采用SV和GOOSE共口傳輸?shù)倪^(guò)程層組網(wǎng)方案黃忠勝;劉娟【摘要】為了解決智能變電站過(guò)程層組網(wǎng)中采用SV和GOOSE共口傳輸方式所面臨的報(bào)文過(guò)濾問(wèn)題,簡(jiǎn)述了智能變電站過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案,通過(guò)分析智能電子設(shè)備IED之間的報(bào)文流量特征和通信需求，探討了限制SV和GOOSE兩種多播報(bào)文的配置方案,從工程應(yīng)用的角度提出了一種基于VLAN技術(shù)的組網(wǎng)方案:根據(jù)IEEE802.1Q標(biāo)簽區(qū)分SV和GOOSE報(bào)文，對(duì)兩種報(bào)文采取不同的VLAN劃分原則?搭建試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該方案進(jìn)行了測(cè)試和分析，結(jié)果表明:該方案具有減少終端IED接收網(wǎng)絡(luò)壓力、工程實(shí)施簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)流向清晰的優(yōu)點(diǎn).該方案對(duì)新一代智能變電站過(guò)程層組網(wǎng)具有參考意義.期刊名稱】《電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)》年(卷),期】2019(031)003【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P102-106)【關(guān)鍵詞】SV;GOOSE；組網(wǎng)方案;共口傳輸;工程應(yīng)用；VLAN;新一代智能變電站【作者】黃忠勝;劉娟【作者單位】國(guó)網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心,成都610072;國(guó)網(wǎng)成都供電公司城東客戶服務(wù)分中心,成都610081【正文語(yǔ)種】中文中圖分類】TM764新一代智能變電站提出了“功能集約、信息集成、設(shè)備智能、設(shè)計(jì)優(yōu)化”的建設(shè)原則，將現(xiàn)有成熟應(yīng)用的功能、設(shè)備進(jìn)行深度集成，可以讓智能變電站的前期施工建設(shè)和后續(xù)的運(yùn)行維護(hù)更加高效和方便。在此發(fā)展需求下已經(jīng)有SV(sampledvalue)和GOOSE(genericobjectorientedsubstationevent)共端口傳輸?shù)姆桨秆芯浚?］，合并單元智能終端集成裝置的開(kāi)發(fā)［2-3］。SV和GOOSE共口傳輸應(yīng)用于保護(hù)直采直跳，能夠減少直采直跳的光纖鏈路和光口使用數(shù)量，對(duì)簡(jiǎn)化智能變電站通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是非常有益的，但目前少有文獻(xiàn)分析支持SV和GOOSE共口傳輸?shù)闹悄茈娮釉O(shè)備IED(intelligentelectronicdevice)接入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)后，對(duì)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案的影響。本文針對(duì)新一代智能變電站建設(shè)中大量集成裝置接入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的情況，從工程應(yīng)用的角度分析和探討過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的傳輸方案。1目前過(guò)程層通信方案目前，按照國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于智能變電站的技術(shù)規(guī)范［4］，大部分智能變電站過(guò)程層設(shè)備與間隔層的通信采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和組網(wǎng)相結(jié)合的方式，即保護(hù)裝置的采樣和跳閘都經(jīng)光纖直連，采用直采直跳方式，其余信息交互都經(jīng)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)傳輸。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)主要承載的是SV和GOOSE兩種多播報(bào)文，其常見(jiàn)組網(wǎng)方式有以下兩種。SV和GOOSE分別組網(wǎng)方式SV報(bào)文按4000幀/s的速率等間隔發(fā)送，通信流量穩(wěn)定且較大，GOOSE報(bào)文一般5s發(fā)送一幀，有開(kāi)關(guān)量變位就變時(shí)間間隔重復(fù)發(fā)送，通信流量呈突發(fā)性且較?。?］。