CN203301508U - 智能变电站压力测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能变电站压力测试装置，属于智能变电站技术领域。包括顺次连接的上位机、CPU系统、FPGA及以太网物理层电路。本实用新型提供了符合IEC61850规约体系的测试环境，可输出正常的SV采样值、GOOSE数据，模拟系统的正常运行或者电网故障，也可输出SV采样值格式的背景干扰流量数据和GOOSE格式的背景干扰流量数据，除此之外，还可输出IP、ARP、ICMP、SNMP等报文形成一般背景流量，通过对特定APPID的SV报文或者GOOSE报文、MMS报文进行过滤分析，发现网络中特定IED装置或整个过程层网络等交换设备在不同负载压力背景下可能存在的安全隐患，提高智能变电站安全运行水平。

Description

智能变电站压力测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种智能变电站压力测试装置，属于智能变电站技术领域。

背景技术

智能变电站具有一次设备智能化、二次设备网络化的特点。二次设备系统中电压、电流由合并单元输出，为满足IEC61850规约的光数字报文，经光纤传输给保护、测控、计量、录波、网络记录等IED装置；保护跳、合闸信号、断路器位置信号、控制信号以GOOSE报文经光纤传输给相应的IED装置。网络在智能变电站中具有重要的作用，目前，部分智能变电站过程层采用SV、GOOSE、IEEE1588对时信号三网合一的方式，所有信号均通过网络上传输，部分智能变电站过程层采用保护直采直跳方式，测控、计量、网络记录等采用组网的方式，部分智能变电站采用SV、GOOSE分开组网的方式，但都体现了二次设备网络化的特点。二次设备网络化使得智能变电站具有信息共享，支持更多高级应用的可能，但如何保证二次设备网络的安全、稳定运行，如何全面测试网络的性能，还没有一个成熟的方案，也缺乏相应的测试设备。

与传统变电站相比，智能化变电站中的通信网络在结构、功能、性能和重要性等方面存在较大差异。例如在过程层采用以太网的智能化站中，GOOSE 网络实际上相当于传统变电站中保护测控装置的跳合闸回路，一旦网络出现问题同时系统又发生故障，就有可能出现保护动作但跳闸报文无法及时传输，从而导致断路器无法及时跳开的情况。在智能变电站中，二次设备网络的地位已经上升到和继电保护及安全自动装置同样的高度，需要像对保护、测控等IED装置检验一样对通信网络开展测试工作。目前，智能变电站网络性能测试设备大多集中于交换机一般指标性能的测试，如吞吐率、时延、丢包率等指标，且多为进口设备，价格昂贵，所发送的测试报文为一般IP报文，缺乏IEC61850体系的测试环境，不能真正发现智能变电站网络系统可能存在的安全隐患。

实用新型内容

针对目前现有技术中存在的智能变电站网络测试技术问题，本实用新型提供了一种智能变电站压力测试装置。本实用新型可实现智能变电站网络系统压力测试，也可实现单装置压力测试。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

智能变电站压力测试装置，包括顺次连接的上位机、CPU系统、FPGA及以太网物理层电路；具体是：

上位机，与CPU系统通过电以太网通信接口相连，实现人机接口和网络压力测试设置及过程控制；

CPU系统，连接上位机与FPGA，通过PCIE总线和控制总线与FPGA相连，控制多个压力测试接口的数据发送与接收；

FPGA，大规模可编程逻辑器件，通过PCIE总线和本地控制总线与CPU系统相连，通过MII发送模块、MII接收模块与以太网物理层电路PHY芯片相连，实现以太网压力测试接口的数据发送与接收，以及报文过滤与分析；

以太网物理层电路，通过PHY芯片与FPGA相连，通过以太网接口模块与被测设备实现物理连接。

所述以太网物理层电路由PHY芯片与以太网接口模块组成，以太网接口模块实现与被测对象的物理连接；所述以太网接口模块根据测试需要可以配置为电以太网接口模块，也可以配置为光以太网接口模块。

本实用新型的优点及有益效果是：

1、具备IEC61850规约体系的测试环境，压力测试更真实。本实用新型的智能变电站压力测试装置可输出有效的SV、GOOSE报文，也可输出SV、GOOSE格式的干扰流量报文，以及一般背景流量报文，流量可调整，更能模拟智能变电站二次系统网络及设备的实际运行报文环境，比单纯侧重于交换设备性能测试的网络测试设备，更易于发现二次系统网络及特定装置可能存在的安全隐患，提高智能变电站安全运行水平。

