CN103532790B - 智能变电站过程层网络性能定量测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能变电站过程层网络性能定量测试系统，具体为采用若干台检测装置替代实际变电站众多的合并器和智能单元构建过程层网络，检测装置无需模拟量输入支持、可配置定量的背景SV和背景GOOSE以及突变的GOOSE发送报文，检测装置发送端可记录指定的SV和全部GOOSE发送时间，接收端可记录指定的SV和全部GOOSE的接收时间，系统通过SV和GOOSE报文可匹配收发报文，继而计算出每个SV和GOOSE收发之间的时延，针对时延序列进行技术分析可实现对定量背景数据和突发数据下的过程层网络性能的检测。本发明为智能变电站过程层网络性能定量测试提供了有效的技术手段，无需实际模拟量输入即可模拟实际变电站过程层运行，为过程层组网设计和调试提供了参考依据。
Description
技术领域
本发明公开了智能变电站过程层网络性能定量测试系统，属于电力系统智能变电站技术领域。
背景技术
近年来,随着智能变电站技术的发展和推广应用,全数字化接口的智能电子设备在变电站中被大量使用。这些设备需要通过站内通信网络传输实时采样值、遥测、遥信等信息，全数字化的智能变电站大部分关键功能都依靠通信网络实现,因此对这些信息的传输要求具有非常高的实时性,这对智能变电站的网络性能提出了很高的要求。
在智能变电站所采用的IEC61850通信协议中,变电站被分为三层：变电站层、间隔层和过程层,过程层网络连接过程层和间隔层，传输采样值(SV)以及GOOSE数据。
目前网络性能的分析主要采用软件仿真，但由于智能变电站过程层网络拓扑结构的不同、交换机实际性能不同等原因,都会造成实时性能的差异,传统的软件模拟计算很难完整模拟交换机性能,更不可能发现交换机产品设计、性能及功能方面的缺陷。另外,智能变电站是在最近几年才开始进入推广阶段，在此期间技术细节不断变化，交换机、保护测控装置等都未有稳定的、很长时间的运行经验。智能变电站内的以太网络在突发高流量时的运行稳定性及性能指标等方面都无法确切知晓。为此,需要采用有效技术手段,定量的测试各种流量情况下智能变电站网络的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种测试系统，以计算和分析过程层网络在输入定量背景流量和突发流量情况下SV和GOOSE报文收发的时延特性，从而满足智能变电站过程层网络性能定量测试的需要。
为实现上述发明目的，本发明是采取以下的技术方案实现:
智能变电站过程层网络性能定量测试系统，包括若干台相互并联的检测装置，所述每台检测装置均包括SV和GOOSE配置数据存储模块、FPGA中SV同步/异步调理模块、DSP中GOOSE调理模块、以太网MAC模块、收发报文tick数转换为绝对时间模块、DSP以太网RJ45口模块、光B码同步模块、系统时间模块以及后台控制和分析模块，其中，所述SV和GOOSE配置数据存储模块分别通过FPGA中SV同步/异步调理模块和DSP中GOOSE调理模块与以太网MAC模块相连接，DSP以太网RJ45口模块分别与SV和GOOSE配置数据存储模块和后台控制和分析模块相连接，收发报文tick数转换为绝对时间模块分别与以太网MAC模块、系统时间模块以及DSP以太网RJ45口模块相连接，光B码同步模块与系统时间模块相连接；所述检测装置通过光纤交换机与过程层网络进行通信。
前述的SV和GOOSE配置数据存储模块,通过DSP以太网RJ45口模块接收后台通过TCP链路下载的定量SV和GOOSE数据、突变GOOSE数据，经解析后分别下发给FPGA中SV同步/异步调理模块和DSP中GOOSE调理模块，指导测试装置通过以太网MAC模块发送SV和GOOSE报文。
前述的SV和GOOSE配置数据存储模块中，SV数据配置包括配置9-1或9-2协议，配置不同的发包节奏和包Asdu个数。
前述的FPGA中SV同步/异步调理模块，根据SV配置调理SV报文格式以及发包速率，并通过以太网MAC模块向过程层网络发送调理后的SV报文，FPGA上扩展6组以太网口，6组以太网口可根据时钟同步发送SV报文，也可将各以太网口发送SV报文配置在不同时刻点发出，从而构成SV异步发送网络环境。