因此前期大多數(shù)智能變電站建設(shè)是將SV和GOOSE連接在不同的交換機(jī)上，SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)物理上相互獨(dú)立，互不干擾。但會(huì)帶來(lái)SV交換機(jī)通信負(fù)載過(guò)高，而GOOSE交換機(jī)浪費(fèi)帶寬的現(xiàn)象。SV和GOOSE并網(wǎng)方式SV和GOOSE都接入同一個(gè)物理交換機(jī)［6-7］，如圖1所示。合并單元通過(guò)交換機(jī)發(fā)送SV報(bào)文到測(cè)控裝置；所有裝置都通過(guò)GOOSE光纖接入交換機(jī)，完成GOOSE信息的交互。母線保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)分析儀、錄波裝置等跨間隔設(shè)備從交換機(jī)的級(jí)聯(lián)口獲取信息。該方式可以實(shí)現(xiàn)按間隔組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰。圖1SV和GOOSE簡(jiǎn)單并網(wǎng)方式Fig.1Simplegrid-connectedmeansofSVandGOOSE2SV和GOOSE共口傳輸組網(wǎng)方案隨著保護(hù)測(cè)控裝置硬件集成化和處理能力的不斷提高，在保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的前提下，將SV和GOOSE共口傳輸，比如110kV的合并單元智能終端集成裝置采用SV和GOOSE共口傳輸取得了良好的效果，減少了設(shè)備光口使用數(shù)量，節(jié)約成本，簡(jiǎn)化光纖回路設(shè)計(jì)［8］。SV和GOOSE共口傳輸方式也可以推廣到220kV及以上電壓等級(jí)，一些廠家僅通過(guò)改變光口的配置即可實(shí)現(xiàn)SV和GOOSE報(bào)文的共口傳輸，故合并單元和測(cè)控裝置可以簡(jiǎn)化為一條光纖回路連接到交換機(jī)，如圖2所示。但是在支持SV和GOOSE共口傳輸?shù)腎ED接入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要解決過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的配置問(wèn)題。圖2SV和GOOSE共口傳輸并網(wǎng)方式Fig.2Grid-connectedmeansofSVandGOOSEcommonporttransmission過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)配置方案探討SV和GOOSE與共端口傳入交換機(jī)后，交換機(jī)如何將SV、GOOSE“剝離”后再轉(zhuǎn)發(fā)至其他IED，針對(duì)共口傳輸考慮以下兩種方式。MAC(mediaaccesscontrol)地址靜態(tài)組播過(guò)濾。按照標(biāo)準(zhǔn)［9］建議，一個(gè)變電站內(nèi)SV報(bào)文的目的MAC地址取值范圍是01-0C-CD-04-00-00至01-0CCD-04-01-FF,GOOSE報(bào)文的目的MAC地址取值范圍是01-0C-CD-01-00-00至01-0C-CD-01-01-FF。MAC地址靜態(tài)組播過(guò)濾方式需要收集所有目的MAC地址，并逐個(gè)配置到交換機(jī)靜態(tài)多播地址表中，雖然一個(gè)合并單元的SV發(fā)送數(shù)據(jù)集只有一個(gè)，但GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集不止一個(gè)，因此交換機(jī)配置工作量就十分巨大，所以不建議采用MAC地址靜態(tài)組播的方式隔離SV與GOOSE。(2)基于VLAN(virtuallocalareanetwork)標(biāo)簽的報(bào)文過(guò)濾。合并單元發(fā)送的SV與GOOSE都攜帶VLAN標(biāo)簽，交換機(jī)即使同一端口接收到SV與GOOSE，會(huì)依據(jù)報(bào)文標(biāo)簽中的VLANID將SV與GOOSE在不同VLAN組轉(zhuǎn)發(fā)，共口發(fā)出的SV和GOOSE從源頭就可以區(qū)分開(kāi)來(lái)。因此IED發(fā)送報(bào)文時(shí)攜帶VLAN標(biāo)簽和交換機(jī)VLAN劃分相結(jié)合的方式較適合“剝離”SV和GOOSE。VLAN技術(shù)應(yīng)用VLAN技術(shù)是基于IEEE802.1Q的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它實(shí)現(xiàn)了在兩層式交換機(jī)中對(duì)廣播進(jìn)行劃分［10］。通過(guò)VLAN技術(shù)來(lái)控制廣播域，減少不必要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，可以提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和安全性。