關(guān)于智能變電站GOOSE組網(wǎng)應(yīng)用的研究
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作者：鄭曉敏
GOOSE點對點通信方式是為了滿足繼電保護的可靠性和快速性要求，但斷路器失靈啟動、閉鎖備自投等保護信息是經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此，GOOSE網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能仍是智能變電站安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵問題之一。目前沒有明確的GOOSE網(wǎng)絡(luò)配置規(guī)范，而局域網(wǎng)傳輸解決方案較多，需選擇適合當(dāng)前智能變電站技術(shù)水平的網(wǎng)絡(luò)方案 指出目前國內(nèi)智能變電站工程GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫切切徒Y(jié)構(gòu)。介紹了GOOSE多播報文過濾方法．但沒有對GOOSE組網(wǎng)配置方案做詳細的討論。本文結(jié)合目前智能變毛站建設(shè)實踐，重點分析實現(xiàn)GOOSE網(wǎng)多播報文隔離的方案。
1 智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
GOOSE協(xié)議棧只用了開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI 7層中的4層．其目的是提高可靠性和降低傳輸延時．岡此GOOSE報文幀格式中沒有IP地址字段，只有MAC多播地址字段．如果交換機不經(jīng)設(shè)置，GOOSE報文在交換機內(nèi)就是廣播轉(zhuǎn)發(fā)，與交換機連接的其余智能電子設(shè)備(IED)都能接收到該GOOSE報文。盡管GOOSE采用的是發(fā)布／訂閱機制．IED最終只執(zhí)行配置好的GOOSE報義（在SCD文件中配置）．但IED必須濾除大量沒有訂閱的GOOSE報文．會增加通信CPU的處理負(fù)擔(dān)，況且在故障時GOOSE網(wǎng)絡(luò)上存在大量因重發(fā)機制產(chǎn)生的變位報文．對IED的應(yīng)用程序會造成嚴(yán)重影響，也存在斷路器誤動的風(fēng)險。因此結(jié)合GOOSE報文工程應(yīng)用的特點，應(yīng)在交換機這個通信節(jié)點完成對GOOSE報文的隔離。
《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》要求除保護跳閘信號采用點對點光纖直連外．其余過程層GOOSE報文通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸：220 kV及以上電壓等級繼電保護裝置采用雙重化配置，對應(yīng)的過程層網(wǎng)絡(luò)亦應(yīng)雙重化配置．第1套保護接入A網(wǎng)，第2套保護接入B網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用雙網(wǎng)星型結(jié)構(gòu)。圖1是符合規(guī)范要求的220 kV線路間隔的GOOSE A網(wǎng)通信示意圖，也是目前大多數(shù)智能變電站新建工程采用的GOOSE通信結(jié)構(gòu)，其余間隔CJOOSE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與此類似。基于該星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文從工程應(yīng)用的角度考慮如何隔離GOOSE多播報文，理論上有3種2層交換機的通信技術(shù)可以實現(xiàn)隔離：MAC地址靜態(tài)組播、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)和組播注冊協(xié)議(GMRP)。
2 MAC地址靜態(tài)組播過濾GOOSE
MAC地址靜態(tài)組播過濾，就是根據(jù)IED需要接收報文的目的MAC地址，把目的MAC地址手動填寫到交換機上與該IED連接端口的靜態(tài)多播地址表中即可。
該方式要求IED、交換機端口、報文目的MAC地址有明確的對應(yīng)關(guān)系，在GOOSE組網(wǎng)工程應(yīng)用中存在以下2點不足：
