智能变电站过程层交换机测试技术研究

谢青洋

摘要：作为智能变电站的核心设备之一，过程层网络交换机直接关系到全站的可靠稳定运行，因此需要对其测试技术进行研究。本文基于实验室测试环境及现场工程调试经验，对智能变电站过程层交换机功能性能的测试技术进行了研究，提出了一套完整的测试方法。

关键词：智能变电站;交换机;测试技术

中图分类号：TM762    文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2018）10-0000-00

随着南方电网“十三五”智能电网规划的逐步实施，未来南网区域新建或改建的变电站原则上都需按照“三层两网”的智能变电站模式进行建设，为了确保电网基建、调试、检修和运维能够适应智能变电站技术，有必要对智能变电站相关关键设备的测试技术进行研究，而过程层网络交换机作为智能变电站连接过程层和间隔层的核心设备，对其测试技术进行研究有着重要的意义。

1 过程层交换机概述

智能变电站的典型网络结构为“三层两网”如图1所示，其中“三层”是指站控层、间隔层和过程层，“两网”是指站控层网络和过程层网络。站控层主要包括后台监控系统、远动系统、五防系统、保信子站等，间隔层主要包括保护装置、测控装置、计量装置、在线监测装置、网络分析装置等，过程层主要包括智能终端和合并单元。站控层网络由站控层交换机组网，并负责站控层系统与间隔层装置的数据传输和通信，过程层网络由过程层交换机组网，并负责间隔层装置与过程层设备的数据传输和通信[1]。

智能变电站的数据类型大致有MMS（Manufacturing Message Specification，制造业报文规范）、GOOSE（Generic Object-Oriented Substation Event，面向通用对象的变电站事件）和SV（Sample Value，采样值）三种，其中MMS用于站控层网络的通信，GOOSE和SV用于过程层的数据传输。由于GOOSE和SV分别涉及到控制命令、跳闸命令、变位信号、联闭锁信号和电流电压采样值，这些信号都关系到智能变电站的安全可靠稳定运行，所以这对传输GOOSE和SV报文的过程层交换机传输数据时的可靠性就有了非常严格的要求，因此有必要在调试和定检时对过程层交换机开展一系列的功能性能测试，以确保交换机的工作状态满足智能变电站稳定可靠安全运行的要求[2]。

2 过程层交换机测试技术

过程层交换机的主要性能包括：吞吐量、存储转发及抖动时延、帧丢失率、MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址学习速率、MAC地址缓存能力，主要功能包括：错误帧过滤、网络风暴抑制、端口镜像、优先级。测试技术研究如下[3-4]。

2.1 吞吐量测试

吞吐量是指过程层交换机在不丢帧情况所能达到的最大传输速率，要求交换机所有端口的吞吐量为100%。测试接线为：交换机所有端口接入网络测试仪进行吞吐量测试，一组接8个端口进行分组测试，直到所有端口都测试一遍。测试参数设置如：测试时间60s、常规标准帧长、步长递变搜索法、每组配置8个端口双向互发数据。

2.2 存储转发及抖动时延测试

存储转发时延是指从输入帧的最后一个比特到达输入端口开始至在输出端口上检测到该帧的第一个比特为止的时间间隔，抖动时延是指存储转发时延的变化值，要求不同帧长下交换机的平均存储转发时延小于10us、时延抖动小于1us。测试接线为：交换机与网络测试仪接线8个端口相连，任意选择2个同类型端口进行测试。测试参数设置如：测试时间60s、常规标准帧长、测试速率为常规（10%、95%、100%）、配置2个端口双向互发数据。

2.3 帧丢失率测试

帧丢失率是指过程层交换机端口以特定频率转发特定数量数据帧情况下帧丢失的比率，要求帧丢失率为0。测试接线为：网络测试仪与交换机接线8个端口相连，任意选择2个同类型端口进行测试。测试参数设置如：测试时间120s、常规标准帧長、测试速率为100%、配置2个端口双向互发数据。

2.4 MAC地址学习速率测试

MAC地址学习速率是指过程层交换机在无洪泛和丢帧情况下能够学习新的MAC地址的最大速率，要求交换机MAC地址学习速率应大于1000FPS。测试接线为：网络测试仪与交换机接线8个端口相连，任意选择3个同类型端口进行测试。测试参数设置如：测试模式定点验证、验证值1001FPS、地址个数4096、老化时间300s，并分别配置学习端口、测试端口、监控端口。