2、适应网络压力测试和组网方式工作的单装置压力测试，适应性强。本实用新型的压力测试方法及装置既可进行网络环境下的压力测试，也能进行单装置压力测试，便于在出厂测试中及早发现单装置可能存在的安全隐患。

3、功能强大，现场测试方便。本实用新型的智能变电站压力测试装置可在压力测试环境下模拟电网故障，无需光数字继电保护测试设备的配合，测试简便，效率高。

本实用新型提供了符合IEC61850规约体系的测试环境，可输出正常的SV采样值、GOOSE数据，模拟系统的正常运行或者电网故障，也可输出SV采样值格式的背景干扰流量数据和GOOSE格式的背景干扰流量数据，除此之外，还可输出IP、ARP、ICMP、SNMP等报文形成一般背景流量，通过对特定APPID的SV报文或者GOOSE报文、MMS报文进行过滤分析，发现网络中特定IED装置或整个过程层网络等交换设备在不同负载压力背景下可能存在的安全隐患，提高智能变电站安全运行水平。

此外，运行于智能变电站二次设备网络中的IED设备，也可采用本实用新型进行单装置测试，及早发现IED装置在不同压力及流量下可能存在的安全隐患。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本实用新型智能变电站压力测试方法的流程示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为图2中CPU系统结构图；

图4为图2中FPGA内部逻辑结构图；

图5为图2中以太网物理层电路结构图；

图6为三网合一模式下本实用新型装置测试接入示意图；

图7为SV、GOOSE分别组网模式下本实用新型装置测试接入示意图；

图8 为组网方式工作的保护/测控等IED装置进行单装置压力测试时接线示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实用新型提供一种智能变电站压力测试装置，如图1-图2所示，

包括顺次连接的上位机、CPU系统、FPGA、以太网物理层电路，进一步地：

上位机，与CPU系统通过电以太网通信接口相连，实现人机接口和网络压力测试设置及过程控制；

CPU系统，连接上位机与FPGA，通过PCIE总线和控制总线与FPGA相连，控制多个压力测试接口的数据发送与接收；

FPGA，大规模可编程逻辑器件，通过PCIE总线和本地控制总线与CPU系统相连，通过MII发送模块、MII接收模块与以太网物理层电路PHY芯片相连，实现以太网压力测试接口的数据发送与接收，以及报文过滤与分析；

以太网物理层电路，通过PHY芯片与FPGA相连，通过以太网接口模块与被测设备实现物理连接。

本实用新型中所述以太网物理层电路由PHY芯片与以太网接口模块组成，以太网接口模块实现与被测对象的物理连接。所述以太网接口模块根据测试需要可以配置为电以太网接口模块，也可以配置为光以太网接口模块。

优选的，如图3所示，CPU系统包括：CPU、电以太网通信接口、PCIE总线接口、大容量CF卡、DDR2 RAM、晶振等其它外围芯片，CPU系统通过电以太网通信接口与上位机连接。

优选的，如图4所示，FPGA内部逻辑功能包括PCIE接口模块、控制模块、发送存储RAM、MII发送模块、接收存储RAM、MII接收模块，进一步地：

所述PCIE接口模块，实现CPU系统与FPGA的数据连接；

所述控制模块，用于控制PCIE接口模块发送各种长度PCIE数据读包请求；控制PCIE接口将接收的数据发送给CPU系统；控制MII发送模块的发送模式，控制MII接收模块的报文过滤和特定APPID的SV、GOOSE报文的丢帧统计、延时计算；

所述发送存储RAM，连接PCIE接口模块和MII发送模块，用于存储发送的一般背景流量报文、SV采样值报文或GOOSE报文；

所述接收存储RAM，连接PCIE接口模块和MII接收模块，用于存储接收的一般背景流量报文、SV采样值报文、GOOSE报文或MMS报文；

所述MII发送模块，连接控制模块、发送存储RAM和以太网物理层电路PHY芯片，根据控制模块的指令将存储在发送存储RAM中的一般背景流量报文、SV采样值报文、GOOSE报文采用MII接口时序发送到PHY芯片；