(1)交換機端口轉(zhuǎn)發(fā)的所有GOOSE報文目的MAC地址都得手動添加到該端口的靜態(tài)多播地址表，對于220 kV及以上規(guī)模的變電站，交換機配置工作量就卜分繁瑣龐大。比如圖2所示的母線保護，通過交換機端口向母線保護轉(zhuǎn)發(fā)所有支路的隔離開關(guān)位置GOOSE報文以及所有支路保護裝置的失靈啟動GOOSE報文等，每個GOOSE數(shù)據(jù)集都對應(yīng)一個目的MAC地址，因此該交換機端口必須配置上述所有GOOSE數(shù)據(jù)集的目的MAC地址．施工調(diào)試過程中若某個IED的GOOSE目的MAC地址需要更改，那么交換機MAC靜態(tài)組播表也要隨之更改。線路、變壓器等測控裝置也是通過一個交換機端口接收大量來自不同GOOSE數(shù)據(jù)集的GOOSE報文，也會存在配置工作量大的問題。
(2)建成后運維靈活性較差，如果某IED需要更換，新IED配置的曰的MAC地址必須和原IED的一致，連接的交換機端口也要一致，否則無法通信。
MAC靜態(tài)組播方式在大規(guī)模智能變電站的GOOSE組網(wǎng)中并不適用。但如果采用MAC靜態(tài)組播方式限制SV網(wǎng)多播報文，配置工作量比GOOSE報文少，因此，在SV單獨組網(wǎng)或者SV+GOOSE共網(wǎng)的情況下，MAC靜態(tài)組播方式就較適合對sv報文進行隔離。
3組播注冊協(xié)議(GMRP)過濾GOOSE
GMRP是GARP Multicast Registration Protocol（GARP多播注冊協(xié)議）的縮寫，是一種2層的多播過濾協(xié)議，是基于MAC的廣播管理協(xié)議。
GMRP通過多播組成員和交換機間的標(biāo)準(zhǔn)信息交互來完成多播性的注銷或重新注冊，使用GMRP時，交換機只要打開該功能即可實現(xiàn)多播成員的動態(tài)分組和動態(tài)維護，配置工作量大大簡化．避免靜態(tài)配置的復(fù)雜設(shè)置。但應(yīng)用GMRP的前提條件是交換機和IED都支持GMRP協(xié)議，目前該技術(shù)在智能站推廣的時間較短，很多裝置廠家對其不了解，有些廠家的裝置尚不支持GMRP，在實際工程應(yīng)用過程中還發(fā)現(xiàn)，有些裝置對GMRP協(xié)議的支持不完整，或是理解上有差異，難免共同組網(wǎng)配合時會有兼容問題，用戶對于動態(tài)多播過濾在可靠性方面必要的擔(dān)憂也限制了它的推廣。目前GMRP功能還不能應(yīng)用于智能變電站實際工程，有待各保護廠家加強對GMRP在智能變電站中的應(yīng)用開發(fā)，解決不同保護廠家GMRP 一致性和可靠性的問題。
4虛擬局域網(wǎng)(VLAN)過濾GOOSE
VLAN技術(shù)是基于IEEE 802.1Q的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它實現(xiàn)了在2層式交換機中對廣播進行劃分。通過VLAN技術(shù)來控制廣播域，減少不必要的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，可以提高網(wǎng)絡(luò)的實時性和安全性。為了保證不同廠家生產(chǎn)的終端設(shè)備能夠順利互通，IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了統(tǒng)一的VLAN幀格式，在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)幀中增加了4個字節(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。
TPID：長度為2個字節(jié)，固定為Ox8100，交換機通過TPID來確定數(shù)據(jù)幀內(nèi)附加了基于IEEESO2.1Q的VLAN信息。
802.1P Priority:長度3 bit,指明幀的優(yōu)先級。一共有8種優(yōu)先級，取值為0~7．主要用于
當(dāng)交換機出端口發(fā)生擁塞時，交換機通過識別該優(yōu)先級，優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級高的報文。
CFI:以太網(wǎng)交換機中，規(guī)范格式指示器總被設(shè)置為0。
VID: VLAN ID是對VLAN的識別字段，在標(biāo)準(zhǔn)802.1Q中常被使用。該字段為12位。支持4096( 212)VLAN的識別。在4 096個VID中，VID=O用于識別幀優(yōu)先級，4095( FFF)作為預(yù)留值，因此VLAN配置的最大可能值為4 094。
