CN102164058A - 基于iec61850标准变电站通信网络与系统测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，包括站内通信网络设备与通信网络功能性能测试方法、网络通信规约测试方法。该方法可以对基于IEC 61850变电站中的以太网通信设备运行情况、接入设备MAC地址及预设网络IP地址、交换机内部功能和参数是否依据现场自动化系统统一配置要求进行配置进行检测；对网络负荷率、网络自恢复功能、虚拟局域网功能进行测试；还可为不同厂商的智能电子设备提供一致性及互操作性的检测方法，减少智能电子设备在工厂和现场集成系统时出现问题的风险。为我国智能电网的通信系统的检测提供了依据，进而提高智能电网安全性和稳定性。

Description

基于IEC61850标准变电站通信网络与系统测试方法

技术领域

本发明提供了基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，为整个智能电网通信网络与系统的安全稳定运行提供测试方案，属于电力系统自动化领域。

背景技术

在国家电网公司的大力倡导和积极推动下，我国在智能电网规划、科技研发、设备攻关和工程建设等方面已经处于世界前列。但在探索和实践中，存在一些不足，例如相关配套政策和技术标准缺失，各厂家的智能电子设备不相互兼容，例如南瑞、东方电子、许继、四方、ABB、GE的智能电子装置(IED)采用的通信规约可能是CDT、60870-5-101、102、103、104、Tase2，这些不足之处阻碍了智能电网的推广。

同时配电自动化网络的可靠性、安全性、经济性等方面的问题不容忽视，网络一旦出现问题，用户所承担直接损失和间接影响往往是巨大的，因此需要对网络进行测试评价，判断网络的质量能否满足电力工业现场高可靠性、高安全性、高稳定性的要求对实现配电自动化至关重要。

为了在电网中的融合厂家的智能电子装置，需要对各厂家的智能电子装置进行一致性测试。IEC TC57技术委员会提出了建立变电站内智能电子装置间无缝通信的一个全球范围标准——61850，电网装配各种智能电子装置之前，需要对其进行一致性和互操作性测试，为其在智能电网有良好的互操作打下基础，减少在工厂和现场集成系统时出现问题的风险，从而降低系统的集成费用，提高系统的利用率，保护用户的投资，提高整个电网的安全稳定运行水平。

而针对电力工业网络设备与通信网络功能性能的测试，则是随着电力工业对网络依赖程度的增加、对网络应用服务质量期望的提高而逐步变得迫切起来网络设备与通信网络功能性能测试涉及的方面相当广泛，包含的内容主要有测试对象、测试方法、测试工具及测试经验等。

发明内容

为了对站内通信网络、设备进行功能性能测试以及验证各厂商的智能电子设备的一致性和互操作性，本发明提出的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法可以对智能电子设备的通信协议一致性进行验证，同时可确保通信网络的健康运行问题，克服了各厂商设备之间不兼容的缺点，为智能电网的推广普及打下基础。

本发明的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法实现变电站中通信设备和协议的测试，主要包括：站内通信网络设备与通信网络功能性能测试：根据对物理传输介质的测试确定物理上是否连通及信号的衰减情况；在物理网络连通情况下对数据链路层的交换机进行测试；变电站内部、总体通信系统测试；网络通信规约测试：依据IEC 61850-10，完成智能电子设备(IED)是否具有互操作能力的测试，即一致性测试，并验证IED集成在一起完成变电站自动化功能的能力，即互操作性测试。具体步骤如下：

步骤一对变电站通信系统的物理层传输介质的测试；

步骤二对变电站通信网络数据链路层网络交换机的测试；

步骤三对变电站通信系统的具体参数测试；

步骤四变电站内部通信能力测试；

步骤五变电站总体通信能力测试；

步骤六网络通信规约测试设计，即智能电子设备的通信协议一致性和互操作性测试。

其中，所述的步骤一对通信系统的物理层传输介质的测试，因为据统计在局域网出现的网络故障中，有75％以上是由网络传输介质引起的，因此需要对变电站通信网络传输介质光纤进行严格测试，其中最主要的几个测试参数是链路的衰减特性、连接器的插入损耗、回波损耗等，保证通信网络物理层连通。

其中，所述的步骤二中对数据链路层网络交换机的测试，因为数字化变电站对网络交换机有较高的要求，GOOSE网一般采用带网管型工业交换机。网管型交换机有复杂的软件管理系统，它实质上也是一个智能装置IED，具有和保护装置相比的复杂性，因此对交换机IED的功能进行测试是十分必要的，具体步骤如下：

