大型火电机组分散控制系统网络通信性能试验

刘哲，刘林

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000)



大型火电机组分散控制系统网络通信性能试验

刘哲1，刘林2

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

针对某1 000 MW超超临界燃煤发电机组在基建调试期分散控制系统(distributed control system，DCS)通信网络存在的问题，开展DCS网络通信性能测试，分析了光纤链路损耗大及以太网链路广播风暴发生的原因。对此，提出了利用机组调试及大小修期间加强光纤端面清洁检验，在网络设备端口进行速率限制以抑制网络风暴的措施。实施处理措施后，该机组DCS网络通信性能良好，满足安全稳定运行要求。

分散控制系统网络；光纤链路；吞吐率；丢包率；广播风暴

20世纪80年代末开始，分散控制系统(distributed control system，DCS) 逐步在大型火力发电机组控制中应用，DCS不仅成为新建大机组的标准装备，而且越来越多的中小机组也逐步完成了DCS改造。DCS在火力发电机组的应用范围也不断扩大，其功能已逐步扩展到机、炉、电全厂控制以及外围辅助系统，成为电厂控制系统的标准设备。

通信网络是DCS的重要支柱，DCS的各个单元以及各个人机接口需要通讯系统连成一个有机整体。DCS网络完成的是工业级的控制，不同于其他办公用局域网络，要求具有更高的安全性、可靠性和稳定性，更快的实时响应能力，并且适合在恶劣的工作环境下运行。目前厂家和科研院所针对DCS的性能进行了大量相关试验研究[1-5]，但是针对DCS通信网络性能的相关研究和试验开展较少，且主要是对网络负荷率进行测试，对以太网健康状况、链路传输率、丢包率及广播风暴抑制功能没有开展相关测试研究。

本文从对DCS网络性能有重大影响的几个方面入手，对光纤链路、以太网可靠性分析、双向网络性能测试、TCP吞吐率测试和反事故措施设置有效性测试。通过DCS网络性能测试，及时发现系统所存在的问题和隐患。

1 DCS网络结构

该DCS是一个具有分层结构的分级递解系统，系统分为4级，第1级为带输入/输出(I/O)设备的现场控制级，第2级为过程管理级，第3级为生产管理级，第4级为全厂管理级。各级之间通过通信网络相连，级内各站点由本级的通信网络进行通信联系。如图1所示。

图1 DCS控制网络结构

该厂1号机组DCS工业以太网由3个子网组成，分别为：C-NET A/B网、C-NET 公用A/B网和O-NET A/B网。其中C-NET网用于现场控制级，其网络从机柜控制器至服务器，O-NET网络用于上层监视控制级，其网络从服务器到工程师站和操作员站，3个子网均采用A/B网双冗余网络结构。由于循环水系统及燃油系统距离热工公用机柜较远，循环水泵房远程I/O及燃油泵房远程I/O数据采用光纤传输。

2 光纤链路健康质量测试

一般情况下，光纤用于光的单向传输成对使用，分别用于发送和接收，本项目采用多模光纤，光以多路径或多模式传输，但因模件色散较大，限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会加重，光信号损耗较多，因此多模光纤传输距离较近，但价格相对便宜。光纤及其连接头的清洁度是影响光纤损耗性能的重要因素，因此对光纤的连接器、适配器、光纤模块的I/O光口等部位的检测是十分必要的。

2.1 测试方法

在对光纤链路的损耗测试中，根据被测链路光纤的实际长度、连接器数量和接合点的数量来估计出该链路总损耗的限值，然后通过损耗测试来验证链路实际损耗是否在限制之内。如果实际损耗超过了估算的限值，则说明光纤链路具有不正常的链路损耗，如有光纤损坏、光缆过度弯曲或捆扎、连接器或适配器质量欠佳、结合效果不好、部件清洁程度不够等，因此通过损耗测试可以对光纤链路的质量和性能进行检查。

测试采用1号机组热控电子间热工公用DCS机柜至远程循环水泵房DCS机柜光纤部分，将热工公用DCS的光纤连接头接入智能光链路分析仪，用光纤端面分析仪对光纤端面清洁度进行测试和检查。

