大型火電機組分散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信性能試驗

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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大型火電機組分散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信性能試驗

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)

針對某1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機組在基建調(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。對此，提出了利用機組調(diào)試及大小修期間加強光纖端面清潔檢驗，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。實施處理措施后，該機組DCS網(wǎng)絡(luò)通信性能良好，滿足安全穩(wěn)定運行要求。

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)電機組控制中應(yīng)用，DCS不僅成為新建大機組的標(biāo)準(zhǔn)裝備，而且越來越多的中小機組也逐步完成了DCS改造。DCS在火力發(fā)電機組的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，其功能已逐步擴(kuò)展到機、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的各個單元以及各個人機接口需要通訊系統(tǒng)連成一個有機整體。DCS網(wǎng)絡(luò)完成的是工業(yè)級的控制，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，更快的實時響應(yīng)能力，并且適合在惡劣的工作環(huán)境下運行。目前廠家和科研院所針對DCS的性能進(jìn)行了大量相關(guān)試驗研究[1-5]，但是針對DCS通信網(wǎng)絡(luò)性能的相關(guān)研究和試驗開展較少，且主要是對網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷率進(jìn)行測試，對以太網(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)測試研究。

本文從對DCS網(wǎng)絡(luò)性能有重大影響的幾個方面入手，對光纖鏈路、以太網(wǎng)可靠性分析、雙向網(wǎng)絡(luò)性能測試、TCP吞吐率測試和反事故措施設(shè)置有效性測試。通過DCS網(wǎng)絡(luò)性能測試，及時發(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是一個具有分層結(jié)構(gòu)的分級遞解系統(tǒng)，系統(tǒng)分為4級，第1級為帶輸入/輸出(I/O)設(shè)備的現(xiàn)場控制級，第2級為過程管理級，第3級為生產(chǎn)管理級，第4級為全廠管理級。各級之間通過通信網(wǎng)絡(luò)相連，級內(nèi)各站點由本級的通信網(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號機組DCS工業(yè)以太網(wǎng)由3個子網(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)場控制級，其網(wǎng)絡(luò)從機柜控制器至服務(wù)器，O-NET網(wǎng)絡(luò)用于上層監(jiān)視控制級，其網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器到工程師站和操作員站，3個子網(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)量測試

一般情況下，光纖用于光的單向傳輸成對使用，分別用于發(fā)送和接收，本項目采用多模光纖，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)字信號的頻率，而且隨距離的增加會加重，光信號損耗較多，因此多模光纖傳輸距離較近，但價格相對便宜。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，因此對光纖的連接器、適配器、光纖模塊的I/O光口等部位的檢測是十分必要的。

2.1 測試方法

在對光纖鏈路的損耗測試中，根據(jù)被測鏈路光纖的實際長度、連接器數(shù)量和接合點的數(shù)量來估計出該鏈路總損耗的限值，然后通過損耗測試來驗證鏈路實際損耗是否在限制之內(nèi)。如果實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，因此通過損耗測試可以對光纖鏈路的質(zhì)量和性能進(jìn)行檢查。

測試采用1號機組熱控電子間熱工公用DCS機柜至遠(yuǎn)程循環(huán)水泵房DCS機柜光纖部分，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光纖端面清潔度進(jìn)行測試和檢查。

2.2 測試結(jié)果

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

圖2 A網(wǎng)光纖鏈路質(zhì)量測試結(jié)果

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

圖3 B網(wǎng)光纖鏈路質(zhì)量測試結(jié)果

利用端面分析儀對A、B網(wǎng)的光纖連接頭的端面進(jìn)行放大后的實際效果如圖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850 nm波長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損耗，影響可靠運行。建議對光纖端面及其連接裝置做全面清潔工作，并通過測試確保光纖鏈路沒有污損缺陷。

3 以太網(wǎng)健康質(zhì)量測試

對于DCS中的局域網(wǎng)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行的故障分布統(tǒng)計規(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)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竟δ?。?jù)此有必要對該廠1號機組3個子網(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)性能測試、TCP吞吐率測試和反事故措施設(shè)置有效性測試。