1、交换机的型式试验

根据IEC61850-3标准对交换机进行型式测试，测试内容包括交换机的环境要求和供电要求环境要求有温度、湿度、大气压力、机械和振动、污染和腐蚀及抗电磁干扰性能等；供电要求有正常工作时的电压范围、电压容差、电压中断和电压质量。IEEE1613标准也规定了变电站内通信网络设备的标准环境和测试要求，其CLASS 2版本规定交换机在进行型式试验过程中，不能发生通信故障、通信中断，通信延迟不能增加。数字化变电站中的交换机应按照IEC61850-3、IEEE1613标准，进行相应的试验，然后提供这些型式试验具体结果的报告。

2、交换机的现场试验

交换机的现场试验包括功能测试、性能测试。

交换机的功能测试：首先测试交换机端口的端口镜像功能，检查镜像端口上的数据包，然后与源端口发送的数据包匹配；VLAN划分功能，检查不同VLAN的端口之间是否实现了有效隔离；报文优先级QoS功能测试，通过QoS，局域网对实时性要求较高的数据提供优先服务甚至可提供专用带宽，从而保证较低的时延和丢包率，采用报文优先级QoS技术过程层网络，对重要报文如GOOSE赋予较高的优先级，测试检查不同优先级报文能否按要求传输；交换机广播风暴抑制功能测试，病毒、交换机端口故障、网卡故障、链路冗余没有启用生成树协议、受到干扰等可引发广播风暴，测试交换机端口的速率限制功能能否限制其发送的大量广播报文；交换机安全功能测试，网络可能会受到黑客的攻击，造成交换机拒绝服务，因此需要开展交换机的安全性测试，检查交换机是否存在物理上的安全漏洞，对交换机进行DoS攻击测试其是否有抗攻击能力。

交换机的性能测试应分为现场性能测试和组网后性能测试，交换机的性能测试主要方法：端口吞吐量测试，使用专门的测试仪器，以不同的帧长度(64字节、256字节、512字节、1024字节和1518字节等)进行测试；时延测试，分为发送时延、交换时延、线路传输时延和排队时延4个部分组成；丢包率测试，通常在吞吐量范围内以不同的帧长度(64、128、256、512、1024、1280、1518Byte)测试所丢失数据包数量占所发送数据包的比率；数据链路层健康状况测试，数据链路层健康状况包括：网段的流量、网络链路利用率、错误帧率、广播帧和组播帧的数量、冲突率等，这些性能指标可以通过直接提取SNMP端口的方法获得；VLAN划分测试，对于划分后的VLAN对其报文隔离效果进行测试，从而实现 广播隔离和提高网络安全性；RSTP快速生成树协议测试，对于采用环形拓扑结构和采用冗余技术保证运行可靠性的网络，利用RSTP快速生成树协议提供快速的网络共构时间，在环形网中配置生成树协议，通过测试验证只有一条链路可用，然后人为断开此链路后验证备用链路恢复使用；网络负荷率测试，负荷率和网络负荷率是反映系统健壮性的关键指标，也是应付突发事件的系统资源的备用容量，通过这两个关键指标的检测可以较好的从计算机运行的角度反映系统的运行状况，系统负荷率网络指标由各种工作情况下的网络负荷率和系统负荷率标志，可用网络测试仪进行测试。

其中，步骤三中对通信系统的具体参数测试，完成了通信网络的物理层传输介质和数据链路中交换机的测试后，需要对通信系统的具体参数进行测试，包括如下步骤：

1、系统连通性测试

将测试工具连接到选定的接入层设备的端口，即测试点，对网络交换机进行10次Ping测试得到接入设备的MAC地址和预设网络的IP地址，每次间隔1s，以测试网络连通性，然后测试其他位置测试点，直到遍历所有测试抽样设备。

2、链路传输速率测试

若发送端口和接收端口位于同一机房，也可用一台具备双端口测试能力的测试工具实现，测试应在空载网络中进行。将用于发送和接收的测试工具分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口或末端集线器端口上；对于交换机，测试工具1在发送端口产生100％满线速流量；对于集线器，测试工具1发送端口产生50％线速流量(建议帧长度设置为1518Byte)；测试工具2在接收端口对收到的流量进行统计，计算其端口利用率。

3、网络吞吐率测试

若发送端口和接收端口位于同一机房，也可用一台具备双端口测试能力的测试工具实现。将两台测试工具分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口上，测试工具1向测试工具2发送数据包，如果所有的数据包都被测试工具2正确接收到，增加发送的帧速率，否则减少发送的帧速率；直到测出被测网络/设备在未丢包的情况下，能够处理的最大帧速率。

