智能变电站网络检验测试.pptx

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智能变电站网络检验测试,中国电力科学研究院继电保护研究所李仲青2014年8月,主要内容,网络系统测试,测试案例,总结,一、概述,以太网应用于变电站历史悠久上世纪90年代美国电科院和北美电力公司推动，随着IEC61850标准体系的发布，以太网通信在智能变电站中的应用快速推广。

智能变电站以太网可靠性测试的需求网络逐渐成为承载站内数据交换的核心，变电站二次系统功能及性能与网络可靠性、实时性、安全性等关联。

网络一旦出现问题，承载业务的直接、间接损失可能巨大。

网络性能测试成为二次系统IED测试重要的环节之一。

变电站网络系统测试需求,一、概述,变电站网络系统测试内容,交换机单体测试基本性能测试功能测试环境测试、电磁兼容测试。

网络应用设备单体测试继电保护装置以太网通信处理能力测试合并单元、智能终端以太网通信处理能力测试。

网络整体性能测试设置变电站运行模式后交换机性能、网络设备性能、混合包性能、互操作性能,一、概述,变电站网络系统测试内容,交换机单体测试基本性能测试功能测试环境测试、电磁兼容测试。

网络应用设备单体测试继电保护装置以太网通信处理能力测试合并单元、智能终端以太网通信处理能力测试。

网络整体性能测试设置变电站运行模式后交换机性能、网络设备性能、混合包性能、互操作性能,一、概述,变电站网络系统测试内容,一、概述,变电站网络系统测试依据,主要内容,网络系统测试,测试案例,总结,二、光纤及设备光口测试,光纤回路测试,光纤回路测试测试内容：

按网络设计检查光纤回路的正确性测试方法：

（1）根据网络设备连同状态告警进行排查

（2）可采用激光笔，照亮光纤的一侧而在另外一侧检查正确性,光纤回路光衰耗测试测试内容：

检查直连设备之间的光纤连接是否正确，检查光纤回路的衰耗是否正常，以太网光纤和FT3光纤回路（包括光纤熔接盒）的衰耗不应大于3db测试方法：

二、光纤及设备光口测试,光纤回路测试,光纤端口发送功率测试测试内容：

检查光纤端口发送功率，-20dbm发送功率（包括以太网口和FT3网口）-14dbm测试方法：

二、光纤及设备光口测试,光口收发功率测试,光纤端口接收功率灵敏度测试测试内容：

检查光纤端口接收功率，最小接收功率（包括以太网口和FT3网口）-30dbm测试方法：

二、光纤及设备光口测试,光口收发功率测试,主要内容,网络系统测试,测试案例,总结,三、网络系统测试,测试内容,继电保护网络性能测试合并单元网络性能测试智能终端网络性能测试网络传输延时测试网络传输丢包率测试网络业务限制措施测试IEEE1588同步性能测试,三、网络系统测试,测试系统结构,三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试目的,测试保护装置组网络通信处理能力考核网络各种状况下保护功能实现及性能,三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试方法在原有网络数据流量的基础上使用网络测试仪对组网口施加非订阅GOOSE、SV、ARP等类型的报文，注入流量100M，网络压力持续时间不小于2min。

模拟区内外故障及与各订阅GOOSE控制块报文相关的故障，查看保护装置动作情况。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试要求装置运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象，装置面板不应有异常告警；发生区内故障时，保护装置应能可靠动作，发生区外故障时，保护装置不应误动。

保护装置应能正确接收点对点口及组网口订阅GOOSE控制块报文的状态变位或联闭锁信号并正确动作。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,订阅GOOSE报文

（1）StNum不变，SqNum不变

（2）StNum不变，SqNum递增，每控制块GOOSE变化报文0.833ms发送1帧（3）StNum递增，SqNum为0，每控制块GOOSE变化报文0.833ms发送1帧订阅SV报文SmpCnt不变，报文内容不变,三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试方法在原有网络数据流量的基础上使用网络测试仪对保护装置组网口施加单个或多个订阅GOOSE报文，网络压力持续时间不小于2min。

网络压力持续过程中，模拟区内外故障及与各订阅GOOSE控制块报文相关的故障（如断路器失灵、死区故障或手合断路器于故障等），查看保护装置动作情况。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试要求保护装置运行正常，不误动、不误发和发生网络压力的订阅控制块无关的异常报文，不应出现死机、重启等异常现象，装置面板不应有和发生网络压力的订阅控制块无关的异常告警；发生区内故障时，保护装置应能可靠动作，发生区外故障时，保护装置不应误动。

