智能變電站GOOSE網(wǎng)配置方案研究

黃少雄，張沛超

(上海交通大學，上海 200240)

IEC61850系列標準的頒布與推廣應(yīng)用為智能變電站的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。標準中首次引入了過程層通信的概念，從而對數(shù)字化變電站的研究進展形成很大推動[1]。數(shù)字化變電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般分為變電站層、間隔層和過程層。其中變電站層與間隔層之間采用以制造報文規(guī)范 (MMS)為核心的客戶/服務(wù)器 (C/S)通信，間隔層之間以及間隔層與過程層之間采用面向通用對象的變電站事件(GOOSE)報文通信。與傳統(tǒng)綜合自動化變電站相比，智能變電站的主要特點是間隔層之間及間隔層與過程層之間采用GOOSE網(wǎng)進行通信，實現(xiàn)信息的交互，以GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信代替了傳統(tǒng)的電纜連接。

1 智能變電站GOOSE網(wǎng)功能

1.1 GOOSE簡介

GOOSE服務(wù)是以高速P2P(peer－to－peer)通信為基礎(chǔ)，代替了傳統(tǒng)的智能電子設(shè)備 (IED)之間的硬電纜接線通信方式，為邏輯節(jié)點間的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE實現(xiàn)了真正的P2P通信，任一個IED與其它IED通過以太網(wǎng)相連，即可作為訂閱端接收數(shù)據(jù)，也可作為發(fā)布端為其它IED提供數(shù)據(jù)。P2P體系結(jié)構(gòu)消除了主/從方式和非網(wǎng)絡(luò)化的串行連接方案存在的缺陷，網(wǎng)絡(luò)化降低了設(shè)備的維護成本[2]。

1.2 GOOSE 網(wǎng)功能

在智能變電建設(shè)中，GOOSE網(wǎng)作為間隔層之間及間隔層與過程層之間通信橋梁，其主要功能包括:傳遞遙信信息、間隔閉鎖信息、保護跳閘及遙控操作信息。因此要求GOOSE網(wǎng)絡(luò)報文傳輸具有相當?shù)膶崟r性和可靠性。IEC61850定義了非常嚴格的時間指標來保證其性能，同時GOOSE消息還包含了數(shù)據(jù)有效性檢查和消息的丟失、檢查、重發(fā)，以確保接收IED消息并執(zhí)行預期的操作。

2 智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

在進行智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)統(tǒng)籌考慮實時性、可靠性、安全性和經(jīng)濟性，針對不同電壓等級和不同規(guī)模的變電站可采用不同的GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

2.1 GOOSE網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)

GOOSE網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)主要有總線型、星型、環(huán)型3種。

a. 總線型結(jié)構(gòu)

總線型結(jié)構(gòu)為多臺交換機簡單串接，接線方式比較簡單，可靠性差?？偩€中任意1臺交換機出現(xiàn)故障就會導致兩邊通信中斷。一般不采用此類型拓撲結(jié)構(gòu)。

b. 星型結(jié)構(gòu)

星型結(jié)構(gòu)中任意兩點間通信距離最短，信息傳遞的實時性好。但根交換機故障將會導致所有子交換機之間通信中斷。在采用星型結(jié)構(gòu)時，根交換機宜采用雙重化配置，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

c. 環(huán)型結(jié)構(gòu)

環(huán)型結(jié)構(gòu)具有一定的冗余能力，在正常工作情況下有一個邏輯斷點，當其它鏈路中斷時該邏輯斷點將自動愈合。因此在整個環(huán)中任何1臺交換機出現(xiàn)故障，均不會影響其它交換機之間的通信。但存在發(fā)生環(huán)網(wǎng)風暴的危險。

2.2 GOOSE網(wǎng)配置方案

智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)配置方案應(yīng)根據(jù)變電站的一次接線方式及保護、自動化設(shè)備配置的具體情況確定。目前國內(nèi)變電站一次接線方式及保護、自動化設(shè)備配置上基本遵循以下原則:500 kV采用3/2接線方式、雙重化保護配置;220 kV采用雙母線接線方式、雙重化保護配置;110 kV及以下采用單套保護測控一體化配置。因此GOOSE網(wǎng)絡(luò)配置方案可依據(jù)上述3種情況進行設(shè)計。

a. 500 kV GOOSE網(wǎng)配置方案

國內(nèi)500 kV一次接線大多采用3/2接線方式。GOOSE網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流向主要包括:各斷路器保護與相應(yīng)的智能終端之間的數(shù)據(jù)交互;中斷路器保護與該串兩側(cè)邊斷路器保護及智能終端間的數(shù)據(jù)交互;母差保護與該母線側(cè)的所有邊斷路器保護及智能終端進行數(shù)據(jù)交互。根據(jù)裝置之間數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)的需求，可將母差保護接入GOOSE網(wǎng)交換機作為根交換機，各邊斷路器保護裝置接入GOOSE網(wǎng)交換機作為子交換機。其構(gòu)成如圖1所示。中斷路器保護可不設(shè)置單獨的GOOSE網(wǎng)交換機，直接跨接在兩側(cè)邊斷路器保護GOOSE網(wǎng)交換機上。