4、传输时延测试

当被测网络的收发端口位于不同的地理位置，需要由两台测试工具来完成测试，测试工具1产生流量，测试工具2接收流量，并将测试数据流环回。当被测网络的收发端口位于同一机房，可由一台具有双端口测试能力测试工具完成，测试工具的一个端口用于产生流量，另一个端口用于接收流量。测试方法：测试工具(端口)分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口上，测试工具1(发送端口)向测试工具2(接口端口)均匀地发送数据包，向被测网络发送一定数目的1518Byte的数据帧，使网络达到所测得的最大吞吐率；收发端口位于不同的地理位置，测试工具1向被测网络发送测试帧，在数据帧的发送和接收时刻都打上相应的时间标记；被测网络的收发端口位于同一机房，测试工具通过发送端口发出带有时间标记的测试帧，在接收端口接收测试帧，这样就可以计算出传输时延。

5、丢包率测试

将两台测试工具分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口上，测试工具1向被测网络加载70％的流量负荷，测试工具2接收负荷，测试数据帧丢失的比例，分别需用不同的帧大小(包括64、128、256、512、1024、1280、1518(Byte)进行测试。

6、IP子网划分测试

在局域网系统中的路由器或三层交换机上进行子网测试，局域网中至少存在两个子网，将测试计算机1连接到一个子网的物理端口，测试计算机2连接到另一子网的物理端口。通过测试计算机1向测试计算机2发送Ping(共发送10次)，查看它们之间的连通性。将测试工具连接在被测子网的某一物理端口上，测试工具通过发送Ping广播报文、SNMP查询、监听网络中数据包等方式，自动检测出在该子网上所连接的所有设备和终端，并生成该子网的节点列表。

7、VLAN划分测试

将测试工具1连接到一个VLAN的物理端口，测试工具2连接到另一个VLAN的物理端口，通过测试工具1向测试工具2发送Ping(共发送10次)，查看它们之间的连通性，测试工具通过发送Ping广播报文、SNMP查询、监听网络中数据包等方式，自动检测出在该子网上所连接的所有设备和终端，并生成该VLAN的节点列表；通过测试工具1发送以太网广播包，查看测试工具2是 否能够接收到测试工具1发出的广播包；测试工具G连接到与测试工具1所在的同一个VLAN的任一端口；通过测试工具1发送以太网广播包，查看测试工具2是否能够正确接收到测试工具1发出的广播包。

其中，步骤四中变电站内部通信能力测试，数字化变电站内的通信网络在可靠性、安全性、稳定性上比一般的局域网要求更严格，具体体现为在某些测试指标上要求更高。但是数字化变电站内的通信网络其传输介质、网络设备、网络结构与一般的通信局域网相比并无本质不同，所以在测试方法上一者是基本相同的，但是与一般通信局域网测试不同，为了使测试更真实地反映变电站实际情况，在测试网络过程层时应尽量采用GOOSE报文作为测试报文，而在测试网络站控层时应该要以MMS报文和GOOSE报文作为测试报文。

本方法利用国家的三个标准(GB/T21671、YD/T1141、YD/T1628)将网络中各种参数进行计算和统计，从而得出各种参数的正确性。

其中，步骤五中变电站总体通信能力测试，首先在被测终端设备通信网络上加入带外、带内两种报文，以一定的负荷发送报文。带外广播报文的目的MAC(MediaAccess Control，媒介访问控制)地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF，带内报文在数字化变电站系统内抓取数据包获得，以确保带内GOOSE报文的帧格式是终端被测设备接受的帧格式。网络终端设备指连接在网络上的各种智能设备，包括保护、测控、智能控制单元。

其中，步骤六中网络通信规约测试设计，网络通信规约测试系统的主要任务为：依据IEC 61850-10，完成智能电子设备(IED)是否具有互操作能力的测试(一致性测试)，并验证IED集成在一起完成变电站自动化功能的能力(互操作性测试)。网络通信规约测试系统主要由以下五部分组成：

1、IED服务器端模拟器：

服务器端模拟器内置符合IEC 61850-7的通信对象模型，通过映射将其他通信协议与调度中心监控主机上IEC 61850客户端监控软件交换信息，模拟数据采集、控制输出功能；支持变电站配置语言(SCL)文件解析，能够根据SCL文件提供的配置信息，静态建立信息模型，IEC 61850服务器端软件在一致性测试系统中扮演间隔的角色。作为虚拟间隔，它应完成模拟开关、刀闸变位、模拟量越死区、事件顺序记录(SOE)、控制操作等功能。IED配置工具也可对其进行 配置。

