设备主要包括：交换机、合并单元、智能终端、数字化保护测控装置、故障录波和网路报文记录装置，本文中简称为智能电子设备（IED）。

　　网络平台的引入使IED设备高度依赖网络报文的稳定传输，一旦网络出现异常，可能使IED设备的某些功能丧失，保护装置不能正常工作，严重时甚至连锁引发电力安全事故[2]。为了保证IED设备的网络性能指标满足电网安全稳定运行要求，需要对IED设备进行全面的网络压力测试。

　　目前国网大部分智能变电站主要采用“直采直跳”的模式，即智能变电站继电保护遵循直接采样、直接跳闸的原则[3]。但即使在“直采直跳”的模式下，SV网、GOOSE网依然存在，MU、保护装置及智能终端依然与SV网和GOOSE网相连，如图1所示，跨间隔的信息传输与共享仍然通过SV网和GOOSE网实现。若SV网和GOOSE网发生网络风暴，仍会对IED设备的组网造成较大网络压力，可能会影响其正常工作。因此，即使在“直采直跳”的模式下，仍需对IED设备进行全面的网络压力测试与性能评价。

　　随着智能变电站的发展，新一代智能变电站试点及推广及站域保护的引入，“网采网跳”和“三网合一”模式将更多地被采用，对IED设备网络可靠性及其耐压能力的要求将更高。

　　目前智能变电站过程层网络测试多是围绕着交换机进行，而较少涉及对智能电子设备（IED）的网络网性能测试。本文详细分析了智能变电站过程层网络压力产生的机理，以此为基础提出了IED设备应对网络压力应具备的性能要求。结合所分析的网络压力产生原因，介绍了网络压力测试的基本原则，并给出一种可实现的网络测试方式，为实际工程应用中网络压力测试提供依据。

1 网络压力产生的机理

　　网络压力产生机理主要有以下几个方面：

　　（1）IED设备故障，向网络重复发送报文

　　如前所述，对于一个500 kV智能变电站，接入过程层SV网或GOOSE网的IED设备数量庞大。若其中的一个或几个IED设备出现故障，该IED设备可能会向网络重复发送大流量的报文，且这些报文类型并不可测，可能为订阅报文，也可能为非订阅报文。由于其不可预测性，需考虑GOOSE报文的ST值、SQ值可能同时发生变化，此时IED对订阅报文的解析需精确到变位的通道层次，因而IED设备对内部CPU及内存资源的消耗最为严重。

　　（2）GOOSE心跳报文自然同步

　　在智能变电建设中，GOOSE网作为间隔层之间及间隔层与过程层之间通信的桥梁，其功能主要包括：传递遥信信息、间隔闭锁信息、保护跳闸以及遥控操作信息等[4]。对于一个500 kV智能变电站，网络中GOOSE控制块数目可达到300~400个[5]。每个控制块都是按照各自的时间基准并以T0(通常设为5 s)为时间间隔发送心跳报文，目前现场从运行维护角度出发倾向于GOOSE网络不作VLAN划分，网络中对于非订阅报文存在着一定数量的GOOSE控制块心跳报文自然同步的可能性，即在短时间内同时按T0时间间隔同步发送GOOSE报文，在很短的t时间内形成大量的GOOSE报文流量，网络压力陡增。对于订阅报文，目前单端口工程配置控制块数最多可达到15个，考虑最严峻的情况，最多会出现15个GOOSE控制块心跳报文自然同步。

　　（3）交换机“泛洪”

　　正常情况下交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在报文的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使报文直接由源地址到达目的地址。但是，如果配置错误，则报文始发者会向从未学习过的交换机端口发送报文，从而导致交换机泛洪，即将该端口收到的数据流从除该接口之外其他的端口发送出去，最终在交换机的其他端口产生流量压力。

　　（4）A、B网物理隔离破坏

　　目前智能变电站主要配置两套SV网和GOOSE网，称为A、B网，要求A、B网完全物理隔离，配置不同的CT、PT以及合并单元、保护装置等。若A、B网之间跨接了没有完全物理隔离的IED设备，或原隔离的物理设备损坏引起隔离被破坏，则会导致A、B网报文会互通，网络流量增加。

