国网抚州供电公司瞿华镇、杨明轩：智能变电站网络通信测试方法研究

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智能变电站采用以太网传输采样值、开入量及参数配置信息，网络通信性能直接影响保护装置运行的稳定性和可靠性。智能变电站现场调试和现场检修过程中，网络通信故障通常缺乏有效测试和定位手段。 国网抚州供电公司的瞿华镇、杨明轩，在2023年第1期《电气技术》上撰文，首先介绍智能变电站网络通信的测试机理，然后分析智能变电站网络通信典型故障形态，最后针对其网络数据流特征提出一种基于大规模现场可编程门阵列技术的实施方案。试验表明，该方案满足智能变电站网络通信测试基本要求，可有效提升智能变电站网络系统运维能力。

我国正深入推进以“全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化”为基本特征的智能变电站建设。智能变电站网络系统基本遵循IEC 61850标准进行构建，并将通信网络在功能逻辑上分为站控层、间隔层、过程层，各层使用开放结构实现网络连接。全站的网络架构呈现“三层两网”，站控层和间隔层设备由站控层网络实现互联，间隔层和过程层设备由过程层网络负责连接。

智能变电站网络结构和网络环境，相较于传统变电站发生了巨大改变。其中，站控层网络涉及的设备，包括后台监控主机、五防系统、远动等。

站控层网络传输的报文包括制造报文规范（manufacturing message specification, MMS）、面向通用对象的变电站事件（generic object oriented substation event, GOOSE）、地址解析协议（address resolution protocol, ARP）等。过程层网络涉及的设备同样种类各异、数量众多，包括合并单元、智能终端、电子式互感器、数字化保护测控等。过程层网络传输的通信报文也绝非单一报文，一般掺杂采样值（sampled value, SV）报文和GOOSE报文。网络报文作为智能变电站设备间信息交互和共享的主要方式，其发送端、接收端及通信网络异常都可能导致电力系统重大事故。

为了保障国家电力安全，电力运维人员需要通过某种手段或方法准确测试智能变电站网络系统的健康状态，并且在智能变电站网络系统发生故障时能够快速确定问题原因。

目前，针对智能变电站网络通信测试方面，国内学者和研究人员做了大量研究。有文献在对实际智能变电站网络结构进行分析的基础上，搭建了500kV智能变电站过程层网络测试系统，解决了商用网络测试设备报文类型与智能变电站不符的问题；有文献设计了网络分析和故障录波一体化系统，将传统故障录波与新兴网络分析技术合二为一，解决了传统测试方法很难将网络报文数据和故障录波数据进行关联并综合分析的问题。

本文在此基础上，对智能变电站网络环境和网络报文作进一步研究，有针对性地提出一种网络闭环测试方法，并基于该方法的特性提出对应的硬件平台方案和软件系统设计思路。

1 智能变电站网络测试机理

1.1 测试系统架构

当前，虽然国内多数地区都在大力推进智能变电站建设，但是仍普遍存在电力运维人员对各自辖区内智能变电站网络系统测试不足的问题。究其原因，除了部分地区运维人员对智能变电站网络结构的合理性和重要性认识不足，主要原因还是缺乏简便有效的测试手段。传统测试方案多以单体设备为对象，难以准确考察实际网络运行环境对设备运行产生的影响。

本文针对智能变电站网络系统存在的诸多实景测试需求，提出一种网络环境自适应的闭环测试系统。该系统具备大流量站控层网络和过程层网络数据模拟功能，能够根据实际网络配置按设定的时间间隔输出SV、GOOSE、MMS等报文，同时可以实现多种故障报文异常反演功能，可以对变电站整个网络系统进行多维度、完整的测试。智能变电站网络测试系统架构如图1所示。

图1 智能变电站网络测试系统架构

1.2 测试报文结构

智能变电站网络闭环测试系统的核心是测试流量如何生成与发送。测试系统可以根据导入的智能变电站全站系统配置（substation configuration description, SCD）文件，对待测智能变电站网络系统环境进行实境重构，通过提取SCD文件中关键字信息和通道属性，设定测试报文端口信息、报文类型、报文大小等特征字段，从而自动生成待发送的测试报文。