2.2 测试结果

经测试计算A网光纤链路长度约768 m，连接头损耗未达到GB/T 50312—2007《综合布线系统工程验收规范》中对光纤链路损耗小于0.3 dB的参考值标准要求，测试结果如图2所示。

图2 A网光纤链路质量测试结果

B网光纤链路长度约795 m，连接头损耗未达到GB/T 50312—2007《综合布线系统工程验收规范》标准要求，测试结果如图3所示。

图3 B网光纤链路质量测试结果

利用端面分析仪对A、B网的光纤连接头的端面进行放大后的实际效果如图4、图5所示。

图4 A网连接头端面沾污效果

图5 B网连接头端面沾污效果

使用专用清洁工具对光纤连接头及法兰进行清洁，清洁后的连接头端面效果如图6所示。

图6 清洁后的连接头端面效果

4条光纤链路的全程损耗指标均小于PROFIBUS规范中对850 nm波长多模光纤链路损耗不大于6 dB的典型值要求，但是其中B网光纤损耗达5.303 dB，已经接近限制值，若不对电子间及循泵房就地电子间的光纤连接头及座进行洁净度控制，将造成更大的反射及额外的光信号损耗，影响可靠运行。建议对光纤端面及其连接装置做全面清洁工作，并通过测试确保光纤链路没有污损缺陷。

3 以太网健康质量测试

对于DCS中的局域网，根据网络运行的故障分布统计规律，约72%的网络故障发生在开放系统互连参考模型(open system interconnect，OSI)7层协议的下3层[7]，因此性能测试主要集中在物理层、数据链路层以及网络层，而这3层是网络通信的基础，实现了网络数据传输的基本功能。据此有必要对该厂1号机组3个子网分别进行不同负荷率工况下以太网帧健康分析、双向网络性能测试、TCP吞吐率测试和反事故措施设置有效性测试。

3.1 以太网可靠性分析

不同负荷率工况下以太网可靠性分析，按照一定网络负荷进行测试，以衡量网络OSI第二层即数据链路层在一定负荷下网络传输信息的速率是否满足要求。

3.1.1 测试方法

将网络测试仪器接到被监测的以太网链路两端，选择从操作员站(IP：192.16.8.190)到服务器(IP：192.16.8.12)加载40 Mbps的负荷率，分别对A/B网各层交换机的接入端口链路和级联端口链路之间的传输速率进行测试，测试其性能指标。

3.1.2 测试结果

测试结果表明，接入链路之间的传输速率以及操作员层交换机接入端口和服务器层交换机接入端口链路之间的传输速率满足GB/T 21671—2008《基于以太网技术的局域网系统验收测评规范》在100%流量情况下利用率达到99%以上的标准。如图7、图8所示。

图7 A网负荷率为39.1 Mbps时的测试结果

图8 B网负荷率为39.7 Mbps时的测试结果

3.2 双向网络性能测试

以太网双向网络分析，按照一定网络负荷率进行测试，以衡量网络对主机即操作员站与服务器之间的网络通信性能情况。

3.2.1 测试方法

将网络测试仪接到被测链路的两端，以操作员站为发送端(IP：192.16.8.190)，服务器为接收端(IP：192.16.8.12)，发送20 Mbps的流量负荷分别对A/B网进行测试，统计从发送端到接收端经历的时间、在接收端测试数据帧丢失的比例等数据。

3.2.2 测试结果

测试结果表明，网络传输时延不超过1 ms、丢包率不超过0.1%，均满足GB/T 21671—2008局域网系统性能的要求，如图9、图10所示。

图9 A网负荷率为20 Mbps时的测试结果

图10 B网负荷率为20 Mbps时的测试结果

3.3 TCP吞吐率测试

网络流量是网络业务的最直接载体，它能够直接反映网络性能的好坏，理想状态的网络应当能够承载任何突发流量，直至超过网络的最大吞吐率[8]。TCP吞吐率测试是根据ABB DCS基于TCP协议进行通信而进行的测试，以衡量网络承载DCS监视和操作业务的应用承载性能。

3.3.1 测试方法

将网络测试仪接到被测链路的两端，以操作员站为发送端(IP：192.16.8.190)，服务器为接收端(IP：192.16.8.12)，发送端自动增加或减少发送的帧速率，使接收端测出被测链路在未丢包的情况下能够处理的最大帧速率。