該方案優(yōu)點:各保護裝置之間的數(shù)據(jù)交互最多經(jīng)過2個交換機完成，實現(xiàn)全網(wǎng)信息交互時間最短，提高信息傳輸?shù)膶崟r性;中斷路器保護直接跨接在兩側(cè)邊斷路器保護GOOSE網(wǎng)交換機上，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，簡化了GOOSE網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)，縮減了GOOSE網(wǎng)交換機數(shù)量，減少工程投資。

b. 220 kV GOOSE網(wǎng)配置方案

國內(nèi)220 kV一次接線一般采用雙母線接線方式。在該接線方式下每條線路對應(yīng)一個開關(guān)，各間隔相對獨立，各間隔保護裝置只和本間隔智能終端存在數(shù)據(jù)交互，只有母差保護需要與各間隔保護及智能終端進行數(shù)據(jù)交互。可將每套母差保護接入GOOSE網(wǎng)交換機作為根交換機，對應(yīng)的保護裝置和智能終端接入交換機作為子交換機，構(gòu)成如圖2所示。測控裝置需提供2個網(wǎng)口分別接入2套GOOSE網(wǎng)中。

該方案優(yōu)點:采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，各保護、測控、智能終端之間的數(shù)據(jù)交互最多經(jīng)過2個交換機完成，實現(xiàn)全網(wǎng)信息交互時間最短，提高信息傳輸?shù)膶崟r性;整個GOOSE雙星型網(wǎng)絡(luò)為2套相互獨立的單網(wǎng)構(gòu)成，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，與保護雙重化要求相適應(yīng)。

c. 110 kV及以下GOOSE網(wǎng)配置方案

國內(nèi)110 kV及以下電壓等級均配置單套保護。GOOSE網(wǎng)可采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)配置 (如圖3所示)。母差保護可接入環(huán)網(wǎng)中任意1臺GOOSE交換機上，實現(xiàn)與各間隔保護裝置及智能終端間的信息交互。由于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)具有一定的冗余能力，無需為網(wǎng)絡(luò)的冗余能力而建立2套GOOSE網(wǎng)絡(luò)，大大減少投資成本。

3 智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)VLAN配置

圖1 500 kV GOOSE網(wǎng)配置方案 (雙星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu))

在智能變電站GOOSE網(wǎng)建設(shè)過程中VLAN的劃分具有十分重要的意義。通過VLAN可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)管理，增加安全性，限制廣播包。其中限制廣播包對保護GOOSE網(wǎng)信息的實時傳輸具有十分重要的作用。按照IEC802.1D算法，如果一個包找不到路由會被交換機發(fā)送到所有其它端口，極大地浪費網(wǎng)絡(luò)帶寬。但在配置VLAN后，當一個包找不到路由時交換機將該包發(fā)送到所有屬于該VLAN的端口，這就節(jié)省了帶寬，提高了GOOSE網(wǎng)信息傳輸?shù)膶崟r性。

目前在GOOSE層進行VLAN劃分的方法主要是通過MAC地址進行劃分。VLAN劃分的根本原則是系統(tǒng)的應(yīng)用功能。根據(jù)功能應(yīng)用進行VLAN規(guī)劃配置時必須依據(jù)以下信息:系統(tǒng)基于GOOSE建立了哪些應(yīng)用;這些應(yīng)用需要交換哪些數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)交換涉及到哪些IED;數(shù)據(jù)的通信量有多大。以220 kV雙母線接線為例，各間隔之間無聯(lián)系，母線與所有間隔有聯(lián)系，可按間隔劃分VLAN;在500 kV 2/3接線方式下同一串中各間隔之間有聯(lián)系，可按串進行VLAN劃分。

4 結(jié)束語

GOOSE網(wǎng)絡(luò)是智能變電站的核心部分，應(yīng)根據(jù)變電站的實際情況綜合考慮 (包括電壓等級、一次接線方式、二次設(shè)備配置等)對GOOSE網(wǎng)絡(luò)進行合理配置，以達到實時、可靠、安全、經(jīng)濟的目的。本文結(jié)合實際討論了不同環(huán)境下GOOSE網(wǎng)絡(luò)的配置方案，希望能夠為工程應(yīng)用提供參考。

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