　　（5）开关量抖动

　　接入智能终端的硬接点开入量频繁抖动，使GOOSE报文中ST值频繁变化，导致报文雪崩，造成网络流量急剧上升。

　　（6）网络形成环路

　　由于外在的因素，使原来星形运行的网络形成环路，报文会在网络中被重复转发，导致网络中出现大量重复报文，增加网络流量。

　　（7）交换机异常

　　交换机VLAN配置运行过程中出现混乱，导致报文跨WLAN传输；亦或交换机自身向外发送以太网报文，均会造成网络流量的增加。

　　（8）检修时人为误操作

　　对于按间隔进行VLAN划分的交换机，在检修时测试仪或笔记本电脑接至过程层网络，因测试仪或笔记本电脑发送的报文VLAN配置错误，向网络上发送大量SV、GOOSE VLAN配置不正确的报文，形成非检修间隔的网络压力。这种压力报文可能是订阅的或非订阅的，对于GOOSE来说可能ST、SQ同时变化。

　　（9）自然灾害

　　台风、地震、冰灾等自然灾害引起大面积电力故障，保护频繁跳闸，导致短时间内产生大量GOOSE报文，网络压力骤增。

2 IED设备网络压力测试基本原则

　　首先对IED设备进行单装置测试，再进行IED设备整体网络性能测试。单装置测试，可直接对端口施加网络压力，不需要网络支撑。整体网络性能测试，在网络组建完成后进行，可比较完整地测试压力流量下跨间隔信息传递的正确性。

　　其次，在对IED设备进行网络压力测试时，应考虑网络的体系结构与底层的基础性作用，并且网络压力测试应自下而上进行，包括过程层网络测试与站控层网络测试。

　　此外，在对IED设备进行网络测试时，需对IED设备分别进行非订阅报文网络压力测试和订阅报文网络压力测试。订阅报文，即APPID、MAC地址与接收IED模型一致的报文，若有一个不一致，即为非订阅报文。对于非订阅报文， IED设备会对非订阅报文利用哈希算法进行过滤[6]，其原理如下：每个报文均含有长度为6 B的MAC地址，哈希算法利用这6 B的MAC地址进行计算，得出32位的CRC值，与特征值进行比较，若不匹配，则将其过滤。由于计算得出的CRC值是32位数据，而长度为6 B的MAC地址值是48位数据，而32位数据无法一一映射所有48位数据，因此不同的MAC地址值将会对应至相同的CRC值，两者之间的映射关系并非一一对应，会产生一定的重复，由此产生过滤“漏洞”[6-8]，因此仍需进行非订阅报文网络压力测试。

　　3 IED设备网络压力测试通用要求

　　建立IED设备通用网络模型如图2所示，该IED是一个通用的IED，并不一定是实际工程中的IED，其通信接口包含了各种可能的方式。通用模型中端口分为A、B两组，A组与B组端口为级联关系，如母线电压经线路合并单元级联输出，GOOSE分为单端口单链路（一根光纤中传输一个GOOSE控制块）与单端口多链路（一根光纤中传输多个GOOSE控制块）两类，端口B1为单向发送SV的端口，如合并单元的“直采”输出口；端口B2为单向接收SV端口，如保护装置的“直采”接收口；端口B3为接至交换机的SV端口；端口B6为SV、GOOSE共光纤共网传输端口。

　　对通用IED设备的网络压力性能提如下要求：

　　（1）输入通道上产生的网络压力不能影响到IED的输出通道，即A组端口上的压力，不能影响到B组端口。例如，端口A1的订阅报文及非订阅报文压力不能影响到端口B1的采样值报文输出，即直采输出口不能有丢帧、错序，时间均匀性及采样精度要满足要求。