保护装置应能正确接收点对点口及组网口其他订阅GOOSE控制块报文的状态变位或联闭锁信号并正确动作。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试方法在原有网络数据流量的基础上使用网络测试仪对保护装置点对点口施加单个订阅SV报文（SmpCnt不变，报文内容不变），注入流量为1M（100M-实测基础流量），网络压力持续时间不小于2min。

网络压力持续过程中，模拟区内外故障及与各订阅GOOSE控制块报文相关的故障（如断路器失灵、死区故障或手合断路器于故障等），查看保护装置动作情况。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试要求保护装置运行正常，不应误动、不误发和发生网络压力的订阅控制块无关的异常报文，不应出现死机、重启等异常现象，装置面板不应有和发生网络压力的订阅控制块无关的异常告警。

保护不能正常运行时应有正确告警。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试方法在原有网络数据流量的基础上使用网络测试仪对保护装置组网口施加单个订阅GOOSE报文，注入流量为（100M-实测基础流量），网络压力持续时间不小于2min。

网络压力消失后，模拟区内外故障及与各订阅GOOSE控制块报文相关的故障（如断路器失灵、死区故障或手合断路器于故障等），查看保护装置动作情况。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试要求保护装置在订阅报文网络压力测试条件下应运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象。

网络压力消失后装置正常运行，发生区内故障时，保护装置应能可靠动作，发生区外故障时，保护装置不应误动，保护装置应能正确接收点对点口及组网口订阅GOOSE控制块报文的状态变位或联闭锁信号并正确动作。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试方法在原有网络数据流量的基础上使用网络测试仪交换机端口注入广播报文（ARP、UDP、TCP），注入流量为1M（100M-实测基础流量）。

网络压力持续过程中，模拟区内外故障及与各订阅GOOSE控制块报文相关的故障（如断路器失灵、死区故障或手合断路器于故障等），查看保护装置动作情况。

三、网络系统测试,继电保护网络性能测试,测试要求保护装置不应受站控层广播报文网络风暴影响，装置运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象；装置面板不应死机，不应有异常告警；发生区内故障时，保护装置应能可靠动作，发生区外故障时，保护装置不应误动。

保护装置应能正确接收点对点口及组网口订阅GOOSE控制块报文的状态变位或联闭锁信号并正确动作。

三、网络系统测试,合并单元网络性能测试,测试目的,测试合并单元在网络各种状况下点对点口/组网口采样值发送精度及性能（丢帧、离散度等）,三、网络系统测试,合并单元网络性能测试,测试方法,测试要求,参照保护装置过程层网络性能测试的方法,装置在订阅报文网络压力测试条件下应运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象SV输出离散度不大于10s，不应有丢帧，准确度无异常变化,三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试目的,测试智能终端在网络各种状况下点对点口/组网口接收GOOSE转硬接点及硬接点转GOOSE的时间差及相应延时。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试方法使用网络测试仪对单个组网口分别施加非订阅GOOSE、SV、ARP等类型的报文，网络压力持续时间不小于2min。

网络压力持续过程中，对装置注入网络压力的组网口及其他端口分别施加订阅GOOSE反复跳合闸（1秒/次，每次1帧），监视输出的输出硬接点；对装置施加硬接点开入变位，监视输出的GOOSE报文。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试方法,跳合闸,开关变位,三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试要求装置运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象，装置面板不应有异常告警。

收到GOOSE跳合闸信号后能正确硬接点出口，动作延时应不大于8ms；硬开入变位时能正确发送GOOSE变位报文，发送时间应小于10ms。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试方法施加单个或多个订阅GOOSE/SV报文，注入流量为1M（100M-实测基础流量），网络压力持续时间不小于2min。

网络压力持续过程中，对装置点对点口及组网口施加另一订阅GOOSE控制块反复跳合闸（1秒/次，每次1帧），模拟装置收到的硬开入变位（1秒/次），监视装置输出的GOOSE报文及输出硬接点。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,订阅GOOSE报文