2、IEC 61580客户端监控软件：

IEC 61850客户端监控软件(IEC 61850对象浏览器)运行在调度中心的监控主机上，遵循IEC 61850标准协议的客户端应用软件，能够与服务器端装置/模拟器进行互连，通过与服务器交互，读取服务信息动态创建服务器端模型，也可解析SCL文件静态生成模型。IEC 61850客户端监控软件是调度中心人机交互的界面，可以查看IEC 61850的信息模型、查看/设置IEC 61850的对象属性、实时显示通信状态、系统设置、系统的通信日志管理、通信报文记录和查看、通信调试、配置管理等功能。

3、系统配置工具：

系统配置工具是一个独立于IED的工具。它收集IED的配置文件，系统配置工具为不同IED提供系统信息，产生符合IEC 61850-6规定的变电站相关配置文件。配置文件作为系统相关IED配置，然后反馈给IED配置工具，实现基于IEC61850的变电站自动化系统工程化。系统配置软件按照IEC61850-6中对象属性间关系的定义，采用面向对象的设计方法，该软件有较强的开放性、规范性和可移植性。软件提供人机界面，用户可以方便进行相应设置，系统依照特定的模式生成SCL文件。

4、IEC配置工具：

IED配置工具是配置IED的专用工具，它是基于SCL，能输入、输出IED的专用定值，产生IED的配置文件。

5、协议分析工具：

对系统进行一致性测试，项目中使用了IEC61850协议分析工具：世界性电力试验认证机构KEMA的UniCA 61850分析器软件。它能抓取并分析以太网上TASE.2和UCA2.0或IEC 61850通信数据，并解释通信设备间的各层协议报文，记录监督整个通信过程，这些功能可用于分析IEC 61850功能模型结构/属性是否合乎要求、协议映射是否正确、参数设置是否合理等。使用KEMA机构的UniCA 61850可对智能电子设备的一致性进行客观、公正地分析和评价。

本发明的优点在于：

1、对变电站通信网络的物理介质和交换机的测试比传统的测试方法全面、 快速、安全；

2、基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法可快速准确的获得接入设备的MAC地址和所属的VLAN；

3、可对各厂商智能电子设备进行一致性或互操作测试。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方法做进一步说明。

本发明的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法实现变电站中通信设备和协议测试的方法主要包括：站内通信网络设备与通信网络功能性能测试：根据对物理传输介质的测试确定物理上是否连通及信号的衰减情况；在物理网络联通情况下对数据链路层的交换机进行测试；网络通信规约测试：依据IEC 61850-10，完成智能电子设备(IED)是否具有互操作能力的测试(一致性测试)，并验证IED集成在一起完成变电站自动化功能的能力(互操作性测试)。

参见附图1，通信网络的传输介质是光纤，对变电站通信网络与系统测试方法实现变电站中通信设备和协议测试之前，需要对通信网络物理层的传输介质(101)进行测试，其中最主要的几个测试项目是链路的衰减特性、连接器的插入损耗、回波损耗等。使用测试工具(102)及方法分别是：光纤识别器，是一光电探测器，可以在不影响传输质量的情况下检测光的状态及方向，大多数的光纤识别器用于工作波长为1310nm或1550nm的单模光纤光纤；故障定位器(故障跟踪器)，它是激光二极管可见光(红光)源，当光注入光纤时，若出现光纤断裂、连接器故障、弯曲过度、熔接质量差等类似的故障时，通过发射到光纤的光就可以对光纤的故障进行可视定位；光损耗测试设备(又称光万用表或光功率计)，在光纤一端发射校准过的稳定光，并在接收端读出输出光功率，将输出光功率、输入光功率代入损耗计算公式可得光线的损耗。在完成通信网络物理层传输介质的测试后，对数据链路层的交换机进行测试，下面结合附图2进行详细的介绍。

对交换机(201)接入通信网络前，首先进行型式测试(202)，主要进行低 温试验、干热试验、湿热性能、静态振动、冲击、自由坠落、静态加载、抗电磁干扰、电磁辐射、绝缘强度试验等，然后提供这些测试结果报告。然后对其功能(203)、性能(204、205)进行测试。

1、交换机的功能测试(203)具体内容包括：

(1)端口镜像功能。交换机一个或多个端口(VLAN)的数据镜像到指定端口的能力即端口镜像功能。为了实现对网络的监听，记录网络上传输的信息，要求将交换机某一端口的所有数据复制到镜像端口，测试时检查镜像端口上的数据包，然后与源端口发送的数据包匹配。

(2)VLAN划分功能。交换机采用虚拟局域网技术功能有：减少参与广播风暴的设备数量，隔离带有关键实时数据设备和产生大量数据输出设备，增强局域网的安全性。测试时检查不同VLAN的端口之间是否实现了有效隔离。

