智能變電站高可靠無縫冗余環網性能測試平臺的研究和實現

張 峰 徐 晨 穆云龍 陳洪波 李 德

（1. 國網安徽省電力有限公司電力科學研究院，合肥 230000；2. 安徽新力電業科技咨詢有限責任公司，合肥 230000；3. 國網安徽省電力有限公司檢修分公司，合肥 230000；4. 武漢凱默電氣有限公司，武漢 430223）

0 引言

繼電保護裝置是確保電力系統安全可靠運行的關鍵裝置[1]，保護裝置的正確動作是整個電力系統安全穩定運行的前提。隨著IEC 61850 數字化變電站技術的成熟和推廣[2]，就地化保護因其具有二次回路簡單、通信協議和接口統一、動作時間快、可靠性高等優點，目前已成為智能變電站繼電保護的重要發展方向[3]。

就地化保護將保護裝置貼近一次設備安裝[4-5]，現場即插即用，實現間隔二次設備模塊化集成、工廠化預制、更換式檢修[6]。就地化保護設備在安裝現場按間隔分散布置[7]，每種保護裝置設置獨立的子機。為保證通信的可靠性，多個子機采用高可靠無縫冗余（high-availability seamless redundancy,HSR）環網雙向組網[8]，通過冗余方式克服單點失效對通信的影響[9]，滿足信息傳輸可靠性的要求。

HSR 環網是智能變電站就地化保護實現的重要環節之一，其性能直接影響繼電保護裝置正常運行。當前的就地化保護測試研究，主要集中在單個保護設備的出廠檢驗和故障檢修，但整個HSR 環網的可靠性除了與單個保護設備相關之外，還與安裝過程、傳輸鏈路和現場工作環境等因素相關。因此，在實驗室、檢修中心和現場投運前開展HSR 環網的網絡性能測試研究工作，具有非常重要的意義。

就地化HSR 環網的網絡性能測量，既與傳統的網絡性能測試相關，又有重要區別。HSR 環網內傳輸的是環網通信報文幀，報文內帶有HSR 標簽，標識環網類型、傳輸方向和數據鏈路長度等信息。環網通信報文幀只能在環網內部傳輸，在環網外部無法被識別，普通報文也無法在環網內傳輸，因此通用的網絡測量設備，無法進行環網網絡性能的評估。本文根據HSR 環網的工作機制，結合環網的工作特點，分析影響環網性能的參數和測量方法。在基于以上研究的基礎上，設計以現場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）和多核數字信號處理器（digital signal processor, DSP）為主體的硬件測試平臺，實現吞吐量、時延、丟包率和錯誤幀監測功能，并進行測試驗證，為智能變電站就地化保護環網性能評估提供理論和實踐支持。

1 HSR 環網

1.1 工作機制

智能變電站就地化保護采用“三層兩網”的系統架構[10]，IEC 61850 標準定義了繼電保護自動化系統基于以太網方案進行通信[11]，對于變電站快速響應事件具有優先級高、靈活且可靠的傳輸機制[12]。為保證保護設備可靠動作，HSR 環網通過冗余鏈路和數據的方式，提高網絡傳輸的可靠性。IEC 62439—3 標準詳細介紹了HSR 冗余網絡的通信原則[13-14]：就地化保護HSR 環網由若干網絡節點組成，每個網絡節點包含兩個雙連接交換節點（double attached node with HSR, DANH），每個DANH 含有兩個獨立的網絡端口，每組DANH 的網絡端口依次相連，形成雙向串行環形網絡拓撲結構，兩個環形網絡相互獨立[15]，由4 個網絡節點組成的HSR 網絡如圖1 所示。

圖1 HSR 網絡

就地化保護HSR 環網由啟動環和保護環兩個冗余環網組成，網絡中的節點為就地化元件保護子機。子機內每個DANH 的網絡端口，共享介質訪問控制（media access control, MAC）地址和互聯網協議（internet protocol, IP）地址，各網絡端口均傳輸HSR 報文，在普通網絡報文中插入HSR 標簽，HSR報文幀格式如圖2 所示。

圖2 HSR 報文幀格式

當某個節點進行數據發送時，該數據包被復制為4 份，從兩個環形網絡的兩個不同方向被同時發送，做到數據的冗余備份[16]；目的節點只響應第一個收到的數據包，但會轉發所有數據包；其他節點只會轉發收到的數據包；發送節點收到自身發出的數據包后不進行處理，直接丟棄。