（1）StNum不变，SqNum不变

（2）StNum不变，SqNum递增，每控制块GOOSE变化报文0.833ms发送1帧（3）StNum递增，SqNum为0，GOOSE报文实际发生变位，每控制块GOOSE变化报文0.833ms发送1帧订阅SV报文SmpCnt不变，报文内容不变,三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试方法同时施加15个订阅GOOSE报文（其中14个订阅GOOSE报文StNum不变，SqNum递增；另一订阅GOOSE报文反复跳合闸，StNum递增，SqNum为0，GOOSE报文实际发生变位），每控制块GOOSE变化报文1s同时发送1帧，连续发送15次。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试要求应运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象，装置面板不应有无关发生网络压力的订阅控制块的异常告警；收到GOOSE跳合闸信号后能正确硬接点出口，动作延时应不大于8ms；硬开入变位时能正确发送GOOSE变位报文，发送时间应小于10ms。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试方法对装置点对点口、组网口施加单个订阅GOOSE报文（StNum不变，SqNum递增），注入流量为（100M-实测基础流量），网络压力持续时间不小于2min。

网络压力消失后，对装置点对点口及组网口施加订阅GOOSE控制块跳合闸报文，模拟装置收到的硬开入变位，监视合装置输出的GOOSE报文及输出硬接点。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试方法对装置组网口、点对点口施加单个订阅GOOSE报文（StNum递增，SqNum为0，GOOSE有实际变化），注入流量为（100M-实测基础流量），网络压力持续时间不小于2min。

网络压力消失后，对装置点对点口及组网口施加订阅GOOSE控制块跳合闸报文，模拟装置收到的硬开入变位，监视合智集成装置输出GOOSE报文及输出硬接点。

三、网络系统测试,智能终端网络性能测试,测试要求装置在订阅报文网络压力测试条件下应运行正常，不误动、不误发报文，不应出现死机、重启等异常现象。

网络压力消失后装置正常运行，收到GOOSE跳合闸信号后能正确硬接点出口，动作延时应不大于7ms；硬开入变位时能正确发送GOOSE变位报文，发送时间应小于10ms。

三、网络系统测试,网络传输延时测试,测试方法一,通过网络测试仪在不同网络流量下分别对网络转发不同长度报文帧的延时进行测试，在100%背景流量下记录网络中不同级联程度下的最大转发延时。

三、网络系统测试,网络传输延时测试,测试方法二,通过故障录波器/报文记录装置等满足测试要求的装置记录分析网络中实际报文的存储转发延时，在施加各种网络背景流量及其他测试项目过程中持续统计不同级联程度下报文转发延时。

三、网络系统测试,网络传输延时测试,测试要求,网络实时性应满足继电保护等业务实时性需求：

GOOSE传输快速信号延时3msSV传送延时2ms,三、网络系统测试,网络传输延时测试,测试方法一,通过网络测试仪在100%网络流量下对网络转发不同长度报文帧的丢包率进行测试，测试涵盖网络中不同级联程度。

三、网络系统测试,网络传输延时测试,测试方法二,通过故障录波器/报文记录装置等满足测试要求的装置记录分析网络中实际报文的丢包率，在施加各种网络背景流量及其他测试项目过程中持续统计不同级联程度下报文转发延时。

三、网络系统测试,网络业务限制措施测试,网络业务限制措施智能变电站网络设备发送的各类报文多具备特定性，网络设计完成后各类装置在不同工况下发送的报文类型和报文流量是可以预估的，根据这一特点，可以在交换机端口针对各类报文设置允许进入或发出的流量限制，防止各类业务报文在同网传输过程中某类报文的异常对其他报文传输造成影响，也可通过合理设置确保重要报文的收发。

三、网络系统测试,网络传输延时测试,流控功能测试方法,在交换机某一端口设定某类报文收/发控制上限后，通过测试仪施加该类型超量报文，测试实际通过交换机转发的报文流量是否符合设置。

三、网络系统测试,IEEE1588同步性能测试,测试目的,采用IEEE1588协议实现设备同步的智能变电站网络系统，应测试在网络流量压力情况下PTP授时的精度。

三、网络系统测试,测试方法,在交换机口施加各种流量报文，从交换机另一端口接收PTP报文，测试在不同网络压力下PTP授时精度。

在网络测试过程中，观察不同测试项目时各类设备授时是否正常。

单级传输精度小于200ns。

IEEE1588同步性能测试,主要内容,网络系统测试,测试案例,总结,四、测试案例,中国电科院先后开展多次智能变电站网络测试：

500kV兰溪-海宁数字化变电站动模测试南方电网桂林数字化变电站动模测试浙江大侣、田乐智能变电站动模试验电子式互感器及通信网络对继电保护影响测试智能变电站网络方案测试,四、测试案例,为了配合浙江大侣、田乐61850智能变电站工程建设需要，深入研究过程层数字采样的特性及其对继电保护装置的影响，安排过程层数字采样网络性能及大侣、田乐变保护动模试验。

