智能變電站過程層交換機(jī)測(cè)試技術(shù)研究

謝青洋

摘要：作為智能變電站的核心設(shè)備之一，過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)直接關(guān)系到全站的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要對(duì)其測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究。本文基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對(duì)智能變電站過程層交換機(jī)功能性能的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一套完整的測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：智能變電站;交換機(jī);測(cè)試技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM762? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1007-9416（2018）10-0000-00

隨著南方電網(wǎng)“十三五”智能電網(wǎng)規(guī)劃的逐步實(shí)施，未來南網(wǎng)區(qū)域新建或改建的變電站原則上都需按照“三層兩網(wǎng)”的智能變電站模式進(jìn)行建設(shè)，為了確保電網(wǎng)基建、調(diào)試、檢修和運(yùn)維能夠適應(yīng)智能變電站技術(shù)，有必要對(duì)智能變電站相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，而過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)作為智能變電站連接過程層和間隔層的核心設(shè)備，對(duì)其測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究有著重要的意義。

1 過程層交換機(jī)概述

智能變電站的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為“三層兩網(wǎng)”如圖1所示，其中“三層”是指站控層、間隔層和過程層，“兩網(wǎng)”是指站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。站控層主要包括后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、保信子站等，間隔層主要包括保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、計(jì)量裝置、在線監(jiān)測(cè)裝置、網(wǎng)絡(luò)分析裝置等，過程層主要包括智能終端和合并單元。站控層網(wǎng)絡(luò)由站控層交換機(jī)組網(wǎng)，并負(fù)責(zé)站控層系統(tǒng)與間隔層裝置的數(shù)據(jù)傳輸和通信，過程層網(wǎng)絡(luò)由過程層交換機(jī)組網(wǎng)，并負(fù)責(zé)間隔層裝置與過程層設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和通信[1]。

智能變電站的數(shù)據(jù)類型大致有MMS（Manufacturing Message Specification，制造業(yè)報(bào)文規(guī)范）、GOOSE（Generic Object-Oriented Substation Event，面向通用對(duì)象的變電站事件）和SV（Sample Value，采樣值）三種，其中MMS用于站控層網(wǎng)絡(luò)的通信，GOOSE和SV用于過程層的數(shù)據(jù)傳輸。由于GOOSE和SV分別涉及到控制命令、跳閘命令、變位信號(hào)、聯(lián)閉鎖信號(hào)和電流電壓采樣值，這些信號(hào)都關(guān)系到智能變電站的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，所以這對(duì)傳輸GOOSE和SV報(bào)文的過程層交換機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性就有了非常嚴(yán)格的要求，因此有必要在調(diào)試和定檢時(shí)對(duì)過程層交換機(jī)開展一系列的功能性能測(cè)試，以確保交換機(jī)的工作狀態(tài)滿足智能變電站穩(wěn)定可靠安全運(yùn)行的要求[2]。

2 過程層交換機(jī)測(cè)試技術(shù)

過程層交換機(jī)的主要性能包括：吞吐量、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)及抖動(dòng)時(shí)延、幀丟失率、MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）地址學(xué)習(xí)速率、MAC地址緩存能力，主要功能包括：錯(cuò)誤幀過濾、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制、端口鏡像、優(yōu)先級(jí)。測(cè)試技術(shù)研究如下[3-4]。

2.1 吞吐量測(cè)試

吞吐量是指過程層交換機(jī)在不丟幀情況所能達(dá)到的最大傳輸速率，要求交換機(jī)所有端口的吞吐量為100%。測(cè)試接線為：交換機(jī)所有端口接入網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀進(jìn)行吞吐量測(cè)試，一組接8個(gè)端口進(jìn)行分組測(cè)試，直到所有端口都測(cè)試一遍。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試時(shí)間60s、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)幀長(zhǎng)、步長(zhǎng)遞變搜索法、每組配置8個(gè)端口雙向互發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)及抖動(dòng)時(shí)延測(cè)試