　　（2）任何端口都不应该受非订阅报文网络流量异常的影响。即使依据哈希算法报文会漏过过滤，亦不能对IED运行造成影响。

　　（3）任何链路订阅报文的网络流量异常都不能影响其他端口链路的正常工作。

　　（4）对于多链路的端口，当出现一条链路订阅报文流量异常时，在极限压力（100 Mb/s情况下），应当不影响其他端口正常工作，本端口各链路在流量异常消失后端口能恢复正常工作。

　　（5）对于多链路的端口，应至少满足出现15条链路心跳报文自然同步时仍能正常工作的要求。

　　（6）站控层的网络流量异常，不应对保护的动作行为产生影响，即站控层MMS网产生压力时，保护的正确跳闸应不受影响。

　　上述要求实例化到“直采直跳”模式下的过程层主要IED设备，简要说明如下：

　　（1）合并单元：接至交换机上的组网口SV、GOOSE任何流量（订阅报文或非订阅报文流量）异常不能对直采口的SV输出产生影响，GOOSE与SV组网口不能相互影响；对于线路合并单元，母线级联电压SV输入流量异常，不能影响到输出的SV报文，包括线路电压电流的采样精度及“直采”输出口报文的时间均匀性、传输时延等。

　　（2）智能终端：接至交换机的组网口订阅报文及非订阅报文流量异常时不能对“直跳”端口产生影响；对于多链路端口，在15条链路心跳报文自然同步时能正常工作，单链路订阅报文极限压力流量下，允许端口丢失数据，但不影响其他端口链路工作，压力消失后本端口能恢复正常工作。

　　（3）保护装置：当组网口订阅的GOOSE报文发生流量异常时，不影响保护装置对正常报文的处理，不影响保护的“直采”、“直跳”功能；非订阅报文流量异常时，不能对经交换机转输的联闭锁信息产生影响，多链路端口满足心跳报文自然同步的要求，同时在压力极限条件下，不影响其他端口工作，压力消失后端口能恢复正常工作；站控层MMS网的网络流量异常时不能对保护正确跳闸产生影响。

4 网络压力测试的实现

　　天津电力公司与武汉凯默电气有限公司联合进行了智能变电站网络压力测试技术的研究，构建了网络压力测试平台，该平台具有交换机测试功能及智能变电站网络压力测试功能，平台软件主界面如图3所示。

　　该平台具有8对10M/100M自适应光电可互换的以太网接口，1路独立光IRIG-B码/PPS输入端口，2路独立光IRIG-B码/PPS输出端口，1路GPS天线接口，8路硬接点开入，8路硬接点开出，在网络压力测试方面，能够准确地输出两大类数据流：压力数据流及业务数据流。压力数据流又分为IEC61850机制压力数据流及流量机制压力数据流。IEC61850机制数据流是指SV按照设定的采样率、GOOSE按照T0、T1、T1、2T1、4T1…时间机制输出的数据流，流量机制数据流可输出SV、GOOSE及以太网报文，输出的报文均按流量设置，不受采样率、GOOSE机制限制，GOOSE输出过程中可进行ST、SQ变化。此外，在压力数据流输出的同时，又可配合输出业务数据流，输出的业务数据流可实现光数字报文输出、整组试验、GOOSE碰撞、智能终端测试、状态序列、电压电流、PTP测试等功能。

5 总结

　　本文详细分析了智能变电站网络压力产生的原因，包括GOOSE心跳报文自然同步、IED设备故障、交换机“泛洪”、A、B网物理隔离破坏和外部因素等原因。提出了IED设备网络压力测试的方法：先分别进行单装置测试，再进行IED设备整体性能测试；结合网络结构自下而上的特点，以非订阅报文和订阅报文两种形式分别进行网络压力测试。在此基础上提出了网络压力环境下对IED设备进行测试的具体要求，并阐述了测试方法，即以非订阅报文测试和订阅报文测试的形式，分别在被测试设备端口施加SV、GOSSE报文，测试IED设备能否对非订阅报文进行正常过滤，然后测试保护发生区内、区外故障且激励量满足动作条件时，被测试设备能否正确动作。本文的研究对智能变电站网络的设计以及压力测试等都有指导性作用。

参考文献

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