为了满足智能变电站网络系统中多种网络装置在功能和性能方面的测试要求，需要发送的测试报文可以灵活多变。同时，测试系统需要对接收到的网络报文进行闭环分析，因此，在标准以太网报文帧结构的基础上，添加多个测试所需的特征字段。测试报文帧格式如图2所示。

图2 测试报文帧格式

测试标签由6部分组成，总共20个字节。

• 控制帧头：字段长度为4个字节，用于区分报文是否为测试系统发出的测试报文，内容固定为0XFEFE7070。

• 端口ID：字段长度为1个字节，用于区分测试报文发出的端口。

• 流序号：字段长度为1个字节，用于区分测试系统不同端口发出的不同数据流内容。

• 数据序号：字段长度为4个字节，用于区分某个数据流的连续性。

• 时标：字段长度为8个字节，用于区分某个数据流的时延信息。

• 校验码：字段长度为2个字节，用于测试报文测试标签字段的通信校验。

2 网络通信异常分析

2.1 链路中断

智能变电站的建设多分布在偏远郊区，站内各种网络设备所处的工作环境恶劣，空气中粉尘、水分及腐蚀性介质日益侵入，会严重影响光通信模块的灵敏度，一旦条件达到临界点就会导致通信链路中断。

通信链路中断通常会造成设备的通信功能丧失，包括报文发送、报文接收和报文转发功能。由于链路中断会影响通信系统的可靠性，因而对保护设备正常运行造成一定威胁。因此，运维人员需要在保护装置发出断链警告时，对通信异常情况进行必要的测试，然后根据测试结果及时准确地判定当前断链警告为一般性警告或严重性警告，进而为后续选择故障排除方法提供有力参考。

因此，针对设备网络链路中断的问题可分两个方面进行测试。一方面，通过测试系统模拟通信链路异常，观察待测保护设备是否能够识别通信链路异常问题并正确发出相应的告警信号。另一方面，通过测试系统串接监测保护装置所处的通信网络，统计各个装置收发报文流量的理论值和实际值，分析判定网络系统是否存在通信链路中断问题。

2.2 异常帧

智能变电站网络设备在通信正常的情况下，不会向变电站网络系统发送异常帧，也不会接收或转发任何异常帧。由于受到外部电磁辐射干扰等因素影响，导致保护装置或其他网络设备的报文发送或者报文接收物理模块受损，从而影响网络装置正常的网络通信功能。

若网络装置的报文发送模块受损，则可能导致该设备向通信网络注入异常帧。若网络装置的报文接收模块受损，则可能导致该网络设备接收并继续转发异常帧。常见的以太网通信异常帧包括前导码错误帧、循环冗余校验（cyclic redundancy check, CRC）错误帧、超长帧、超短帧等。

因此，针对设备网络通信异常帧的测试主要分两个方面进行。一方面，可以通过测试系统给单个设备或多个设备定向注入异常帧，观测待测网络设备是否继续转发该异常帧。另一方面，通过测试系统串接监测整个变电站网络系统，通过滤镜测试判定网络系统中是否存在异常帧。

2.3 网络风暴

网络风暴对于保护设备的影响十分恶劣，其会在短时间内快速抢占中央处理器（central processing unit, CPU）资源，轻则导致通信网络性能下降，重则导致整个通信网络瘫痪，严重威胁着保护系统的稳定性。

智能变电站网络通信设备需要具备一定的防范外部环境输入网络风暴影响其正常通信功能的能力。同时，变电站内的各个网络装置不能因为本身设备故障向网络系统输出网络风暴。比如，由于某个设备内部时钟发生异常，导致保护设备每秒实际报文发送量远远高于理论数值4000帧，当通信网络中出现此类原因引发的网络风暴时，其他正常的保护装置应能有效应对。

因此，针对此类网络风暴的测试需要分两步进行。第一步，通过测试系统实时监视待测设备的报文发送情况，统计其在规定时间内发送的所有报文，当报文统计数值明显大于其理论数值时，即可判定待测设备报文发送频率异常引起网络风暴。第二步，可以通过测试系统向变电站通信网络注入网络风暴报文，监视待测设备通信功能是否受到影响，从而判定待测设备是否能够有效处理网络风暴。