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延是指從輸入幀的最后一個(gè)比特到達(dá)輸入端口開始至在輸出端口上檢測(cè)到該幀的第一個(gè)比特為止的時(shí)間間隔，抖動(dòng)時(shí)延是指存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的變化值，要求不同幀長(zhǎng)下交換機(jī)的平均存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延小于10us、時(shí)延抖動(dòng)小于1us。測(cè)試接線為：交換機(jī)與網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀接線8個(gè)端口相連，任意選擇2個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試時(shí)間60s、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)幀長(zhǎng)、測(cè)試速率為常規(guī)（10%、95%、100%）、配置2個(gè)端口雙向互發(fā)數(shù)據(jù)。

2.3 幀丟失率測(cè)試

幀丟失率是指過程層交換機(jī)端口以特定頻率轉(zhuǎn)發(fā)特定數(shù)量數(shù)據(jù)幀情況下幀丟失的比率，要求幀丟失率為0。測(cè)試接線為：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與交換機(jī)接線8個(gè)端口相連，任意選擇2個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試時(shí)間120s、常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)幀長(zhǎng)、測(cè)試速率為100%、配置2個(gè)端口雙向互發(fā)數(shù)據(jù)。

2.4 MAC地址學(xué)習(xí)速率測(cè)試

MAC地址學(xué)習(xí)速率是指過程層交換機(jī)在無洪泛和丟幀情況下能夠?qū)W習(xí)新的MAC地址的最大速率，要求交換機(jī)MAC地址學(xué)習(xí)速率應(yīng)大于1000FPS。測(cè)試接線為：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與交換機(jī)接線8個(gè)端口相連，任意選擇3個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試模式定點(diǎn)驗(yàn)證、驗(yàn)證值1001FPS、地址個(gè)數(shù)4096、老化時(shí)間300s，并分別配置學(xué)習(xí)端口、測(cè)試端口、監(jiān)控端口。

2.5 MAC地址緩存能力測(cè)試

MAC地址緩存能力是指過程層交換機(jī)能夠緩存的不同MAC地址的數(shù)量，要求交換機(jī)MAC地址緩存能力不小于4096個(gè)。測(cè)試接線為：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與交換機(jī)接線8個(gè)端口相連，任意選擇3個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試模式定點(diǎn)驗(yàn)證、驗(yàn)證值4096、學(xué)習(xí)速率1001FPS、老化時(shí)間300s，并分別配置學(xué)習(xí)端口、測(cè)試端口、監(jiān)控端口。

2.6 錯(cuò)誤幀過濾測(cè)試

過程層交換機(jī)應(yīng)具備丟棄超短幀、超長(zhǎng)幀及CRC錯(cuò)誤幀的功能。測(cè)試接線為：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與交換機(jī)接線8個(gè)端口相連，任意選擇2個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試時(shí)間30s、超短幀63Byte、超長(zhǎng)幀1601Byte、CRC錯(cuò)誤、配置2個(gè)端口一收一發(fā)數(shù)據(jù)。

2.7 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴是指由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)和連接問題，導(dǎo)致廣播、組播或未知單播在網(wǎng)絡(luò)中大量復(fù)制傳播數(shù)據(jù)幀，使通信網(wǎng)絡(luò)性能下降，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象。過程層交換機(jī)應(yīng)具備抑制網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的功能，要求其實(shí)際抑制結(jié)果不應(yīng)超過抑制設(shè)定值的110%。測(cè)試接線為：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與交換機(jī)接線8個(gè)端口相連，任意選擇2個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試時(shí)間30s、加載流量100000Kbps（100%）、測(cè)試幀長(zhǎng)64Byte、評(píng)估誤差（抑制偏差比偏差）10%、配置兩個(gè)端口一發(fā)一收，進(jìn)入交換機(jī)Web配置界面，開啟“廣播風(fēng)暴抑制”、“組播風(fēng)暴抑制”和“未知單播抑制”功能，設(shè)置抑制流量值為1000Kbps（1%）。