為了保證不同廠家生產(chǎn)的終端設(shè)備能夠順利互通，IEEE802.1Q標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了統(tǒng)一的VLAN幀格式，在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀中增加了4個(gè)字節(jié)的VLAN標(biāo)簽，數(shù)據(jù)位于以太網(wǎng)幀中“源MAC地址”與“類別”之間，如圖3所示。圖3VLAN幀格式示意Fig.3SchematicofVLANframeformat圖3中VLANID是對(duì)VLAN的識(shí)別字段，共為12位。支持4096(212)VLAN的識(shí)別。在4096個(gè)VID中，VID二0用于識(shí)別幀優(yōu)先級(jí)，4095(FFF)作為預(yù)留值，所以VLAN配置的最大可能值為4094。從VLAN標(biāo)簽報(bào)文進(jìn)/出交換機(jī)兩種情況介紹報(bào)文在交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，處理方法如表1所示。表1VLAN標(biāo)簽報(bào)文處理方法Tab.1ProcessingmethodofVLANtaggedmessagefilteringVLAN標(biāo)簽報(bào)文進(jìn)交換機(jī)報(bào)文VID與端口VLAN的VLANID相同，則原樣接收，否則丟棄VLAN標(biāo)簽報(bào)文出交換機(jī)報(bào)文VID與端口VLAN的VLANID相同，則原樣轉(zhuǎn)發(fā)，否則丟棄由表1可以看出，在報(bào)文入方向，交換機(jī)的根本任務(wù)就是決定該報(bào)文是否允許進(jìn)入該端口；在報(bào)文出方向，交換機(jī)其根本任務(wù)就是只在同一個(gè)VALN組轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，這非常符合智能變電站很多信號(hào)一發(fā)多收的特點(diǎn)。交換機(jī)的一個(gè)物理端口可以屬于多個(gè)Tagged屬性的VLAN，因此只要VLANID匹配，一個(gè)物理端口可以讓不同VLANID的報(bào)文通過(guò)，并且VLAN可以跨交換機(jī)使用。交換機(jī)實(shí)際是維護(hù)一張VLANID與端口的映射表。如何合理劃分VLAN，是過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。SV劃分原則按照標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW1396—2012[11]附錄A的SV幀格式估算流量：26byte以太網(wǎng)報(bào)文頭+8byteHeader+(40+21x8)APDU(21個(gè)通道采樣值)+4byteCRC=246byte，發(fā)送頻率4000幀/s，所以需要帶寬246x4000x8bit/1024/1024=7.5Mbit/s。對(duì)于百兆交換機(jī)而言，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)考慮一定的通信裕度，如果不對(duì)交換機(jī)進(jìn)行配置，將會(huì)導(dǎo)致交換機(jī)每個(gè)端口的穩(wěn)定流量較大，負(fù)載較高，影響網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的穩(wěn)定性。每個(gè)間隔的SV只轉(zhuǎn)發(fā)給線路測(cè)控、網(wǎng)絡(luò)分析儀與錄波裝置，呈現(xiàn)合并單元單向發(fā)送、接收裝置固定且數(shù)量少的特點(diǎn)，因此有必要對(duì)SV進(jìn)行細(xì)致的VLAN劃分，如圖4所示。線路間隔的合并單元與接收的IED劃分為一個(gè)VLAN。圖4SV通信示意Fig.4SchematicofSVcommunicationGOOSE劃分原則按照標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW1396—2012[11]附錄A的GOOSE幀格式估算流量：26byte以太網(wǎng)報(bào)文頭+8byteHeader+(109+30x3)APDU(30個(gè)狀態(tài)信號(hào))+4byteCRC=237byte，發(fā)送頻率5幀/s，有狀態(tài)變位是變時(shí)間間隔發(fā)送5幀，然后恢復(fù)發(fā)送正常的5幀/s頻率。假設(shè)極端情況1s內(nèi)有2次變位，需要帶寬237x8bitx5x4/1024/1024=0.036Mbit/s。對(duì)百兆交換機(jī)而言GOOSE報(bào)文屬于輕載。以某站220kV線路完整的保護(hù)間隔為例，包括合并單元、智能終端、線路測(cè)控、線路保護(hù)和母線保護(hù)，在保護(hù)要求“直跳”的約束下，圖5只展示了各IED之間經(jīng)過(guò)程層交換機(jī)完成的GOOSE交互關(guān)系（不含GOOSE直跳），GOOSE連線上的數(shù)字代表發(fā)送GOOSE數(shù)據(jù)集數(shù)量，如線路智能終端發(fā)到線路測(cè)控的GOOSE數(shù)據(jù)集為4個(gè)。