就地化保護環網實現了數據和鏈路的雙重冗余，當某個鏈路或DANH 發生故障，數據仍能通過另一鏈路到達目的節點，不會引起網絡中斷，有效解決了通信環節異常對保護帶來的影響，極大提高了保護的可靠性[17]。由于數據冗余會帶來大量的計算處理工作，為減輕應用處理的負擔，HSR 標簽添加、復制幀處理、接收報文轉發等工作，在DANH內部完成，其結構如圖3 所示。

圖3 DANH 內部結構

DANH 的核心是鏈路冗余單元（link redundancy entity, LRE），上層應用的發送報文經過LRE 加入HSR 標簽后分別向兩個端口進行發送；一個端口接收到的報文，在向LRE 提交的同時，會轉發向另一個端口；LRE 和發送端口會對接收到的報文進行檢查，如果報文是從本節點發出，或報文格式錯誤，則會直接丟棄；對于接收的有效環網報文，LRE 會去掉HSR 標簽后，提交到應用層處理，而發送端口則會將該報文進行轉發。

1.2 網絡測量

網絡測量用于展現當前網絡工作狀態，根據網絡狀態進行性能優化，開展網絡管理。網絡測量從不同角度看，分類也各不相同。按測量方式，可分為主動測量和被動測量[18]；按測量點的數量，可分為單點測量和多點測量；按測量功能，可分為拓撲測量和性能測量等。

進行主動測量時，基于不同的測量目的，向目標鏈路或節點發送測試流，根據這些測試流的傳輸情況來了解網絡行為。這種方法測量目標明確，可控性較高，但主動測量向網絡注入的測試流量本身增加了網絡負荷，改變了網絡的運行情況，造成測量結果和實際情況之間的偏差。因此在進行主動測量時，必須考慮注入測試流對網絡本身的影響，并將這種影響降到最低。

被動測量方式對網絡內鏈路或節點的數據進行捕獲，然后根據設置條件匯總和記錄測試信息。被動測量不產生任何探測報文，因此對測試網絡不產生額外的開銷，缺點是采集的數據不夠規律，很難進行網絡端到端的性能分析，對需要監測的報文設置條件不合理會導致測量結果不準確。在網絡流量較大時，對網絡數據捕獲設備的性能要求高，需要更加復雜的分析機制。

在網絡測量實際過程中，會根據測量目的、對象等，綜合選擇一種測量方法，或多種測量方法相結合。

1.3 性能參數

網絡測量通過儀器或工具對網絡的各項指標和性能參數進行評估，取得網絡的性能和服務參數。網絡性能測量是網絡測量的核心分支，網絡性能指標是理解、認識和量化網絡行為最基本、最有效的手段。根據網絡設備評測國際標準RFC2544，結合就地化保護HSR 環網的現場應用，本文從吞吐量、時延、丟包率和錯誤幀監測四個方面來對HSR 環網性能進行評估。

吞吐量是網絡性能的一項重要指標，分為端口吞吐量和鏈路吞吐量，是指端口、鏈路在單位時間內成功傳輸數據的數量。網絡設備的硬件條件和軟件算法是決定吞吐量的主要因素。對于一臺理想的網絡設備，其吞吐量應該等于端口最大速率。進行吞吐量測試時，同一臺網絡設備對不同測試幀長的測試結果不同，由于前導碼和幀間隔的原因，越小的幀長其傳輸速率越低，尤其是64B 的小包處理能力，最能體現網絡設備的性能。

時延用于衡量網絡設備轉發數據幀的速率，是指數據幀進入和離開網絡設備之間的時間間隔。在同一幀長情況下，測得的時延變化稱為抖動，它反映網絡設備處理數據的穩定性。RFC1242 將時延分為兩類：存儲轉發時延和直接交換時延。存儲轉發時延與測試幀長有關，只有接收到完整的數據包才開始轉發，測試幀長較大的時候時延也會相應增大。采用直通轉發技術的網絡設備不管數據包的整體大小，其時延相對固定。

丟包率指一定時間間隔內，丟棄的數據包占總數據包的比例，它反映了網絡設備對過載壓力的承受能力，過載程度不同，丟包率也不一樣，因此只有標明測試速度的丟包率才有參考意義。