VLAN在交換機上的實現(xiàn)方式，主要有以下3種：(1)基于端口的VLAN，(2)基于MAC地址的VLAN，(3)基于子網(wǎng)的VLAN。
其中基于端口的VLAN最適合GOOSE組網(wǎng)工程應(yīng)用，該方式依據(jù)IED之間通信的邏輯關(guān)系．將同屬一個多播組的IED劃分到一個虛擬工作組．所有邏輯劃分工作只需要在GOOSE交換機上完成，不需要對IED做任何VLAN方面配置．其優(yōu)點是：(1)VALN tag是由交換機端口在數(shù)據(jù)幀進入交換機時添加的，VLAN對IED來說是透明的．在IED上不需要做任何VLAN配置。(2)在確定好LED與交換機端口物理接線后．IED的全站配置文件( SCD)設(shè)計與交換機VLAN配置工作相對獨立，在聯(lián)合調(diào)試驗收時，如果發(fā)現(xiàn)VLAN配置有問題只需修改交換機配置，不需修改SCD文件。（3）過程層網(wǎng)絡(luò)建成后，IED與交換機物理連接同定不變，這也非常適合基于端口VLAN的特點。
基于端口的VLAN較適合目前智能變電站GOOSE報文過濾。以下探討VLAN技術(shù)在COOSE組網(wǎng)中的工程應(yīng)用方案。
4.1 交換機VLAN劃分前的準(zhǔn)備工作
配置GOOSE交換機的VLAN時，首先要具備以下條件：(1)熟悉智能變電站的過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)啕，包括各電壓等級是星型還是雙星型拓?fù)洌奶mGOOSE報文是經(jīng)交換機轉(zhuǎn)發(fā)，哪些GOOSE報文是經(jīng)光纖直連；(2)熟悉交換機的配置方法：3)熟悉SCD配置文件中的GOOSE連線．這樣才知道IED之間GOOSE報文的交互關(guān)系：其中最后一點要求較高，需要設(shè)計者對保護測控設(shè)備的GOOSE虛端子回路比較熟悉。只有上述條件都具備后，才能規(guī)劃GOOSE交換機VLAN配置表。
按照技術(shù)規(guī)范的要求，第1個條件由前面的圖1就能說明清楚。后面2個要求下面分別予以說明。
4.2 兩層交換機的VLAN配置
為了理解VLAN內(nèi)報文的轉(zhuǎn)發(fā)，就必須要知道交換機對于不同VLAN報文的處理原則。首先，需要明確的是：在交換機的內(nèi)部，為了處理快速高效，報文都是帶tag轉(zhuǎn)發(fā)的。因為交換機上很可能會配置多個VLAN,那不同VLAN流量區(qū)分只有依靠tag標(biāo)簽。
下面從報文入和報文出2個方向米介紹。
報義入方向：交換機的根本任務(wù)就是決定該報義是否允許進入該端口，根據(jù)入報文是否攜帶tag以及端口屬性，細分為如下情況：(1)報文不攜帶tag：允許報文進入該端口，并打上端口所屬自勺VI,AN tag即PVID (Port VLAN ID)，與端U類型無關(guān)；(2)報文攜帶tag：在這種情況下，需要端口類型來判斷是否允許該報文進入端口：訪問( Access)端口：PVID和報文中tag標(biāo)明的VLANID 一致，接收報文；否則丟棄。匯聚( Trunk)端口：如果端口允許tag中標(biāo)明的VLAN ID通過（若沒有將VLAN ID列入靜止端口列表），則接收并處理報文；否則丟棄。
報文出方向：交換機已經(jīng)完成對報文的接收．其根本任務(wù)就是在轉(zhuǎn)發(fā)出端口時，是否攜帶tag轉(zhuǎn)發(fā)出去，根據(jù)出端口屬性，細分為如下情況：Access端口：將標(biāo)簽剝掉，不帶tag轉(zhuǎn)發(fā)；Tru nk端口：報文所存VLAN ID和PVID相同．則報文不帶tag；否則帶tag; 一般來說，Trunk端口的流量必須帶有標(biāo)記，用戶也可以為Trunk端口指定PVID，Trunk端口的未標(biāo)記數(shù)據(jù)包將給端口分配一個默認(rèn)PVID作為它的VID。
PVID配置規(guī)則：一個交換機端口的PVTD是唯一的，但可屬于多個VID，交換機PVID默認(rèn)值為1。
Access端口直接和IED連接：而Trunk端口可以支持多個VLAN,用于不同交換機或多個
VALN之間的級聯(lián)。用戶必須定義一個默認(rèn)端口PVID來指明設(shè)備屬于哪個VLAN。當(dāng)輸入這個端口的數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)送到另一個Trunk端口（該端口需要所有數(shù)據(jù)包包含標(biāo)志信息），交換機將在數(shù)據(jù)包中插入PVID來幫助下一個802.1Q交換機識別。