国际上首个过程层三网合一（SV+GOOSE+1588网络对时）和首次采用GMRP对过程层组播数据流进行管理。

浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,三、网络系统测试,网络传输延时测试,测试的技术重点,SV与GOOSE共网的网络特性及保护整体性能基于IEEE1588标准网络精确对时的系统性能GMRP协议的网络组播管理应用测试各种异常工况对保护性能的影响测试,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,大侣变、田乐变分别组建过程层网（SVGOOSE网）和站控层网（MMS网）大侣变采用IEEE1588V2.0对时协议，田乐变采用传统B码对时大侣过程层网络设备基于GMRP组播协议进行网路管理站控层则采用SNTP网络协议对时为了分析报文和采样值，在过程层网配置了一台网络分析记录仪,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,大侣变设备组网示意图,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,田乐变设备组网示意图,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,网络总体性能测试各类保护功能测试网络回路异常测试采样值传输过程中异常对保护装置的影响测试时钟同步源异常对保护装置的影响测试交换机工作异常情况下对保护装置性能影响的测试,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,合并单元恢复同步后保护动作问题,合并单元从失步状态向同步状态转换过程中，主变保护差动出口,原因分析,保护装置设置为失步后不闭锁差动保护合并单元置同步采样标志后，输出采样值出现跳变,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,合并单元的同步异常问题,保护装置及录波设备及网络记录设备报警,原因分析,IEEE1588对时过程中需要对数据传输的链路延时进行测量和补偿，通常链路延时为几百纳秒左右。

由于过程层网络抖动等原因，装置计算出的链路延时会出现毫秒级别的数据，异常链路延时就会引起装置同步偏差增大，从而导致合并单元报警同步丢失。

四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,合并单元输出帧号不连续问题,合并单元输出采样值帧号出现不连续现象,原因分析,合并单元按照自身的时钟给出采样序号的；原来的处理钟在接收到1588时间后合并单元一次性将本身的采样时钟调整到位；这样若合并单元时钟与1588时钟偏差较大时会使得根据调整后的时钟给出的采样序号与根据原来时钟给出的采样序号出现不连续情况。

四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,模拟合并单元和远端模块通讯中断试验，当合并单元发送的采样数据品质置无效时，主变保护没有闭锁差动保护,原因分析,装置设置当采样数据品质置无效时，程序会判断为该采样数据为置检修状态下的数据，无法闭锁差动保护功能,保护在采样数据无效时无法闭锁,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,采用1588对时的保护装置对时精度出现20ms左右偏差,原因分析,采用1588对时的保护装置对时精度出现20ms左右偏差,保护装置1588对时精度的问题,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,交换机开启GMRP功能后，监测到网络数据流不稳定现象，周期性的出现大规模丢包的现象。

原因分析,保护及交换机发送的GMRPJoinIn报文帧中PDU结束标志未加，交换机CPU在处理此种形式的报文时，由于找不到结束标志，误认为帧未结束，继续进行解析，因而造成解析到的组播地址混乱，不断刷新组播地址表，GMRP功能发生紊乱，造成大量丢侦。

GMRP稳定性问题,四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,在未开启GMRP前，各IED装置同步状态稳定，打开交换机GMRP功能后，发现各厂家合并单元均出现对时不稳定的状况，时常出现失步、同步切换。

原因分析,GMRP与1588功能冲突,主钟发出的Follow_Up报文中的Correction的值一直为0（应为其他整数），经交换机厂家技术人员确定，为交换机同时开启GMRP和1588功能后，程序内部出现Bug所致。

四、测试案例,浙江大侣、田乐智能变电站动模试验,国内及国际上首个过程层三网合一（SV+GOOSE+1588网络对时）和首次采用GMRP对过程层组播数据流进行管理的数字化变电站动模试验；满足工程需求，确保完成相关工程设备的检验测试任务；检验变电站过程层组网方式下采用新技术后的实施效果，推动相关技术的发展。