網絡傳輸并非百分之百可靠，在外部干擾下，數據幀傳輸過程中可能出錯，產生錯誤幀。根據受影響數據位置的不同，錯誤幀的類型不同，如某些比特位可能從0 變成1 或從1 變成0，則會產生循環冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）錯誤。理想情況下，網絡設備應當能識別錯誤幀，不會響應和轉發錯誤幀。

網絡性能各個測試參數的側重點不一樣。吞吐量反映設備在長時間使用時不丟包情況下所能達到的最大轉發速度；時延表征設備處理網絡幀的速度；丟包率表示測試設備在短時間、高轉發時的丟幀百分比；對錯誤幀的處理顯示了網絡的抗干擾能力和糾錯能力。結合以上四項參數，可以對HSR 環網的性能進行綜合評估。

2 系統架構

2.1 硬件平臺設計

根據就地化HSR 環網性能測試的功能需求，測試平臺具備多個網口同時進行環網報文的高速收發，需要強大的并行處理和高速計算能力，并兼具良好的用戶交互操作性。綜合以上分析，進行硬件方案選型，確定硬件平臺方案，由X86 上位機、DSP和FPGA 組成，如圖4 所示。

圖4 硬件平臺方案

X86 上位機運行Linux 操作系統，使用Qt 圖形界面與用戶進行交互，接收用戶配置，通過網口發送配置信息到DSP，同時接收DSP 的測試結果信息并顯示；DSP 控制測試流程，實現高速計算，負責測試報文的組織和接收報文的解析；FPGA 進行外圍接口控制、報文收發控制和并行處理。

就地化HSR 環網性能測試平臺提供6 個千兆光網口，每個光網口的功能可單獨配置，實現多點測量功能。FPGA 與DSP 通過串行高速輸入輸出口（serial rapid input & output, SRIO）和周邊裝置互連高速（peripheral component interconnect express,PCIE）總線進行批量報文傳輸，以及外部內存接口（external memory interface, EMIF）進行內部寄存器配置。

2.2 系統功能劃分

測試平臺功能包括人機交互和測試功能實現兩大部分。人機交互由X86 上位機完成，測試開始前，由用戶通過界面配置測試功能、持續時間、測量方式等信息；測試過程中顯示測試狀態；測試完成時統計測試結果。

測試功能實現由DSP 和FPGA 共同配合完成，其內部又分為系統對時、寄存器控制、報文收發和報文特殊處理。

系統對時實現與保護裝置時鐘同步，保護裝置的采樣率為每周期80 點，即每秒4 000 點，智能變電站內設備通過 B 碼或全球定位系統（global positioning system, GPS）統一衛星對時。DSP 通過串口配置GPS 產生秒脈沖（pulse per second, PPS），讀取時間信息，寫入FPGA 內部寄存器。FPGA 根據B 碼或PPS 產生4K 中斷到DSP，與保護裝置的采樣同步。

寄存器控制用于DSP 和FPGA 共享系統信息。FPGA 內置了一組配置寄存器和狀態寄存器，由DSP通過EMIF 進行讀寫。配置寄存器保存測試參數，如時間、測試幀長，狀態寄存器實時更新系統狀態，如接收報文統計、錯誤幀數量。通過寄存器控制，實現DSP 與FPGA 的信息同步。

報文收發是系統功能實現的關鍵。6 個千兆光口的接收報文，由FPGA 加入時間戳和端口信息等處理后，進行緩存，在下一個4K 中斷通過SRIO 直接寫入DSP 內部存儲器，并進行環網報文的轉發。原始發送報文由DSP 根據功能進行組織，并附加發送光口等信息，在下一個4K 中斷到來時，通過PCIE傳輸到FPGA，由FPGA 根據附加的光口信息進行轉發。

報文特殊處理根據測試功能，對原始報文進行修改，達到特定目的。如根據接收報文時間加入時間戳，可用于發送報文和接收報文的時延計算；附加接收端口信息，便于DSP 和FPGA 確定接收和發送的具體光網口；修改CRC 信息，可用于向網絡內主動注入CRC 錯誤幀，用于錯誤幀監測。

2.3 測量點選擇

開展就地化HSR 環網性能評估，掌握環網的運行狀態，在網絡整體評估的過程中，測試平臺模擬就地化保護子機的功能串入環網中，對于4 個子機組成的就地化保護HSR 環網，其可選測量點如圖5所示。