前述的DSP中GOOSE调理模块，根据GOOSE配置调理变位和非变位报文格式及发包速率，并通过以太网MAC模块向过程层网络发送调理后的GOOSE报文，在非变位情况下，DSP按5秒的节奏发送GOOSE报文；当SV和GOOSE配置数据存储模块中配置的GOOSE数据在某个时刻点发生突变，则DSP中的定时器到达该时刻点时DSP将发送该突变的GOOSE报文。
前述的以太网MAC模块，负责SV和GOOSE报文的发送和接收并获得收发报文的tick数，以太网MAC模块共有6组以太网口，每个网口均可设置为发送或接收模式，用以发送或接收1组SV报文和3组GOOSE报文。
前述的收发报文tick数转换为绝对时间模块，接收以太网MAC模块发送的发送报文tick时间FIFO和接收报文tick时间FIFO数据，结合系统时间模块计算出SV和GOOSE报文收发的绝对时间，并将形成的绝对时间发送至发送SV和GOOSE时标队列以及接收SV和GOOSE时标队列。
前述的DSP以太网RJ45口模块，负责解析后台控制和分析模块下达的配置数据和控制指令，并将发送SV和GOOSE时标队列和接收SV和GOOSE时标队列中的数据返回给后台控制和分析模块。
前述的光B码同步模块接收外部时钟的光B码进行对时，从而保证各个检测装置的时间同步，确保各个检测装置收发SV和GOOSE报文时间的精准性。
前述的后台控制和分析模块运行于PC，通过TCP链路向检测装置下载SV和GOOSE配置数据，并接收来自检测装置的SV和GOOSE的发送和接收时标队列，通过对发送和接收时标队列的解析获得报文收发时延平均值/最大值、时延方差、合格率、丢包率统计数据，由此分析收发报文的时延特性，从而达到描述智能变电站过程层网络性能的目的；所述后台控制和分析模块通过UDP报文命令检测装置启动/停止检测。
通过采用上述技术手段，本发明的优点为：本发明无需实际模拟量输入即可模拟多合并器和多智能单元同步/异步发送定量的采样值和GOOSE报文，系统采用1个或若干个检测装置可仿真智能变电站过程层网络运行环境，并通过对采样值和GOOSE收发报文的时延分析计算出收发报文的时延平均值/最大值、时延方差、合格率、丢包率、统计等网络性能指标，进而达到智能变电站过程层网络性能定量测试的目的。
附图说明
图1为智能变电站过程层网络性能定量测试系统功能模块结构示意图；
图2为智能变电站过程层网络性能定量测试系统物理测试结构示意图；
图3为智能变电站过程层网络性能定量测试系统的检测装置收发报文绝对时间计算过程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明作具体的说明。
如图1所示，本发明的智能变电站过程层网络性能定量测试系统采用若干台相互并联的检测装置替代实际变电站众多的合并器和智能单元构建过程层网络，其中每台检测装置均包括SV和GOOSE配置数据存储模块、FPGA中SV同步/异步调理模块、DSP中GOOSE调理模块、以太网MAC模块、收发报文tick数转换为绝对时间模块、DSP以太网RJ45口模块、光B码同步模块、系统时间模块以及后台控制和分析模块，各模块之间的连接关系为，SV和GOOSE配置数据存储模块分别通过FPGA中SV同步/异步调理模块和DSP中GOOSE调理模块与以太网MAC模块相连接，DSP以太网RJ45口模块分别与SV和GOOSE配置数据存储模块和后台控制和分析模块相连接，收发报文tick数转换为绝对时间模块分别与以太网MAC模块、系统时间模块以及DSP以太网RJ45口模块相连接，光B码同步模块与系统时间模块相连接；检测装置通过光纤交换机与过程层网络进行通信。
SV和GOOSE配置数据存储模块,通过DSP以太网RJ45口模块接收后台通过TCP链路下载的定量SV和GOOSE数据、突变GOOSE数据，经解析后分别下发给FPGA中SV同步/异步调理模块和DSP中GOOSE调理模块，指导测试装置通过以太网MAC模块模块发送SV和GOOSE报文，其中SV数据配置可选择9-1或9-2协议，可配置不同的发包节奏和包Asdu个数。
FPGA中SV同步/异步调理模块，根据SV配置调理SV报文格式以及发包速率，并通过以太网MAC模块向过程层网络发送调理后的SV报文，FPGA上扩展6组以太网口，6组以太网口可根据时钟同步发送SV报文，也可将各以太网口发送SV报文配置在不同时刻点发出，从而构成SV异步发送网络环境。
