黃少雄，張沛超

(上海交通大學(xué)，上海 200240)

IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中首次引入了過(guò)程層通信的概念，從而對(duì)數(shù)字化變電站的研究進(jìn)展形成很大推動(dòng)[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(guò)程層。其中變電站層與間隔層之間采用以制造報(bào)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(guò)程層之間采用面向通用對(duì)象的變電站事件(GOOSE)報(bào)文通信。與傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電站相比，智能變電站的主要特點(diǎn)是間隔層之間及間隔層與過(guò)程層之間采用GOOSE網(wǎng)進(jìn)行通信，實(shí)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(jiǎn)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(diǎn)間的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE實(shí)現(xiàn)了真正的P2P通信，任一個(gè)IED與其它IED通過(guò)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(hù)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(guò)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(hù)跳閘及遙控操作信息。因此要求GOOSE網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸具有相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。IEC61850定義了非常嚴(yán)格的時(shí)間指標(biāo)來(lái)保證其性能，同時(shí)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(yù)期的操作。

2 智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在進(jìn)行智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，針對(duì)不同電壓等級(jí)和不同規(guī)模的變電站可采用不同的GOOSE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(tái)交換機(jī)簡(jiǎn)單串接，接線方式比較簡(jiǎn)單，可靠性差?？偩€中任意1臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致兩邊通信中斷。一般不采用此類型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

b. 星型結(jié)構(gòu)

星型結(jié)構(gòu)中任意兩點(diǎn)間通信距離最短，信息傳遞的實(shí)時(shí)性好。但根交換機(jī)故障將會(huì)導(dǎo)致所有子交換機(jī)之間通信中斷。在采用星型結(jié)構(gòu)時(shí)，根交換機(jī)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(gè)邏輯斷點(diǎn)，當(dāng)其它鏈路中斷時(shí)該邏輯斷點(diǎn)將自動(dòng)愈合。因此在整個(gè)環(huán)中任何1臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)故障，均不會(huì)影響其它交換機(jī)之間的通信。但存在發(fā)生環(huán)網(wǎng)風(fēng)暴的危險(xiǎn)。

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(hù)、自動(dòng)化設(shè)備配置的具體情況確定。目前國(guó)內(nèi)變電站一次接線方式及保護(hù)、自動(dòng)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(hù)配置;220 kV采用雙母線接線方式、雙重化保護(hù)配置;110 kV及以下采用單套保護(hù)測(cè)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

a. 500 kV GOOSE網(wǎng)配置方案

國(guó)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(hù)與相應(yīng)的智能終端之間的數(shù)據(jù)交互;中斷路器保護(hù)與該串兩側(cè)邊斷路器保護(hù)及智能終端間的數(shù)據(jù)交互;母差保護(hù)與該母線側(cè)的所有邊斷路器保護(hù)及智能終端進(jìn)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(hù)接入GOOSE網(wǎng)交換機(jī)作為根交換機(jī)，各邊斷路器保護(hù)裝置接入GOOSE網(wǎng)交換機(jī)作為子交換機(jī)。其構(gòu)成如圖1所示。中斷路器保護(hù)可不設(shè)置單獨(dú)的GOOSE網(wǎng)交換機(jī)，直接跨接在兩側(cè)邊斷路器保護(hù)GOOSE網(wǎng)交換機(jī)上。

該方案優(yōu)點(diǎn):各保護(hù)裝置之間的數(shù)據(jù)交互最多經(jīng)過(guò)2個(gè)交換機(jī)完成，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信息交互時(shí)間最短，提高信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性;中斷路器保護(hù)直接跨接在兩側(cè)邊斷路器保護(hù)GOOSE網(wǎng)交換機(jī)上，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，簡(jiǎn)化了GOOSE網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)，縮減了GOOSE網(wǎng)交換機(jī)數(shù)量，減少工程投資。

b. 220 kV GOOSE網(wǎng)配置方案

國(guó)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(duì)應(yīng)一個(gè)開(kāi)關(guān)，各間隔相對(duì)獨(dú)立，各間隔保護(hù)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(hù)需要與各間隔保護(hù)及智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。可將每套母差保護(hù)接入GOOSE網(wǎng)交換機(jī)作為根交換機(jī)，對(duì)應(yīng)的保護(hù)裝置和智能終端接入交換機(jī)作為子交換機(jī)，構(gòu)成如圖2所示。測(cè)控裝置需提供2個(gè)網(wǎng)口分別接入2套GOOSE網(wǎng)中。

該方案優(yōu)點(diǎn):采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各保護(hù)、測(cè)控、智能終端之間的數(shù)據(jù)交互最多經(jīng)過(guò)2個(gè)交換機(jī)完成，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信息交互時(shí)間最短，提高信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性;整個(gè)GOOSE雙星型網(wǎng)絡(luò)為2套相互獨(dú)立的單網(wǎng)構(gòu)成，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，與保護(hù)雙重化要求相適應(yīng)。

c. 110 kV及以下GOOSE網(wǎng)配置方案

國(guó)內(nèi)110 kV及以下電壓等級(jí)均配置單套保護(hù)。GOOSE網(wǎng)可采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)配置 (如圖3所示)。母差保護(hù)可接入環(huán)網(wǎng)中任意1臺(tái)GOOSE交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)與各間隔保護(hù)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(wú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu))

在智能變電站GOOSE網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中VLAN的劃分具有十分重要的意義。通過(guò)VLAN可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)管理，增加安全性，限制廣播包。其中限制廣播包對(duì)保護(hù)GOOSE網(wǎng)信息的實(shí)時(shí)傳輸具有十分重要的作用。按照IEC802.1D算法，如果一個(gè)包找不到路由會(huì)被交換機(jī)發(fā)送到所有其它端口，極大地浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬。但在配置VLAN后，當(dāng)一個(gè)包找不到路由時(shí)交換機(jī)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?shí)時(shí)性。

目前在GOOSE層進(jìn)行VLAN劃分的方法主要是通過(guò)MAC地址進(jìn)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(jìn)行VLAN規(guī)劃配置時(shí)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(wú)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(jìn)行VLAN劃分。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(shí)際情況綜合考慮 (包括電壓等級(jí)、一次接線方式、二次設(shè)備配置等)對(duì)GOOSE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理配置，以達(dá)到實(shí)時(shí)、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)的目的。本文結(jié)合實(shí)際討論了不同環(huán)境下GOOSE網(wǎng)絡(luò)的配置方案，希望能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用提供參考。

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