所述MII接收模块，连接控制模块、接收存储RAM和以太网物理层电路PHY芯片，接收PHY芯片的MII时序数据，将一般背景流量报文、SV采样值报文、GOOSE报文或者MMS报文分离存储至接收存储RAM，并根据过滤规则对特定APPID的报文进行丢帧统计，延时计算。

所述MII发送模块、MII接收模块可以是1-N个，所述以太网物理层电路相应也可以是1-N组。

优选的，如图5所示，以太网物理层电路包含PHY芯片与以太网接口模块，以太网接口模块根据测试需要可以配置为电以太网接口模块，也可以配置为光以太网接口模块。

本实用新型测试方法包括以下步骤：

根据预定规则配置测试端口与被测设备端口连接关系；

配置测试发送端口发送的报文类型、报文内容和流量；

配置测试接收端口过滤规则；

根据测试发送端口配置的报文类型、报文内容和流量发送测试报文；

调整测试发送端口报文流量；

根据测试接收端口收到的信息评估特定IED装置或者整个过程层网络在不同负载压力下的行为。

本实用新型中所述根据预定规则配置测试端口与被测设备端口连接关系的过程具体为：确定压力测试的测试对象，以及测试端口与测试对象的端口连接关系，包括测试发送端口及测试接收端口，配置并连接测试端口和测试对象端口。所述测试发送端口为光以太网口；所述测试接收端口包含光以太网口和电以太网口。

本实用新型中所述配置测试发送端口发送的报文类型、报文内容和流量的过程具体为：设置测试发送端口SV采样值控制块数目及相应的控制块参数，SV采样值控制块分为2类，第1类SV采样值控制块：SV采样值控制块从SCD全站配置文件中导入；第2类SV采样值控制块：SV采样值控制块APPID、MAC地址不在SCD全站配置文件范围之内，此类SV采样值控制块通道数目可设置，用于形成SV格式的背景干扰流量报文。设置测试发送端口GOOSE控制块数目及相应控制块参数，GOOSE控制块可分为2类，第1类GOOSE控制块：从SCD全站配置文件中导入；第2类GOOSE控制块：GOOSE控制块APPID、MAC地址不在SCD全站配置文件范围之内，此类GOOSE控制块通道数目可设置，用于形成GOOSE格式的背景干扰流量报文。

设置测试发送端口一般背景报文类型，报文类型可选择：IP、ARP、ICMP、SNMP等报文，用于形成一般背景流量报文。设置测试发送端口SV采样值报文数据，第1类SV采样值控制块报文数据根据测试需求设置正常运行数据、额定值数据或者模拟电网故障数据，为有效的SV采样值数据；第2类SV采样值控制块报文数据设置额定值数据或者零值数据，形成SV采样值格式的背景干扰流量数据。设置测试发送端口GOOSE报文数据，第1类GOOSE控制块报文数据根据测试需求设置正常运行状态值，或者模拟电网故障状态变位值；第2类GOOSE控制块报文数据设置固定状态值或者定时变位状态值，形成GOOSE格式的背景干扰流量数据；设置测试发送端口一般背景报文长度和流量，形成一般背景流量。

本实用新型中所述配置测试接收端口过滤规则的过程具体为：根据测试需求和实际连接，设置测试接收光以太网口的过滤规则，如果接收光以太网口接入过程层端口，设置特定IED装置的APPID；如果接收光以太网口接入站控层MMS网或IED装置MMS光以太网端口，设置特定IED装置的IP地址或者MAC地址。

根据测试需求和实际连接，如测试接收电以太网口接入站控层MMS网或IED装置MMS电以太网端口，设置特定IED装置的IP地址或者MAC地址。

本实用新型所述根据测试接收端口收到的信息评估特定IED装置或者整个过程层网络在不同负载压力下的行为，具体包含如下方法：

(1) 根据设置的特定IED装置的SV采样值或者GOOSE控制块APPID，过滤接收对应的SV采样值或者GOOSE报文，通过报文序号是否连续判别特定IED装置是否发生丢帧现象；通过解析报文品质位，判别相应报文是否品质位异常；