(3)报文优先级QoS功能测试。QoS可网络应用和网络流量提供不同质量的服务。通过QoS，局域网对实时性要求较高的数据提供优先服务甚至可提供专用带宽，从而保证较低的时延和丢包率。采用报文优先级QoS技术过程层网络，对重要报文如GOOSE赋予较高的优先级，测试检查不同优先级报文能否按要求传输。

(4)交换机广播风暴抑制功能测试。病毒、交换机端口故障、网卡故障、链路冗余没有启用生成树协议、受到干扰等可引发广播风暴，测试交换机端口的速率限制功能能否限制其发送的大量广播报文。

(5)交换机安全功能测试。网络可能会受到黑客的攻击，造成交换机拒绝服务，因此需要开展交换机的安全性测试，检查交换机是否存在物理上的安全漏洞，对交换机进行DoS攻击测试其是否有抗攻击能力。功能测试完成后，对其进行性能测试，性能测试分为现场性能测试(204)和组网后性能测试(205)。

2、交换机现场性能测试包括：

(1)端口吞吐量测试。吞吐量是在能接受的最大丢包率下，端口数据包最大转发速率。使用专门的测试仪器，以不同的帧长度(64字节、256字节、512字节、1024字节和1518字节等)进行测试。吞吐率的要求如表1所示。

表1吞吐率的要求

(2)时延测试。时延是一帧数据从网络的一端传送到另一个端所需要的时间，一般由发送时延、交换时延、线路传输时延和排队时延4个部分组成。组网前交换机主要测试帧发送时延与交换时延，考虑到发送端和接收端测试工具实现精确时钟同步的复杂性，传输时延一般通过环回方式进行测量，单项传输时延为往返时延除以2。

(3)丢包率测试。丢包率是所丢失数据包数量占所发送数据包的比率，通常在吞吐量范围内以不同的帧长度(64、128、256、512、1024、1280、1518Byte)进行测试，测得的丢包率应符合表2。

表2丢包率要求

3、交换机组网后的测试：

(1)时延测试。与组网前的时延不同，多台交换机级联延时增加了线路传输时延和排队时延。局域网的传输线路很短，因此传输时延可以忽略不计。但当网络负载重时，交换机将在缓存中将帧进行排队，帧排队给延时引入了非确定性因素，可能会造成传输延时大幅度增加。

(2)丢包率测试。与组网前的测试方法一致。

(3)链路传输速率测试。链路传输速率是指设备间通过网络传输比特的速率。对于10M以太网，单向最大传输速率应达到10Mbit/s；对于100M以太网，单向最大传输速率应能达到100Mbit/S；对于1000M以太网，单向最大传输速率应能达到1000Mbit/S。发送端口和接收端口的利用率关系应符合表3的规定。

表3链路传输速率要求

(4)对数据链路层健康状况测试。数据链路层健康状况包括：网段的流量、网络链路利用率、错误帧率、广播帧和组播帧的数量、冲突率等，这些性能指标可以通过直接提取SNMP端口的方法获得，指标如表4所示。

表4链路的健康状况指标要求

(5)VLAN划分测试。虚拟局域网VLAN可以防止广播风暴波及整个网络、增强局域网的安全性等优点。对于划分后的VLAN对其报文隔离效果进行测试，从而实现广播隔离和提高网络安全性。

(6)RSTP快速生成树协议测试。对于采用环形拓扑结构和采用冗余技术来保证运行可靠性的网络，利用RSTP快速生成树协议提供快速的网络共构时间。在环形网中配置生成树协议后，通过测试验证只有一条链路可用，然后人为断开此链路后验证另一条备用链路恢复使用。

(7)网络负荷率测试。负荷率和网络负荷率是反映系统健壮性的关键指标，也是应付突发事件的系统资源的备用容量，通过这两个关键指标的检测可以较好的从计算机运行的角度反映系统的运行状况。系统负荷率网络指标由各种工作情况下的网络负荷率和系统负荷率标志。可用网络测试仪进行测试。

其中，步骤三中对通信系统的具体参数测试，完成了通信网络的物理层传输介质和数据链路中交换机的测试后，需要对通信系统的具体参数进行测试，包括如下方面的测试：

1、系统连通性测试

(1)将测试工具连接到选定的接入层设备的端口，即测试点。

(2)用测试工具对网络交换机进行10次Ping测试，得到接入设备的MAC地址和预设网络的IP地址，每次间隔1s，以测试网络连通性。测试路径要覆盖所有的子网和VLAN。

(3)移动测试工具到其他位置测试点，重复步骤(2)，直到遍历所有测试抽样设备。以不低于接人层设备总数的10％的比例进行抽样测试，抽样数不少于10台；接入的设备数小于10台的全部测试；每台抽样设备中至少选择一个端口，即测试点，测试点应能够覆盖不同的子网和VLAN。