圖5 可選測量點

對環網整個鏈路測量時，測試平臺可在A、B、C、D 4 個測量點中的任意一個串入，進行單點測量即可。在測試中發現問題，需要分析單個鏈路，或者評估單個子機功能時，應根據被測鏈路或子機選擇測量點。如對子機2 進行測量時，測試平臺應分別在測量點B 和測量點C 同時串入進行多點測量。

3 功能設計

上位機配置的測試參數通過網口發送到DSP，DSP 將相關數據寫入FPGA 內部配置寄存器，然后DSP 和FPGA 根據設置參數共同實現測試功能，具體實現過程如下。

3.1 吞吐量

吞吐量定義為網絡互聯設備在沒有丟幀的前提下發送幀和接收幀的最大速率，采用主動測量方式進行，其實現方法是：測試設備串入環網，由DSP根據參數組織目的地址為本設備的測試包，FPGA負責等間隔發送，經過網絡中其他子機轉發后，DSP統計接收報文，如果丟包則降低發包速度重新測試，否則提高發包速度，直到達到測試精度為止。吞吐量測量結果與測試幀長、精度和背景流量相關。

RFC2544 要求網絡設備一般采用以下7 種測試幀長：64B、128B、256B、512B、1 024B、1 280B和1 518B，軟件默認測試精度為端口理論最大速度的1%，以上測試參數均可通過上位機由用戶自定義進行配置。

測試開始時，DSP 按某一幀長，以端口最大速率的100%組織報文，如果無丟幀則吞吐率為最大速率。如果有丟幀，則將報文發送速度調整到端口最大速度的80%，若仍有丟幀，則繼續下調20%進行測試，直到沒有丟幀。此后DSP 根據二分法來調整發包速度，逐步逼近，當測試有丟幀和沒丟幀的端口速率小于所設置的測試精度時，將沒丟幀時的端口速度作為此幀長的吞吐量。之后DSP 改變幀長，重新測試，直到完成所有幀長的吞吐量測量。

吞吐量測試時，需要考慮背景流量的影響。串入環網中的測試平臺，不應改變環網內報文的傳輸，且其傳輸優先級應高于測試報文。FPGA 在報文轉發時設置了判決邏輯，根據環網內流量的大小動態調整數據包的發送。當FPGA 收到環網內部子機發送的報文時，優先轉發，記錄報文長度，并按此長度相應調整發送緩沖區，記錄實際發送的報文數，寫入狀態寄存器，DSP 根據此寄存器組織下一次測試報文。計算吞吐量時，需要加入背景流量數據。

3.2 時延

時延通過DSP 組織測試幀，FPGA 在報文發送時加上發送時間，報文經鏈路傳輸，在選取的測量點接收時FPGA 加上接收時間，DSP 解析報文后根據這兩個時間計算時延。假設數據的發送時間為T1，接收時間為T2，則時延為

時延測試時，DSP 根據測試幀長和時間發包，FPGA 需要根據存儲轉發還是直接交換來添加時間戳。直接交換方式下，測試幀的第一位數據出現在輸出接口時，為發送時間；接收數據的第一位出現在輸入接口時，為接收時間。存儲轉發需要考慮測試幀長的影響，測試幀的最后一位數據出現在輸出接口作為發送時間，FPGA 需要在發送數據時提前將此時間計算好。

對于采用存儲轉發的就地化保護子機，在整個網絡的時延測試時，需要考慮鏈路中間子機的影響。

3.3 丟包率

丟包率采用主動測量方式，由DSP 根據測試速度計算報文，通過FPGA 進行轉發，在待測鏈路的兩端分別進行發送和接收。在測試時間內，發出的數據包數量為N，收到的數據包數量為M，則丟包率為

數據丟包是一種隨機行為，七種標準幀長都要測量，且需要重復多次進行，以便獲取統計數據，速率的調整一般按10%進行，但不能超過10%。

與吞吐量的測試一樣，由于丟包率測試在環網內注入大量報文，為保證環網工作不受影響，同樣需要FPGA 按照背景數據流量動態調整測試報文的發送。但在計算時，丟包率只統計設備自身發出和接收的測試幀，背景報文由于幀長隨機，且測試設備只是轉發，其數量與丟包率計算無關。