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 測試方法

將網(wǎng)絡(luò)測試儀器接到被監(jiān)測的以太網(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A/B網(wǎng)各層交換機的接入端口鏈路和級聯(lián)端口鏈路之間的傳輸速率進(jìn)行測試，測試其性能指標(biāo)。

3.1.2 測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，接入鏈路之間的傳輸速率以及操作員層交換機接入端口和服務(wù)器層交換機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)驗收測評規(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時的測試結(jié)果

圖8 B網(wǎng)負(fù)荷率為39.7 Mbps時的測試結(jié)果

3.2 雙向網(wǎng)絡(luò)性能測試

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)行測試，以衡量網(wǎng)絡(luò)對主機即操作員站與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信性能情況。

3.2.1 測試方法

將網(wǎng)絡(luò)測試儀接到被測鏈路的兩端，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A/B網(wǎng)進(jìn)行測試，統(tǒng)計從發(fā)送端到接收端經(jīng)歷的時間、在接收端測試數(shù)據(jù)幀丟失的比例等數(shù)據(jù)。

3.2.2 測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)傳輸時延不超過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時的測試結(jié)果

圖10 B網(wǎng)負(fù)荷率為20 Mbps時的測試結(jié)果

3.3 TCP吞吐率測試

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吞吐率測試是根據(jù)ABB DCS基于TCP協(xié)議進(jìn)行通信而進(jìn)行的測試，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 測試方法

將網(wǎng)絡(luò)測試儀接到被測鏈路的兩端，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)送端自動增加或減少發(fā)送的幀速率，使接收端測出被測鏈路在未丟包的情況下能夠處理的最大幀速率。

3.3.2 測試結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)上兩個端點設(shè)備間的吞吐率取決于計算機、網(wǎng)絡(luò)接口卡和網(wǎng)絡(luò)帶寬、交換部件(路由器或交換機等)的速度。測試結(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)場運行的需要。

3.4 反事故措施測試

在一個通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，一個節(jié)點同時傳輸數(shù)據(jù)包到本地網(wǎng)段上的每個節(jié)點稱為廣播。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計和連接問題，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 測試方法

利用網(wǎng)絡(luò)測試儀在操作員站(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，查看交換機是否具有抑制廣播風(fēng)暴的能力。

3.4.2 測試結(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)控制器全部自動斷開，操作員站離線，監(jiān)控畫面失效，需要對控制器和交換機進(jìn)行人工手動復(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)生時會釀成嚴(yán)重后果，對生產(chǎn)造成重大損失。建議在網(wǎng)絡(luò)交換機上添加廣播風(fēng)暴抑制的設(shè)置，將每個交換機接口廣播風(fēng)暴的速率限制在DCS正常運行的負(fù)荷速率以下。

目前，國內(nèi)發(fā)電廠對DCS網(wǎng)絡(luò)性能要求還未形成標(biāo)準(zhǔn)，不同型號、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 測試中發(fā)現(xiàn)的問題及建議

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

b) 以太網(wǎng)質(zhì)量測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)備沒有對廣播風(fēng)暴的抑制機制，當(dāng)廣播風(fēng)暴發(fā)生時，所有連接網(wǎng)絡(luò)的A、B網(wǎng)控制器全部自動斷開，操作員站離線，對整個DCS具有嚴(yán)重的故障隱患，建議在網(wǎng)絡(luò)交換機上添加廣播風(fēng)暴抑制的設(shè)置，將每個交換機接口廣播風(fēng)暴的速率限制在DCS正常運行的負(fù)荷速率以下。

5 結(jié)束語

DCS網(wǎng)絡(luò)性能測試是確保整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)長期、可靠、穩(wěn)定運行的一種有效手段和監(jiān)督機制，通過DCS網(wǎng)絡(luò)性能測試，可以使發(fā)電企業(yè)及時掌握機組網(wǎng)絡(luò)健康狀況，對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在的問題進(jìn)行整改從而得到及時處理，滿足機組安全、穩(wěn)定運行的要求。

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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，主要從事電能計量、控制系統(tǒng)等方面研究。