单项合格判据：测试点到关键服务器的Ping测试连通性达到100％时，则判定该测试点符合要求。

综合合格判据：所有测试点的连通性都达到100％时，则判定局域网系统的连通性符合要求；否则判定局域网系统的连通性不符合要求。

2、链路传输速率测试

若发送端口和接收端口位于同一机房，也可用一台具备双端口测试能力的测 试工具实现，测试应在空载网络中进行。测试步骤如下：

(1)将用于发送和接收的测试工具分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口或末端集线器端口上；

(2)对于交换机，测试工具1在发送端口产生100％满线速流量；对于集线器，测试工具1发送端口产生50％线速流量(建议将帧长度设置为1518Byte)；

(3)测试工具2在接收端口对收到的流量进行统计，计算其端口利用率。骨干链路，应进行全部测试。对与这些链路，以不低于10％的比例进行抽样测试，抽样数不少于10条；当上联链路数不足10条时，全部测试。

发送端口和接收端口的利用率若符合要求，则判定局域网系统的传输速率符合的要求，否则判定局域网系统的传输速率不符合的要求。

3、网络吞吐率测试

若发送端口和接收端口位于同一机房，也可用一台具备双端口测试能力的测试工具实现。

(1)将两台测试工具分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口上；

(2)先从测试工具1向测试工具2发送数据包；

(3)用测试工具1按照一定的帧速率，均匀地向被测网络发送一定数量的数据包；

(4)如果所有的数据包都被测试工具2正确接收到，则增加发送的帧速率；否则减少发送的帧速率；

(5)重复步骤(3)，直到测出被测网络/设备在未丢包的情况下，能够处理的最大帧速率；

(6)分别按照不同的帧大小(包括：64，128，256，512，1024，1280，1518Byte)重复步骤(2)～(4)；

(7)从测试工具2向测试工具1发送数据包，重复步骤(3)～(6)。

对核心层的骨干链路，应进行全部测试。对于端到端的链路，以低于终端用户数量5％比例进行抽测，抽样数不少于10条，抽样需要覆盖所有VLAN到VLAN、网段到网段间可能用到的连接；端到端的链路不足10条时，全部测试。

若局域网系统在不同帧大小情况下，从两个方向测得的最低吞吐率值都符合表1要求时，局域网系统的吞吐率则符合要求，否则判定局域网系统的吞吐率不 符合要求。

4、传输时延测试

当被测网络的收发端口位于不同的地理位置，需要由两台测试工具来完成测试，测试工具1产生流量，测试工具2接收流量，并将测试数据流环回。当被测网络的收发端口位于同一机房，可由一台具有双端口测试能力测试工具完成，测试工具的一个端口用于产生流量，另一个端口用于接收流量。

(1)将测试工具(端口)分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口上；

(2)先从测试工具1(发送端口)向测试工具2(接口端口)均匀地发送数据包；

(3)向被测网络发送一定数目的1518Byte的数据帧，使网络达到所测得的最大吞吐率；

(4)收发端口位于不同的地理位置，由测试工具1向被测网络发送特定的测试帧，在数据帧的发送和接收时刻都打上相应的时间标记；被测网络的收发端口位于同一机房，测试工具通过发送端口发出带有时间标记的测试帧，在接收端口接收测试帧；

(5)测试工具1计算发送和接收的时间标记之差，便可得一次结果；

(6)重复步骤(2)～(4)20次，传输时延是对20次测试结果的平均值；

(7)收发端口位于不同的地理位置，从测试工具2向测试工具1发送数据包，重复步骤(3)～(6)，所得到时延是双向往返时延，单向时延可通过除2计算获得；被测网络的收发端口位于同一机房，交换收发端口，重复步骤(3)～(6)，所得到时延是单向时延。

对核心层的骨干链路，应进行全部测试；对于端到端的链路，以不低于终端用户数量5％比例进行抽测，抽样链路不少于10条；端到端的链路不足10条时，全部测试。

若局域网系统在1518Byte帧长情况下，从两个方向测得的最大传输时延都成1ms时，则判定局域网系统的传输时延符合的要求，否则判定局域网系统的传输时延不符合要求。

5、丢包率测试

测试工具1产生流量，测试工具2接收流量。若发送端口和接收端口位于同 一机房，也可用一台具备双端口测试能力的测试工具实现。

(1)将两台测试工具分别连接到被测网络链路的源和目的交换机端口上；

(2)测试工具1向被测网络加载70％的流量负荷，测试工具2接收负荷，测试数据帧丢失的比例；

(3)分别需按照不同的帧大小(包括64、128、256、512、1024、1280、1518Byte)重复步骤(2)。

对核心层的骨干链路，应进行全部测试。对于端到端的链路，以低于终端用户数量5％比例进行抽测，抽样数不少于10条，抽样需要覆盖所有VLAN到VLAN、网段到网段间可能用到的连接；端到端的链路不足10条时，全部测试。