2.4 通信时延

智能变电站网络节点通信时延计算的准确性依赖于硬件设备的时钟精度，若网络设备的内部时间精度不够，则网络节点链路传输延时计算会不准，最终导致网络设备延时补偿异常。智能变电站需要对系统中所有网络设备通信时延进行准确测试，包括时延最大值、时延最小值、时延平均值等。

因此，测试设备采用高精度晶振，并基于网络报文接收模块硬件时间戳和网络报文发送模块硬件时间戳，对报文网络通信时延进行计算。

式（1）

3 闭环测试系统设计

3.1 硬件平台设计

智能变电站网络闭环测试系统需要模拟现场实际网络环境，对全站网络设备进行集中调试或单设备检验测试，因此需要测试系统具有强大的数据处理能力。现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）处理器凭借其独有的并行处理能力，以及丰富的高速通信接口，可以胜任不同电压等级变电站对站内通信网络的测试需求。

网络闭环测试平台采用FPGA+精简指令集架构中央处理器（performance optimization with enhanced RISC-performance computing, POWERPC）+上位机的硬件架构，其中可编程逻辑门阵列选用Xilinx公司低功耗工艺K7系列FPGA，该系列集成了丰富的硬核知识产权模块，负责系统对外硬件接口的控制逻辑扩展功能。POWERPC处理器选用NXP公司的多核浮点系列产品P2020，具有良好的数据处理能力，方便系统进行大数据运算。

上位机采用工业级高性能X86 CPU运行Windows操作系统，使用QT图形高级测试软件，测试软件中包含多种测试功能模块，各个功能模块之间实现逻辑高度解耦，每个功能既能独立运行，又能像“搭积木”一样进行自由组合，自动创建测试脚本，从而实现组合功能测试。网络闭环测试平台的硬件系统架构如图3所示。

图3 网络闭环测试平台硬件系统架构

3.2 FPGA逻辑设计

测试系统需要实现闭环网络测试，对于FPGA网口功能而言，需要各个功能网口支持多流发送、接收和统计，此为上位机软件所有业务要求功能的最大集合。FPGA网口功能模块内部逻辑框图如图4所示。

图4 FPGA网口功能模块内部逻辑框图

测试系统中每个网口的发送功能模块，在FPGA内部都分配有一片RAM用于缓存发送样本包，每个发送功能模块最多支持32个样本流同时发送。测试开始后，发送功能模块会首先从RAM中取出第1样本包，发送过程受第1组寄存器控制。其中，发送帧数按照流1发送帧数寄存器要求进行，发送间隔按照流1发送帧间隔寄存器要求进行。

第1个样本发送完成后再从RAM中取出第2个样本，发送过程受第2组寄存器控制。其中，发送帧数按照流2发送帧数寄存器要求进行，发送间隔按照流2发送帧间隔寄存器要求进行。依此类推，发送功能模块继续进行其他已配置样本的发送任务，直至发送控制逻辑检测到样本流发送总帧数达到发送总帧数寄存器设定值，才会停止当前发送任务，除非在测试数据流发送过程中收到POWERPC处理器发出的停止测试命令。

如果涉及流量序列测试，则单次发送任务的控制逻辑同上，在每次发送任务完成后，POWERPC处理器需要更新下一次任务的发送控制寄存器及样本包数据，然后开始下一次的发送任务。依此类推，最终实现软件测试逻辑所需的报文发送任务。

测试系统中每个网口的接收功能模块支持报文丢帧统计、通信时延值统计、通信时延抖动值统计、报文流量分类统计等多种功能。每个接收功能模块最多支持32个样本流的接收统计任务，每个数据流在FPGA内部分配一套完整的统计寄存器。