4.3 GOOSE信息交換分類和VLAN劃分方案
按照GOOSE網(wǎng)絡(luò)中的信息交換范圍可以將GOOSE信息歸納為兩種類型：
(1)保護間隔（如線路、變壓器、母聯(lián)等）內(nèi)IED之間的GOOSE信息交換，包括本間隔的保護裝置、測控裝置、智能終端、合并單元等設(shè)備。這些GOOSE信息包括裝置異常告警、開關(guān)刀閘控分和控合命令，開關(guān)刀閘位置等。
(2)母線間隔和其他間隔IED之間的GOOSE信息交換，包括母線保護與各間隔保護之間的失靈啟動、遠傳信息，母線保護與各間隔智能終端之間的刀閘位置信息等。此外，母線間隔的其余設(shè)備包括母線測控裝置、母線合并單元和母線智能終端之間的GOOSE信息只局限在母線本間隔內(nèi)，沒有跨間隔。
基于上述2類GOOSE網(wǎng)絡(luò)信息的分析，相同電壓等級的IED按照間隔配置GOOSE交換機和劃分VLAN,如圖4所示，母線間隔的IED都連接在GOOSE中心交換機，其余問隔的IED都連接在各分支交換機，所有分支交換機通過干兆端口與中心交換機按照星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接。目前廠家牛產(chǎn)的過程層交換機一般配置至少4個千兆端口和20個快速以太網(wǎng)端口，因此能夠滿足上述GOOSE網(wǎng)絡(luò)星型拓?fù)涞囊螅阌诠こ虒嵤?
按照本節(jié)分析的GOOSE網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流向，表1以功能完整的220kV線路間隔GOOSE A網(wǎng)絡(luò)通信為例，給出了VLAN劃分的具體配置方案。線路間隔內(nèi)的IED在分支交換內(nèi)組成相應(yīng)的VLAN，母線保護與各問隔的保護、智能終端分別構(gòu)成跨交換機的VLAN,母線間隔的母線測控裝置、母線合并單元和母線智能終端在中心交換內(nèi)組成相應(yīng)的VLAN。其余包括變壓器、母聯(lián)等間隔的IED都按照線路l相同的方式接入分支交換機和配置VLAN,就不再贅述。
該方案已應(yīng)用于培訓(xùn)智能變電站的工程實踐，使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單．GOOSE數(shù)據(jù)流向清晰，間隔之間無關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)被有效隔離，便于技術(shù)人員掌握和運行維護。
5結(jié)語
《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》明確了智能變電站建設(shè)中的過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但對如何限制GOOSE多播報文并沒有給出明確方案。本文針對目前智能變電站GOOSE組網(wǎng)巾的3種多播報文過濾技術(shù)手段進行深入比較和分析，從工程實施和維護角度分析了3種GOOSE報文過濾機制的利弊，指出以現(xiàn)有智能變電站保護測控設(shè)備的技術(shù)條件，基于端L1的VLAN最符合T程應(yīng)用要求。提出按照間隔和GOOSE數(shù)據(jù)流來劃分VLAN的方案，并給出了工程配置案例，對現(xiàn)階段新建智能變電站GOOSE組網(wǎng)規(guī)劃有一定的借鑒意義。
6摘要：為了保證智能變電站GOOSE報文傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，分析和比較了MAC地址靜態(tài)組播、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)、組播注冊協(xié)議(GMRP)3種多播報文過濾技術(shù)的特征，指出基于端口的VLAN劃分方式是現(xiàn)階段智能變電站GOOSE組網(wǎng)工程應(yīng)用中切實可行的方案。分析了智能電子設(shè)備(IED)之間GOOSE報文的數(shù)據(jù)流向和交互范圍．提出一種基于GOOSE信息分類和保護間隔的VLAN劃分方案．最后結(jié)合工程實例給出了GOOSE組網(wǎng)配置方案，該方案易于實現(xiàn)．GOOSE數(shù)據(jù)流向清晰，能夠有效隔離多播報文。
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