测试总结,四、测试案例,中国电科院先后开展多次智能变电站网络测试：

500kV兰溪-海宁数字化变电站动模测试南方电网桂林数字化变电站动模测试浙江大侣、田乐智能变电站动模试验电子式互感器及通信网络对继电保护影响测试智能变电站网络方案测试,四、测试案例,针对智能变电站站控层、间隔层、过程层统一组网方案，测试站内保护、控制系统可靠性及设备性能，同时测试保护采用基于延时标记的采样数据同步方案及交换机流量控制等方案技术效果，发现技术隐患，掌握当前设备研制进度和能力，为深入分析智能变电站组网方案及继电保护网络应用的可行性提供测试数据支撑。

智能变电站网络方案测试,通信网络配置,全站统一组网，采用星型结构，MMS、GOOSE、SV共网传输。

网络结构采用单网和双网冗余两种方式同时进行测试，双网冗余方式下交换机采用A、B双套配置，保护、合智及故录设备跨接两套网络，测控接入A网。

采用VLAN进行信息区分，MMS通过基于标记的VLAN和过程层SV、GOOSE隔离；过程层数据流通过静态组播划分实现精确控制，防止不同组播地址信号的相互影响，对未定义组播采用丢弃策略。

四、测试案例,智能变电站网络方案测试,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,测试项目,网络延时及延时标记精度测试基于延时标记方案的继电保护性能测试网络压力测试网络异常测试同步异常测试,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,基于交换机延时标记的采样数据同步方案,交换机精确计算报文在交换机内的驻留延时T并写入SV报文内，保护装置依赖本地时间基准，利用MU固有延时和链路驻留总延时T还原收到的多个间隔的采样数据的发生时刻，完成采样值的同步处理，其原理等效“直采”模式，体现了采样数据“谁使用谁同步”的基本原则。

四、测试案例,智能变电站网络方案测试,基于交换机延时标记的采样数据同步方案,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,Tb为收到以太网帧（不含前导字节）第1个bit时的本地时标Tc为发出以太网帧（不含前导字节）第1个bit时的本地时标,交换机延时及延时标记精度测试结果,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,测试结果显示数据经过交换机转发延时与报文长度、数据流量、交换机级联层数正相关，报文长度增大、交换机转发数据流量增大、级联层数增多都会导致交换机延时增大；交换机标记延时误差与交换机级联层数正相关，与报文长度、交换机转发数据流量无明显相关性，交换级联层数增多会导致交换机标记延时误差增大，标记延时总体误差基本满足保护需求。

MMS、GOOSE、SV共网共口传输测试结果,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,在一次系统中模拟各种故障和操作，进行了金属性故障、永久性故障、发展转换性故障、经过渡电阻、单侧电源供电方式、手合带故障线路、手合故障变压器、110kV母线充电、断路器失灵、多点金属性故障等实验项目，经测试各装置主保护性能基本满足要求。

交换机流控功能测试结果,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,根据不同种类报文的流量状态，对个端口接收的MMS报文设置流量上限20M（正常运行情况下不足1M），GOOSE流量上限20M（正常运行情况下不足1M），SV流量上限80M（正常运行情况下不足50M），在这种情况下分别进行网络压力测试，某一类行报文流量增大至100M不会影响其他类型报文传输。

网络异常测试结果,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,分别进行了交换机电源异常、交换机级联光纤断开、合智设备连接光纤断开等网络异常情况测试。

在单网中，与发生异常的设备无关的保护功能不受影响，与发生异常的设备相关的保护功能无法执行。

在双网中，保护功能不受影响。

同步异常测试结果,四、测试案例,智能变电站网络方案测试,进行了合并单元同步异常及同步恢复测试，在各种状态下保护功能不受影响。

主要内容,网络系统测试,测试案例,总结,五、总结,智能变电站网络测试的关键点在于组网后网络及设备实际运行情况的评估和模拟。

虽然工业以太网交换机及测试技术都比较成熟，但由于其在智能变电站应用过程中需要满足电力系统数据转发和特定功能实现的需求，需要考虑多种预想运行工况的测试，因此需要针对变电站配置详细分析数据流结构，搭建更加真实的智能变电站网络环境，测试得到反应实际的智能变电站网络信息交互和设备性能水平。