若局域网系统在不同帧大小情况下测得的丢包率都符合要求时，则判定局域网系统丢包率符合的要求。

6、IP子网划分测试

(1)在局域网系统中的路由器或三层交换机上进行子网测试；局域网系统至少存在两个子网；

(2)将测试计算机1连接到一个子网的物理端口，测试计算机2连接到另一个子网的物理端口；

(3)通过测试计算机1向测试计算机2发送Ping(共发送10次)，查看它们之间的连通性；

(4)将测试工具连接在被测子网的某一物理端口上，测试工具通过发送Ping广播报文、SNMP查询、监听网络中数据包等方式，自动检测出在该子网上所连接的所有设备和终端，并生成该子网的节点列表。

以不低于接人层设备总数的10％的比例进行抽样测试，抽样子网数不少于10台；接入层设备数小于10台的全部测试。测试计算机之间的Ping连通性应与子网设计要求相一致；测试工具自动检测所得到的子网节点列表应同子网设计要求相一致。

7、VLAN划分测试

(1)在局域网系统中进行VLAN划分，至少应划分两个VLAN；

(2)将测试工具1连接到一个VLAN的物理端口，测试工具2连接到另一个VLAN的物理端口；

(3)通过测试工具1向测试工具2发送Ping(共发送10次)，查看它们之间的连通性；

(4)测试工具通过发送Ping广播报文、SNMP查询、监听网络中数据包等方式，自动检测出在该子网上所连接的所有设备和终端，并生成该VLAN的节点列表；

(5)通过测试工具1发送以太网广播包，查看测试工具2是否能够接收到测试工具1发出的广播包；

(6)将测试工具G连接到与测试工具1所在的同一个VLAN的任一端口；

(7)通过测试工具1发送以太网广播包，查看测试工具2是否能够正确接收到测试工具1发出的广播包。

对于被测VLAN的选择，以不低于接入层VLAN数量10％的比例进行抽样，抽样VLAN数不少于10个；被测VLAN不足10个时，需全部测试。合格依据为：测试工具之间的Ping连通性应与VLAN划分相一致；测试工具自动检测所得到的VLAN节点列表应同设计要求相一致；测试工具2应该不能够接收到测试工具1发出的广播包；测试工具2应该能够接收到测试工具1发出的广播包。

完成变电站通信网络物理层传输介质和数据链路层交换机的测试，保证了通信系统能正常的运行，开始对变电站内部通信能力测试进行详细的介绍，数字化变电站内的通信网络在可靠性、安全性、稳定性上比一般的局域网要求更严格，具体体现为在某些测试指标上要求更高，例如GOOSE网不允许有丢包，丢包率必须为0。

结合附图3对变电站总体通信能力测试做详细的说明，首先在被测终端设备(301)通信网络上加入带外、带内两种报文，以一定的负荷发送报文。带外广播报文的目的MAC(media access control，媒介访问控制)地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF，带内报文在数字化变电站系统内抓取数据包获得，以确保带内GOOSE报文的帧格式是终端被测设备接受的帧格式。网络终端设备指连接在网络上的各种智能设备(302)，包括保护、测控、智能控制单元。这个过程可完成接入设备MAC地址及预设网络IP地址的测试。

结合附图4对网络通信规约测试设计进行介绍，网络通信规约测试系统的主要任务为：依据IEC 61850-10，完成智能电子设备(IED)是否具有互操作能力 的测试(一致性测试)，并验证IED集成在一起完成变电站自动化功能的能力(互操作性测试)。测试系统分布在调度中心和变电站。包括调度中心的监控中心、系统配置工具、协议分析工具(403)和变电站的服务器端模拟器、IED配置工具。网络通信规约测试系统主要分成上述五部分，它们的功能分别如下：

1、IED服务器端模拟器：

变电站服务器端模拟主机也称为IED服务器端模拟器，内置符合IEC 61850-7的通信对象模型，通过映射将其他通信协议与调度中心监控主机上IEC 61850客户端监控软件交换信息，模拟数据采集、控制输出功能；支持变电站配置语言(SCL)文件解析，能够根据SCL文件提供的配置信息，静态建立信息模型，IEC61850服务器端软件在一致性测试系统中扮演间隔的角色。作为虚拟间隔，它应完成模拟开关、刀闸变位、模拟量越死区、事件顺序记录(SOE)、控制操作等功能。IED配置工具也可对其进行配置。

2、IEC 61580客户端监控软件：

IEC 61850客户端监控软件(IEC 61850对象浏览器)运行在调度中心的监控主机上，遵循IEC 61850标准协议的客户端应用软件，与服务器端装置/模拟器进行互连，通过与服务器端进行交互，读取服务信息动态创建服务器端模型，也可解析SCL文件静态生成模型。

IEC 61850客户端监控软件是调度中心人机交互的界面，可以查看IEC 61850的信息模型、查看/设置IEC 61850的对象属性、实时显示通信状态、系统设置、系统的通信日志管理、通信报文记录和查看、通信调试、配置管理等功能。

3、系统配置工具：

系统配置工具是一个独立于IED的工具。它收集不同厂商的IED的配置文件，系统配置工具为不同IED提供系统信息，产生符合IEC 61850-6规定的变电站相关配置文件。配置文件作为系统相关IED配置，然后反馈给IED配置工具，实现基于IEC 61850的变电站自动化系统工程化。系统配置软件按照IEC61850-6中对象属性间关系的定义，采用面向对象的设计方法，该软件有较强的开放性、规范性和可移植性。系统配置软件提供人机界面，用户可以方便进行相应设置，系统依照特定的模式生成SCL文件。

4、IEC配置工具：

IED配置工具运行服务器端模拟主机，在是配置IED的专用工具，它是基于SCL，能输入、输出IED的专用定值，产生IED的配置文件。

5、协议分析工具：

对系统进行一致性测试，使用IEC61850协议分析工具：世界性电力试验认证机构KEMA的UniCA 61850分析器软件。它能抓取并分析以太网上TASE.2和UCA2.0或IEC 61850通信，并解释通信设备间的各层协议报文，记录监督整个通信过程，这些功能可用于分析IEC 61850功能模型结构/属性是否合乎要求、协议映射是否正确、参数设置是否合理等。使用KEMA机构的UniCA 61850可对智能电子设备的一致性进行客观、公正地分析和评价。

综合利用上述的几种工具可以对变电站内的智能电子设备的一致性和互操作性进行测试。

Claims (7)

1.基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

(1)对变电站通信网络物理层传输介质的测试；

(2)数据链路层网络交换机的测试；

(3)通信网络与系统具体参数测试；

(4)变电站内部通信能力测试；

(5)变电站总体通信能力测试；

(6)网络通信规约测试设计。

2.根据权利要求1所述的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，其特征在于：所述的步骤(1)对变电站通信网络物理层传输介质的测试，变电站通信网络传输介质是光纤，测试几个性能参数是链路的衰减特性、连接器的插入损耗、回波损耗等。

3.根据权利要求1所述的基于IEC 81850标准变电站通信网络与系统测试方法，其特征在于：所述的步骤(2)中数据链路层网络交换机的测试，包括如下步骤：

(1)数据链路层交换机的型式测试；

(2)数据链路层交换机的现场测试；

(3)交换机组网后的测试。

4.根据权利要求1所述的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，其特征在于：所述的步骤(3)通信网络与系统具体参数测试，包括如下步骤：

(1)系统连通性测试；

(2)链路传输速率测试；

(3)网络吞吐率测试；

(4)传输时延测试；

(5)丢包率测试；

(6)IP子网划分测试；

(7)VLAN划分测试。

5.根据权利要求1所述的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，其特征在于：所述的步骤(4)变电站内部通信能力测试，数字化变电站内的通信网络在可靠性、安全性、稳定性上比一般的局域网要求更严格，为了测试更真实地反映变电站实际情况，在测试网络过程层时应尽量采用GOOSE报文作为测试报文，而在测试网络站控层时应该要以MMS报文和GOOSE报文作为测试报文。

6.根据权利要求1所述的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，其特征在于：所述的步骤(5)变电站总体通信能力测试，在被测终端设备通信网络上加入带外、带内两种报文，以一定的负荷发送报文；带外广播报文的目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF，抓取变电站系统通信网络内数据包获得带内报文，以确保带内GOOSE报文的帧格式是终端被测设备接受的帧格式，网络终端设备指连接在网络上的各种智能设备，包括保护、测控、智能控制单元。

7.根据权利要求1所述的基于IEC 61850标准变电站通信网络与系统测试方法，其特征在于：所述的步骤(6)网络通信规约测试设计，网络通信规约测试的主要任务为：依据IEC 61850-10，完成智能电子设备(IED)是否具有互操作能力的测试，即一致性测试；并验证IED集成在一起完成变电站自动化功能的能力，即互操作性测试，网络通信规约测试系统主要由五部分组成：

(1)IED服务器端模拟器；

(2)IEC 61580客户端监控软件；

(3)系统配置工具；

(4)IEC配置工具；

(5)协议分析工具。

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