2.5 MAC地址缓存能力测试

MAC地址缓存能力是指过程层交换机能够缓存的不同MAC地址的数量，要求交换机MAC地址缓存能力不小于4096个。测试接线为：网络测试仪与交换机接线8个端口相连，任意选择3个同类型端口进行测试。测试参数设置如：测试模式定点验证、验证值4096、学习速率1001FPS、老化时间300s，并分别配置学习端口、测试端口、监控端口。

2.6 错误帧过滤测试

过程层交换机应具备丢弃超短帧、超长帧及CRC错误帧的功能。测试接线为：网络测试仪与交换机接线8个端口相连，任意选择2个同类型端口进行测试。测试参数设置如：测试时间30s、超短帧63Byte、超长帧1601Byte、CRC错误、配置2个端口一收一发数据。

2.7 网络风暴抑制测试

网络风暴是指由于网络拓扑设计和连接问题，导致广播、组播或未知单播在网络中大量复制传播数据帧，使通信网络性能下降，造成网络瘫痪的现象。过程层交换机应具备抑制网络风暴的功能，要求其实际抑制结果不应超过抑制设定值的110%。测试接线为：网络测试仪与交换机接线8个端口相连，任意选择2个同类型端口进行测试。测试参数设置如：测试时间30s、加载流量100000Kbps（100%）、测试帧长64Byte、评估误差（抑制偏差比偏差）10%、配置两个端口一发一收，进入交换机Web配置界面，开启“广播风暴抑制”、“组播风暴抑制”和“未知单播抑制”功能，设置抑制流量值为1000Kbps（1%）。

2.8 端口镜像测试

多端口镜像指鏡像端口同时复制（监视）一个或几个端口数据。镜像数据速率不大于端口转发速率时，不应出现帧丢失、乱序、复制现象，过程层交换机应支持多端口镜像功能，当镜像数据速率不大于端口转发速率时，不应出现帧丢失、乱序、复制现象。测试接线为：网络测试仪与交换机接线8个端口相连，任意选择5个同类型端口进行测试。测试参数设置如：测试时间30s、测试帧长64Byte，配置2个被镜像端口和1个镜像端口，除镜像端口外其余4个端口目的MAC地址让测试端口两两互发数据且转发速率均为25%，进入交换机Web配置界面，按照网络测试仪的端口设置配置被镜像端口和镜像端口。

2.9 优先级测试

过程层交换机应支持IEEE 802.1p流量优先级控制标准，提供流量优先级和动态组播过滤服务，应至少支持4个优先级队列，具有绝对优先级功能，应能够确保关键应用和时间要求高的信息流优先进行传输。不应使带有序列标签的数据如：SV、GOOSE等报文产生乱序现象。测试接线为：网络测试仪与交换机接线8个端口相连，任意选择3个同类型端口进行测试。测试参数设置为：测试时间30s、测试帧类型单播、吞吐率100%、测试帧长64Byte，配置1个接收端口、2个发送端口，发送端口分别设置优先级为4和7、加载流量分别为80%和50%，进入交换机Web配置界面，开启CoS优先级功能，确认优先级类型为绝对优先级，其中7优先级最高、0优先级最低。

3 结语

由于过程层交换机对于智能变电站的安全稳定可靠运行有着举足轻重的影响，故有必要对其功能性能的测试技术进行研究。本文基于实验室测试环境和现场工程调试经验研究了吞吐量、存储转发及抖动时延、帧丢失率、MAC地址学习速率、MAC地址缓存能力、错误帧过滤、网络风暴抑制、端口镜像、优先级等过程层交换机关键性能和功能的测试技术，对于电网企业相关技术人员开展过程层交换机调试、检修和运维有着可借鉴的经验和意义。

参考文献

[1] 汪强，徐小兰.电力专用交换机在智能变电站过程层通信网络的测试研究[J].电力信息与通信技术，2016，（8）：132-136.

[2] 易永辉，王雷涛，陶永健.智能变电站过程层应用技术研究[J].电力系统保护与控制，2010，（21）：1-5.

[3] 张小飞，但富中，马莹.智能变电站的工业以太网交换机组网测试技术[J].电力系统通信，2010，（6）：1-4.

[4] 刘井密，李彦，杨贵.智能变电站过程层交换机延时测量方案设计[J].电力系统保护与控制，2015，（10）：111-115.

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