如果為每個(gè)GOOSE數(shù)據(jù)集都分配一個(gè)VLAN，相當(dāng)于可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送端到接收端的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)，其他無(wú)關(guān)聯(lián)IED不會(huì)從過(guò)程層交換機(jī)收到該GOOSE報(bào)文，但這樣會(huì)使得僅僅一個(gè)電氣間隔的VLAN就多達(dá)9個(gè)，一個(gè)中等規(guī)模的220kV變電站GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集就會(huì)多達(dá)百余個(gè)，導(dǎo)致全站VLAN配置工作量十分龐大繁瑣，也增加了過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)日后運(yùn)行維護(hù)的難度。圖5GOOSE通信示意Fig.5SchematicofGOOSEcommunication另一種方案是將圖5所示的所有GOOSE數(shù)據(jù)集劃分為一個(gè)VLAN，由前面GOOSE流量估算得知，一個(gè)間隔的GOOSE流量即使極端情況下疊加在一起，對(duì)于百兆交換機(jī)而言所占帶寬也不足1Mbit/s。GOOSE采用的發(fā)布/訂閱機(jī)制確保了IED接收GOOSE報(bào)文時(shí)會(huì)校驗(yàn)?zāi)康腗AC地址、APPID等SCD配置信息，非訂閱的GOOSE報(bào)文被IED丟棄不處理。如此劃分可以在VLAN配置復(fù)雜程度和IED通信處理負(fù)擔(dān)之間適度平衡，適當(dāng)簡(jiǎn)化了GOOSE組網(wǎng)配置。3驗(yàn)證SV和GOOSE共口傳輸組網(wǎng)方案組網(wǎng)方案實(shí)施步驟根據(jù)前面組網(wǎng)方案的分析，工程應(yīng)用中應(yīng)遵循以下幾個(gè)步驟。（1）確定全站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：同一電壓等級(jí)的IED按間隔接入交換機(jī)，間隔較多的設(shè)置中心交換機(jī)，并充分考慮備用光口和遠(yuǎn)期擴(kuò)建的情況。（2）制定VLAN配置表：SV報(bào)文按裝置劃分，包括合并單元、線路測(cè)控、網(wǎng)絡(luò)分析儀和錄波裝置，每個(gè)合并單元分配一個(gè)VLANID。GOOSE報(bào)文按間隔配置為一個(gè)VLAN，根據(jù)數(shù)據(jù)流向，將母線保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)分析儀和錄波裝置作為跨間隔接收設(shè)備分別納入SV所屬VLAN和GOOSE所屬VLAN。（3）完成源端IED的VLAN配置：在SCD文件通訊子網(wǎng)（communication）參數(shù)配置中按照VLAN配置表，逐一輸入SV和GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集的VLANID參數(shù)，以便IED發(fā)送報(bào)文時(shí)打上VLANID標(biāo)簽。（4）完成交換機(jī)的VLAN配置：在過(guò)程層交換機(jī)上按照VLAN配置表完成VLAN組的設(shè)置。搭建試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證本文搭建了試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)SV和GOOSE共口傳輸組網(wǎng)方案進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備包括2臺(tái)東土SICOM3024PT百兆工業(yè)光交換機(jī)，1臺(tái)模擬分支交換機(jī)，1臺(tái)模擬中心交換機(jī)，1臺(tái)凱默SNT3000網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀。表2給出了線路1間隔SV和GOOSE報(bào)文的VLAN配置，線路2與此類似。將某實(shí)際工程SCD文件的兩條線路間隔按照表2配置SV和GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集的VLANID，并同樣在兩臺(tái)交換機(jī)上完成表2的配置。