3.3.2 测试结果

网络上两个端点设备间的吞吐率取决于计算机、网络接口卡和网络带宽、交换部件(路由器或交换机等)的速度。测试结果表明，TCP吞吐率在100%流量情况下A、B网吞吐速率分别为94.61 Mbps、95.18 Mbps，吞吐率均达到94%以上，达到局域网系统吞吐率大于70%的要求，满足现场运行的需要。

3.4 反事故措施测试

在一个通信网络内，一个节点同时传输数据包到本地网段上的每个节点称为广播。由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧占用网络带宽和设备资源，引起网络性能下降，甚至网络瘫痪，这就是广播风暴[9-10]。网络中引发广播风暴的原因有很多，如网络设备故障、病毒入侵等。

3.4.1 测试方法

利用网络测试仪在操作员站(IP：192.16.12.190)模拟广播数据，逐渐增大广播速率，直到控制器CPU负荷率过高，出现网络故障为止，查看交换机是否具有抑制广播风暴的能力。

3.4.2 测试结果

当在操作员站(IP：192.16.12.190)模拟速率为40 Mbps的广播数据，服务器(IP：192.16.12.12)可以接收到40 Mbps的广播数据包，连接网络的A、B网控制器全部自动断开，操作员站离线，监控画面失效，需要对控制器和交换机进行人工手动复位才能恢复正常，如图11所示。

图11 广播风暴抑制测试结果

DCS网络一定要具备抑制广播风暴的功能，否则在广播风暴发生时会酿成严重后果，对生产造成重大损失。建议在网络交换机上添加广播风暴抑制的设置，将每个交换机接口广播风暴的速率限制在DCS正常运行的负荷速率以下。

目前，国内发电厂对DCS网络性能要求还未形成标准，不同型号、不同厂家的DCS网络性能千差万别，为了防止由于DCS网络造成的事故，需要加快形成DCS网络性能要求的相关标准。

4 测试中发现的问题及建议

a) 光纤链路质量测试表明光纤连接端面对现场施工环境非常敏感，应利用机组调试及大小修期间对光纤连接端面洁净度进行检测，保持光纤连接端面的清洁度，确保整个光纤链路质量没有污损和缺陷，最大程度降低反射及额外的光信号损耗。

b) 以太网质量测试表明在正常情况下，网络设备满足DCS的工作要求，但网络设备没有对广播风暴的抑制机制，当广播风暴发生时，所有连接网络的A、B网控制器全部自动断开，操作员站离线，对整个DCS具有严重的故障隐患，建议在网络交换机上添加广播风暴抑制的设置，将每个交换机接口广播风暴的速率限制在DCS正常运行的负荷速率以下。

5 结束语

DCS网络性能测试是确保整个网络系统架构长期、可靠、稳定运行的一种有效手段和监督机制，通过DCS网络性能测试，可以使发电企业及时掌握机组网络健康状况，对系统网络存在的问题进行整改从而得到及时处理，满足机组安全、稳定运行的要求。

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(编辑 王朋)

Network Communication Performance Test for Distributed Control System of Large-scale Thermal Power Unit

LIU Zhe1, LIU Lin2

(1.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China; 2.Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528000, China)

In allusion to problems of distributed control system (DCS) based communication network of one 1 000 MW ultra-supercritical coal-fired generating unit during capital construction commissioning, this paper analyzes reasons for big loss of fiber optic link and broadcast storm of Ethernet link on the basis of performance test for DCS network communication.It presents measures such as strengthening cleaning examination on fiber end facc during the period of unit commissioning, overhaul or minor repair, adopting speed rate limitation at the port of network equipment so as to restrict network storm.After taking these measures, performance of DCS network communication is proved to be good and feasible to satisfy requirement for safe and stable operation.

distributed control system network; fiber optic link; throughput; packet loss rate; broadcast storm

2016-06-21

2016-09-08

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.010

TM621

A

1007-290X(2016)11-0047-05

刘哲(1985)，男，河北石家庄人。工程师，工学硕士，主要从事科技成果转化及火电厂热工控制方面的试验和研究。

刘林(1986)，女，湖南湘乡人。工程师，工学硕士，主要从事电能计量、控制系统等方面研究。