3.4 錯誤幀

錯誤幀測試需要結合主動測量和被動測量方式實現。被動測量方式不發送測試數據，由FPGA 根據規則檢測報文，統計測試結果。主動測量方式則根據需要檢測的錯誤幀類型，構造錯誤類型幀，經過測試鏈路傳輸后檢測是否能收到，來驗證被測鏈路是否能識別錯誤幀，而不進行轉發。本測試平臺能夠進行監測的錯誤幀識別規則見表1。

表1 錯誤幀識別規則

某些錯誤幀的發送和識別，需要網絡MAC 控制器底層的特殊操作，被動測量時其監測功能完全由FPGA 實現，DSP 只需從相應的統計寄存器讀取結果。主動測量時，由DSP 構造最原始報文，FPGA根據需要測試的錯誤幀類型進行特殊處理后發送。

4 測試驗證

測試平臺軟硬件設計完成后，以圖5 所示的四子機環網作為被測網絡，驗證測試平臺功能。在測試過程中，為避免測試報文對環網正常工作的影響，測試平臺模擬子機功能串入環網，被動測量時轉發環網內的數據，主動測量時發送目的地址為自身的報文，其他子機對測試報文只轉發，不響應。

4.1 吞吐量測試

測試平臺在測量點A 串入，為保證吞吐量測試結果，驗證采用七種標準測試幀長，測試精度1%，重復測試20 次，取20 次測試的平均值，得到每種測試幀長對應的吞吐量，如圖6 所示。

圖6 吞吐量測試結果

以太網規定了8B 的前導碼及12B 的最小幀間隔，從圖6 可以看出，測試幀長越小，前導碼和幀間隔對測試結果的影響越大。

4.2 時延測試

測試平臺在測量點A 和測量點B 串入，由測量點A 向子機1 發測試報文，在測量點B 處接收測試報文。測試采用七種標準幀長，每種重復測試20 次，計算平均值，得到子機1 的時延結果，見表2。

表2 時延測試結果

子機采用存儲轉發方式，測試時按后進先出方法計算，消除了數據傳輸時間的影響，中長幀的測試結果比短幀更為穩定。

4.3 丟包率測試

丟包率反映網絡超負荷工作從而導致異常的情況，通常網絡設備要求在70%負載下丟包率不超過0.1%。對于就地化保護HSR 環網而言，正常情況下流量達不到滿負荷狀態，滿載測試可能會導致網絡異常，使測試結果不具備參考意義。從驗證測試平臺功能的角度出發，將測試平臺從測量點A 串入，按70%的端口流量、七種測試幀長發送測試包并接收統計，每種幀長測試30s，重復20 次，所有報文均能被正確接收，丟包率為0。

4.4 錯誤幀測試

測試平臺在測量點A 串入，通過被動測量的方式監測錯誤幀，持續時間30s。然后再以主動測量的方式分別向子機1 和子機4 發送指定錯誤幀，并繼續監測，持續時間30s，網絡內檢測不到任何錯誤幀。

將測試平臺光網口的發送端直接連到接收端，按主動測量的方式發送指定錯誤幀，此時可以檢測到錯誤幀，且錯誤幀類型和數量與發送一致。

從上面的測試過程可以看出，測試平臺具備錯誤幀監測功能，環網內子機能夠正確識別錯誤幀，且不會轉發錯誤幀。

5 結論

HSR 環網通過鏈路和數據的雙重冗余，消除單點故障對網絡的影響，通信可靠性高。智能變電站就地化保護裝置在實驗室、檢修中心和現場投運前，開展HSR 環網性能評估顯得非常重要。針對當前HSR 環網缺乏有效測試手段的問題，本文根據當前電子技術的發展和HSR 環網的工作原理，設計了基于FPGA 和多核DSP 的硬件平臺，通過對吞吐量、時延、丟包率和錯誤幀監測的原理進行分析，軟硬件結合實現測試功能。試驗時測試平臺模擬環網內子機功能串入環網，在吞吐量、丟包率測試時優先轉發環網內報文，不影響原來環網鏈路和數據的正常收發。驗證結果表明，本文所設計的測試平臺，能夠滿足智能變電站就地化HSR 環網性能評估的要求，保證保護裝置正確動作，確保電力系統的安全穩定運行。