(2) 根据设置的特定IED装置的GOOSE控制块APPID，过滤接收相应的GOOSE报文，检查GOOSE通道变位情况，判别特定IED装置是否正确动作；

(3) 根据设定的特定IED装置的IP地址或者MAC地址，从该IED装置的MMS信息中过滤出是否发生SV丢帧/断链、GOOSE丢帧/断链、风暴告警等异常现象；

(4) 通过比较测试发送端口发送报文的硬件时标与测试接收端口接收相应报文的硬件时标，测试网络交换设备在不同负载压力下的延时；

本实用新型中所述压力测试过程中根据测试需求调整一般背景流量的大小。

 实施例2：

如图6所示， 图6为三网合一模式下的智能变电站压力测试示意图，压力测试的具体过程可以为如下：

步骤1：根据测试需求，压力测试装置光以太网口接入SV/GOOSE/IEEE1588合一的网络交换设备，压力测试装置MMS端口接入站控层MMS网；

步骤2：配置接入SV/GOOSE/IEEE1588网络的光以太网口发送报文的类型、内容和流量。可设置同时发送SV采样值、GOOSE报文、以及IP/ARP/ICMP等一般背景流量报文。

SV采样值控制块可以从SCD全站配置文件中选择，模拟合并单元MU输出有效SV采样值，可模拟正常运行SV采样值数据，也可模拟电网故障SV采样值数据，SV采样值控制块也可设置APPID、MAC地址不在SCD全站配置文件范围内的SV采样值控制块，模拟网络中的SV格式的干扰背景流量，SV数据可以是额定值，也可输出零值；GOOSE控制块可以从SCD全站配置文件中选择，模拟保护、测控输出有效GOOSE报文，也可设置APPID、MAC地址不在SCD全站配置文件范围内的GOOSE控制块，模拟网络中的GOOSE格式的干扰背景流量，GOOSE报文值可模拟固定状态值，也可模拟定时变位状态值。一般背景流量报文可选择IP、ARP、ICMP、SNMP报文类型，报文长度和流量可设置。

步骤3：配置接入SV/GOOSE/IEEE1588网的光以太网接收端口、接入站控层MMS网的以太网端口过滤规则。对接入SV/GOOSE/IEEE1588网的光以太网接收端口，根据测试需要设置特定IED装置的APPID，对接收到的相同APPID的报文，进行丢帧、品质位异常判别；对接入站控层MMS网的以太网接收端口，设置特定IED装置的IP地址或者MAC地址，用于进行相应装置丢帧/断链、风暴告警判别。

步骤4：根据步骤2配置的报文类型、报文内容和流量发送测试报文；

步骤5：调整发送端口报文流量；

步骤6：根据步骤3设置的接收端口过滤规则进行压力测试评估。

实施例3：

如图7所示，图7为SV、GOOSE分别组网模式下本实用新型的压力测试装置接入示意图，测试步骤同上，只是测试光以太网口分别连接SV网和GOOSE网。

实施例4：

如图8所示，图8为组网方式工作的保护、测控等IED装置进行单装置压力测试时的示意图，测试步骤同上，只是测试光以太网及MMS以太网端口直接接入被测装置相应端口。

Claims (2)

1. 、智能变电站压力测试装置，其特征是：包括顺次连接的上位机、CPU系统、FPGA及以太网物理层电路；具体是：

上位机，与CPU系统通过电以太网通信接口相连，实现人机接口和网络压力测试设置及过程控制；

CPU系统，连接上位机与FPGA，通过PCIE总线和控制总线与FPGA相连，控制多个压力测试接口的数据发送与接收；

FPGA，大规模可编程逻辑器件，通过PCIE总线和本地控制总线与CPU系统相连，通过MII发送模块、MII接收模块与以太网物理层电路PHY芯片相连，实现以太网压力测试接口的数据发送与接收，以及报文过滤与分析；

以太网物理层电路，通过PHY芯片与FPGA相连，通过以太网接口模块与被测设备实现物理连接。

2.根据权利要求1所述的智能变电站压力测试装置，其特征是：

所述以太网物理层电路由PHY芯片与以太网接口模块组成，以太网接口模块实现与被测对象的物理连接；

所述以太网接口模块根据测试需要可以配置为电以太网接口模块，也可以配置为光以太网接口模块。

Images