表2220kV線路1間隔IEDVLAN配置Tab.2IntervalIEDVLANsettingsofline1with220kVVLANNameVLANID交換機(jī)端口接入IED220Y1SV0x211分支1中心220Y1GOOSE分支10x210中心2,3，G1G1,3,51,2,3,4，G1G1,1,3,5線路1合并單元A，線路1測(cè)控，A網(wǎng)中心交換機(jī)分支1交換機(jī)，錄波裝置，網(wǎng)絡(luò)分析儀線路1保護(hù)，線路1合并單元A，線路1測(cè)控，線路1智能終端A，A網(wǎng)中心交換機(jī)分支1交換機(jī)，母線保護(hù)A，錄波裝置，網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀按照?qǐng)D6和圖7所示接入分支1交換機(jī)和中心交換機(jī)，將某實(shí)際工程SCD文件導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀，按照?qǐng)D6的1~8端口配置各IED的發(fā)送數(shù)據(jù)集，采用“時(shí)間機(jī)制流”發(fā)送機(jī)制，確保分支交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與真實(shí)情況一致，并同時(shí)監(jiān)視交換端口流量。分支交換機(jī)和中心交換機(jī)通過(guò)千兆端口級(jí)聯(lián)。圖6分支1交換機(jī)端口連接Fig.6Portconnectionsofexchangeronbranch1圖7中心交換機(jī)端口連接Fig.7Portconnectionsofcenterexchanger在SVGOOSE共口傳輸?shù)姆绞较?，試?yàn)對(duì)未隔離SVGOOSE和按表2隔離SVGOOSE兩種情況進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，表3是網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀在模擬SV和GOOSE報(bào)文正常發(fā)送的同時(shí)，監(jiān)視到的分支1交換機(jī)1~8端口發(fā)送流量，實(shí)質(zhì)是各終端IED接收?qǐng)?bào)文流量。在未隔離SVGOOSE時(shí)，所有進(jìn)入交換機(jī)的報(bào)文在其余端口廣播，形成流量疊加的現(xiàn)象，明顯增加了終端IED的接收網(wǎng)絡(luò)壓力。按表2的方式設(shè)置VLAN后，流量較大的SV報(bào)文被準(zhǔn)確轉(zhuǎn)發(fā)到測(cè)控裝置，GOOSE報(bào)文也限制在本線路間隔內(nèi)，線路1和線路2兩個(gè)間隔的GOOSE報(bào)文被完全隔離。表3分支1交換機(jī)1~8端口發(fā)送流量對(duì)比Tab.3Comparisonofdataflowsentbyports1—8ofexchangeronbranch1端口類型SVGOOSE端口流量/(Mbit?s-1)最小值最大值GOOSE端口流量/(Mbit?s-1)最小值最大值未隔離SV和GOOSE表2隔離SV和GOOSE8.670.0317.348.8317.340.00817.340.03試驗(yàn)結(jié)果表明在SV和GOOSE共口傳輸?shù)那闆r下，采用IED發(fā)送報(bào)文時(shí)攜帶VLAN標(biāo)簽和交換機(jī)VLAN劃分相結(jié)合的方式，對(duì)SV和GOOSE采用不同的VLAN劃分策略，能夠有效隔離報(bào)文，減輕IED通信處理負(fù)擔(dān)，報(bào)文流向清晰，工程實(shí)施易于實(shí)現(xiàn)。4結(jié)語(yǔ)針對(duì)新一代智能變電站建設(shè)中SV和GOOSE共口傳輸?shù)腎ED接入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的情況，通過(guò)分析SV和GOOSE報(bào)文的流量特性和交互需求，指出攜帶IEEE802.1Q標(biāo)簽是隔離SV和GOOSE報(bào)文較好的方式，并提出了SV按裝置細(xì)致劃分和GOOSE按間隔劃分的VLAN方案，該方案較好地平衡了VLAN劃分工程實(shí)施復(fù)雜程度和報(bào)文隔離效果之間的矛盾。如果不能有效地過(guò)濾SV和GOOSE多播報(bào)文，不僅增加過(guò)程層交換機(jī)的通信負(fù)載，而且會(huì)增加終端IED的通信處理負(fù)擔(dān)，網(wǎng)絡(luò)壓力過(guò)大的情況下可能導(dǎo)致部分廠家出現(xiàn)IED死機(jī)的現(xiàn)象。本文針對(duì)SV和GOOSE報(bào)文共口傳輸方式提出的組網(wǎng)方案，易于工程實(shí)施，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，對(duì)新一代智能變電站過(guò)程層組網(wǎng)和規(guī)劃有一定的借鑒意義?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】⑴李寶偉，文明浩，李寶潭，等(LiBaowei，WenMinghao，LiBaotan，etal).新一代智能變電站SV直采和GOOSE共口傳輸方案研究(ResearchoftheschemeforSVdi-rectsamplingandG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