测试开始后，接收功能模块会根据用户设定模式进行接收统计。首先FPGA根据识别样本中特征字段的流序号，判定当前接收到的样本属于第几个流的数据，然后将其接收过程中的统计结果，填写到对应组别的寄存器供上位机访问。然后POWERPC处理器根据软件应用逻辑的需求实时获取FPGA接收功能模块对应寄存器的统计数值，判定测试是否需要继续进行。同时，POWERPC处理器会将实时测试数值上送上位机软件，最终经过图形化的用户界面对测试结果和数据进行直观展示。

3.3 软件设计思路

在智能变电站现场进行网络设备的测试时，由于测试选项繁多，涉及跨专业等多重限制，电力运维人员往往不能很好地参与整个测试过程。很多网络故障隐蔽性强，若仅进行单一、简单的功能项测试，则往往在短时间内无法发现问题。因此，需要网络测试软件能够针对网络设备的不同功能和性能进行测试。

智能变电站网络系统测试与故障精准定位软件应该采用模块化一键闭环测试技术进行设计。操作人员可以通过简便操作，对变电站网络系统测试项进行自由增减。在软件模块化设计过程中，为了达到快速配置或一键配置的目的，应充分考虑不同电压等级、不同测试环境的参数差异，对添加参与一键测试模块的数据进行自动检查，对不合理的参数给出告警提示，对不正确的配置项进行弹框提示。

同时，测试软件应支持模块的重复添加功能，以满足相同功能不同参数的应用场景需求；应支持“断点续测”功能，以满足某些应用场景需要中途人工介入测试闭锁测试项，然后等待用户干预完毕继续测试的复杂应用场景需求。软件系统模块化一键测试流程如图5所示。

图5 软件系统模块化一键测试流程

4 测试验证

为验证智能变电站网络通信测试方法，选用一种相对简单的测试拓扑进行试验测试，将测试仪的4个端口与交换机的4个端口直接相连，具体测试网络组网架构如图6所示。

图6 测试网络组网架构

4.1 链路中断验证

测试仪通过实时监视交换机端口流量信息，判断网络链路中断情况。测试示例通过对交换机端口1施加50Mbit/s左右流量，实时监控交换机端口2的流量信息，当断开交换机端口1与测试仪的连接时，测试仪监测到交换机端口2的流量数据从50Mbit/s锐减到0Mbit/s，即验证网络链路中断情况。交换机端口2流量变化曲线如图7所示。

图7 交换机端口2流量变化曲线

4.2 异常报文监视

测试仪通过对接收的数据帧进行分析，判断报文数据结构正确性。测试示例通过对交换机端口1施加循环冗余校验错误帧、超长帧、超短帧，实时监控交换机端口2的报文分析数据，测试仪实时展示交换机端口2分析出的异常数据见表1。

表1 异常报文监视数据

4.3 网络风暴

测试仪支持发送网络风暴，通过导入各种类型的数据报文作为风暴样本，输出网络风暴数据。测试仪对交换机的端口1持续施加网络风暴，同时监视交换机的端口流量信息，根据当前流量和报文类型，提示告警类型为网络风暴。网络流量监视数据见表2。

表2 网络流量监视数据

4.4 时延测试

测试仪具备网络时延测试功能，测试仪通过记录输入和输出报文时标信息，计算每一帧报文数据的时延值。测试仪可以测试交换机端口1与端口2、端口3与端口4之间的时延信息，记录信息包括最大时延、最小时延和平均时延。时延测试数据见表3。

表3 时延测试数据(单位: μs)

5 结论

传统的智能变电站网络测试方法往往无法真实模拟智能变电站网络环境，无法针对智能变电站网络系统进行闭环测试和故障重演。本文研究和实现的智能变电站网络通信闭环测试系统，其硬件支持多种类型的测试报文同时发送、大流量数据分类统计和大流量数据接收存储，软件支持用户进行模块化一键式闭环测试操作。

本文提出的闭环测试系统已经基本满足电力运维人员日常应用场景的测试需求，但其完备性仍需要经过进一步长时间的工程应用来检验。此外，如何结合变电站运维场景需求的不断变化对测试方法进行完善和优化是后续的研究方向。

本文编自2023年第1期《电气技术》，论文标题为“智能变电站网络通信测试方法研究”，作者为瞿华镇、杨明轩。本课题得到国网抚州供电公司科技项目的支持。

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