2.8 端口鏡像測(cè)試

多端口鏡像指鏡像端口同時(shí)復(fù)制（監(jiān)視）一個(gè)或幾個(gè)端口數(shù)據(jù)。鏡像數(shù)據(jù)速率不大于端口轉(zhuǎn)發(fā)速率時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)幀丟失、亂序、復(fù)制現(xiàn)象，過程層交換機(jī)應(yīng)支持多端口鏡像功能，當(dāng)鏡像數(shù)據(jù)速率不大于端口轉(zhuǎn)發(fā)速率時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)幀丟失、亂序、復(fù)制現(xiàn)象。測(cè)試接線為：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與交換機(jī)接線8個(gè)端口相連，任意選擇5個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置如：測(cè)試時(shí)間30s、測(cè)試幀長(zhǎng)64Byte，配置2個(gè)被鏡像端口和1個(gè)鏡像端口，除鏡像端口外其余4個(gè)端口目的MAC地址讓測(cè)試端口兩兩互發(fā)數(shù)據(jù)且轉(zhuǎn)發(fā)速率均為25%，進(jìn)入交換機(jī)Web配置界面，按照網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的端口設(shè)置配置被鏡像端口和鏡像端口。

2.9 優(yōu)先級(jí)測(cè)試

過程層交換機(jī)應(yīng)支持IEEE 802.1p流量?jī)?yōu)先級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)，提供流量?jī)?yōu)先級(jí)和動(dòng)態(tài)組播過濾服務(wù)，應(yīng)至少支持4個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，具有絕對(duì)優(yōu)先級(jí)功能，應(yīng)能夠確保關(guān)鍵應(yīng)用和時(shí)間要求高的信息流優(yōu)先進(jìn)行傳輸。不應(yīng)使帶有序列標(biāo)簽的數(shù)據(jù)如：SV、GOOSE等報(bào)文產(chǎn)生亂序現(xiàn)象。測(cè)試接線為：網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀與交換機(jī)接線8個(gè)端口相連，任意選擇3個(gè)同類型端口進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試參數(shù)設(shè)置為：測(cè)試時(shí)間30s、測(cè)試幀類型單播、吞吐率100%、測(cè)試幀長(zhǎng)64Byte，配置1個(gè)接收端口、2個(gè)發(fā)送端口，發(fā)送端口分別設(shè)置優(yōu)先級(jí)為4和7、加載流量分別為80%和50%，進(jìn)入交換機(jī)Web配置界面，開啟CoS優(yōu)先級(jí)功能，確認(rèn)優(yōu)先級(jí)類型為絕對(duì)優(yōu)先級(jí)，其中7優(yōu)先級(jí)最高、0優(yōu)先級(jí)最低。

3 結(jié)語

由于過程層交換機(jī)對(duì)于智能變電站的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行有著舉足輕重的影響，故有必要對(duì)其功能性能的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究。本文基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)研究了吞吐量、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)及抖動(dòng)時(shí)延、幀丟失率、MAC地址學(xué)習(xí)速率、MAC地址緩存能力、錯(cuò)誤幀過濾、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制、端口鏡像、優(yōu)先級(jí)等過程層交換機(jī)關(guān)鍵性能和功能的測(cè)試技術(shù)，對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)相關(guān)技術(shù)人員開展過程層交換機(jī)調(diào)試、檢修和運(yùn)維有著可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和意義。

參考文獻(xiàn)

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Research on Testing Technology of Process Layer Switches in Smart Substation

XIE Qing-yang

（Yunnan Power Grid Co.， Ltd. Electric Power Research Institute ， Kunming Yunnan 650217）

Abstract： As one of core equipments of the smart substation ， the process layer network switch is directly related to the reliable and stable operation of the whole station， so its testing technology needs to be studied. Based on the laboratory test environment and field engineering debugging experience， this paper studies the functional performance testing technology of process layer switch in smart substation， and proposes a complete test method.

Key words： Smart Substation; switch; testing technology