DSP中GOOSE调理模块，根据GOOSE配置调理变位和非变位报文格式及发包速率，并通过以太网MAC模块向过程层网络发送调理后的GOOSE报文，在非变位情况下，DSP按5秒的节奏发送GOOSE报文；当SV和GOOSE配置数据存储模块中配置的GOOSE数据在某个时刻点发生突变，则DSP中的定时器到达该时刻点时DSP将发送该突变的GOOSE报文，DSP可组织GOOSE单次和周期性变化发送。
以太网MAC模块，负责SV和GOOSE报文的发送和接收并获得收发报文的tick数，以太网MAC模块共有6组以太网口，每个网口均可设置为发送或接收模式，用以发送或接收1组SV报文和3组GOOSE报文；检测装置可指定任1组SV为检测帧以记录其发送或接收时标，并将该时标写入GOOSE的发送和接收时标全部记录，时标精确度为1μs。
收发报文tick数转换为绝对时间模块，接收以太网MAC模块发送的发送报文tick时间FIFO和接收报文tick时间FIFO数据，结合系统时间模块计算出SV和GOOSE报文收发的绝对时间，并将形成的绝对时间发送至发送SV和GOOSE时标队列以及接收SV和GOOSE时标队列，检测装置以10ms周期向后台控制和分析模块发送收发报文时标队列。
DSP以太网RJ45口模块，负责解析后台控制和分析模块下达的配置数据和控制指令，并将发送SV和GOOSE时标队列和接收SV和GOOSE时标队列中的数据返回给后台控制和分析模块。
光B码同步模块接收外部时钟的光B码进行对时，从而保证各个检测装置的时间同步，确保各个检测装置收发SV和GOOSE报文时间的精准性。
后台控制和分析模块运行于PC，可运行与LINUX和WINDOWS平台，通过TCP链路向检测装置下载SV和GOOSE配置数据，并接收来自检测装置的SV和GOOSE的发送和接收时标队列，通过对发送和接收时标队列的解析获得报文收发时延平均值/最大值、合格率、丢包率、时延方差等统计数据，由此分析收发报文的时延特性，从而达到描述智能变电站过程层网络性能的目的；后台控制和分析模块通过UDP报文命令检测装置启动/停止检测。
如图2所示，后台为安装于PC侧的控制和分析模块，通过以太网与各检测装置相连接，后台通过TCP链路向各个检测装置下载SV和GOOSE配置数据以及接收检测装置上传的SV和GOOSE报文时标数据；各个检测装置通过外部时钟进行光B码对时；检测装置通过光纤与过程层交换机相连接，如图2中检测装置1发送A报文并记下其时标T1，检测装置N接收A报文并记下其时标T2，二者将T1和T2传送至后台，则A报文收发时差为T＝T2-T1。
图3为智能变电站过程层网络性能定量测试系统的检测装置收发报文绝对时间计算过程图。
检测装置利用高精度晶振产生25M频率时钟来计算收发报文时标，25M速率可保持计算精度在40ns(1个tcik)，满足系统μs级测试。设定计数周期为Ttc，其值为0x4000000，折算成毫秒数为2684ms。
系统时间sysTime表述为以下结构：
其中utcSecs为系统时间当前的UTC时间(精确到秒)，SecTick为秒后的tick计数，freeTick为更新系统时间时的当时系统tick计数。
设定报文的tick计数为pktTick，pktTick和freeTick的计算差值为Td,当pktTick和freeTick相等时，系统认为报文时间与系统时间一致；当pktTick和freeTick不等时，考虑到tick计数的回绕，Td有4种形式值，具体如下：
a)如图3(1)中：当pktTick和freeTick在同一个时间周期中,pktTick超前于freeTick时，此时报文绝对时间需在系统时间加上Td:
Td＝pktTick–freeTick (Td>0)
Td的绝对值是不能大于Ttc/2(2684/2＝1.342秒)，如果Td绝对值大于Ttc/2，则帧时间已无意义，以下相同处理。
b)如图3(2)中，当pktTick和freeTick不在同一个时间周期中，pktTick落后于freeTick时：
Td＝pktTick–(freeTick+Ttc) (Td<0)
c)如图3(3)中,当pktTick和freeTick在同一个时间周期中,pktTick落后于freeTick时：
Td＝pktTick–freeTick (Td<0)
d)如图3(4)中，当pktTick和freeTick不在同一时间周期，pktTick超前于freeTick时：
Td＝pktTick+Ttc–freeTick (Td>0)
经过以上4种运算方式，可以计算出时差Td，我们利用系统时间sysTime加上Td，即可计算出报文绝对时间。
上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：包括若干台相互并联的检测装置，所述每台检测装置均包括SV和GOOSE配置数据存储模块、FPGA中SV同步/异步调理模块、DSP中GOOSE调理模块、以太网MAC模块、收发报文tick数转换为绝对时间模块、DSP以太网RJ45口模块、光B码同步模块、系统时间模块以及后台控制和分析模块，其中，所述SV和GOOSE配置数据存储模块分别通过FPGA中SV同步/异步调理模块和DSP中GOOSE调理模块与以太网MAC模块相连接， DSP以太网RJ45口模块分别与SV和GOOSE配置数据存储模块和后台控制和分析模块相连接，收发报文tick数转换为绝对时间模块分别与以太网MAC模块、系统时间模块以及DSP以太网RJ45口模块相连接，光B码同步模块与系统时间模块相连接；所述检测装置通过光纤交换机与过程层网络进行通信。
2.根据权利要求1所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述SV和GOOSE配置数据存储模块, 通过DSP以太网RJ45口模块接收后台通过TCP链路下载的定量SV和GOOSE数据、突变GOOSE数据，经解析后分别下发给FPGA中SV同步/异步调理模块和DSP中GOOSE调理模块，指导测试装置通过以太网MAC模块发送SV和GOOSE报文。
3.根据权利要求2所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述SV和GOOSE配置数据存储模块中，SV数据配置包括配置9-1或9-2协议，配置不同的发包节奏和包Asdu个数。
4.根据权利要求1所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述FPGA中SV同步/异步调理模块，根据SV配置调理SV报文格式以及发包速率，并通过以太网MAC模块向过程层网络发送调理后的SV报文，FPGA上扩展6组以太网口，6组以太网口可根据时钟同步发送SV报文，也可将各以太网口发送SV报文配置在不同时刻点发出，从而构成SV异步发送网络环境。
5.根据权利要求1所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述DSP中GOOSE调理模块，根据GOOSE配置调理变位和非变位报文格式及发包速率，并通过以太网MAC模块向过程层网络发送调理后的GOOSE报文，在非变位情况下，DSP按5秒的节奏发送GOOSE报文；当SV和GOOSE配置数据存储模块中配置的GOOSE数据在某个时刻点发生突变，则DSP中的定时器到达该时刻点时DSP将发送该突变的GOOSE报文。
6.根据权利要求1所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述以太网MAC模块，负责SV和GOOSE报文的发送和接收并获得收发报文的tick数，以太网MAC模块共有6组以太网口，每个网口均可设置为发送或接收模式，用以发送或接收1组SV报文和3组GOOSE报文。
7.根据权利要求1所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述收发报文tick数转换为绝对时间模块，接收以太网MAC模块发送的发送报文tick时间FIFO和接收报文tick时间FIFO数据，结合系统时间模块计算出SV和GOOSE报文收发的绝对时间，并将形成的绝对时间发送至发送SV和GOOSE时标队列以及接收SV和GOOSE时标队列。
8.根据权利要求1所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述DSP以太网RJ45口模块，负责解析后台控制和分析模块下达的配置数据和控制指令，并将发送SV和GOOSE时标队列和接收SV和GOOSE时标队列中的数据返回给后台控制和分析模块。
9.根据权利要求1所述的智能变电站过程层网络性能定量测试系统，其特征在于：所述光B码同步模块接收外部时钟的光B码进行对时，从而保证各个检测装置的时间同步，确保各个检测装置收发SV和GOOSE报文时间的精准性。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |