劉景霞　田立猛

摘 要： 目前智能變電站內(nèi)部整體還采用的是直采直跳的通信方式，存在工作量大、且控制回路量大、復(fù)雜等缺陷。在三網(wǎng)合一的通信網(wǎng)絡(luò)條件下提出一種基于GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)，遵循IEC 62850標準并提出基于ID的Tag虛擬局域網(wǎng)的劃分，依照ACL規(guī)則過濾報文，對局域網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)交換機進行優(yōu)化配置，實現(xiàn)變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)消息傳輸?shù)闹悄芑⑻岣咄ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 智能變電站； 三合一網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)配置； 通信網(wǎng)絡(luò)； VLAN劃分

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）20?0173?05

Abstract： Currently， the communication mode of direct sampling and tripping is still used in smart substation， which has the defects of heavy workload， multiple and complex control loops. A communication network based on GOOSE network and SV network is proposed under the condition of three?in?one communication network. Abiding by the IEC62850 Standard， the ID?based division of Tag virtual local area network （LAN） is proposed. The message is filtered according to the rules of ACL. An optimal allocation is adopted for the network switch in LAN to realize the intelligent message transmission inside the network of substation， and improve the stability of the communication network.

Keywords： intelligent substation； three?in?one network； network configuration； communication network； VLAN partition

0 引 言

變電站是電力傳輸中的發(fā)揮著關(guān)鍵作用，近年來變電站從數(shù)字化發(fā)展為智能化勢頭迅猛，其中對智能變電站的通信監(jiān)控研究愈加緊迫。智能變電站由過程層智能設(shè)備和間隔層網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備組成，全站遵從IEC 61850標準，其中智能變電站內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通信作為變電站通信的核心對智能變電站的發(fā)展具有尤其突出作用[1?2]。

目前在智能變電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要有三層兩網(wǎng)架構(gòu)、兩層一網(wǎng)架構(gòu)、三網(wǎng)合一架構(gòu)。其中三網(wǎng)合一架構(gòu)尚在研究階段，該架構(gòu)的優(yōu)點減少智能變電站的建造成本，提高過程層的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定程度，降低維護難度，但其缺點在于完全依賴于交換機的性能。

現(xiàn)智能變電站提出適用于環(huán)網(wǎng)的一套分布式保護系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)的共享，與合并單元和智能單元間配合保證母線間的可靠性[3]。本文將對三網(wǎng)合一架構(gòu)在已有的研究成果基礎(chǔ)上進行改進優(yōu)化，實現(xiàn)交換機間報文傳輸最短距離，文獻[4?5]中分析了各報文特性與斷面流量計算方法，全面使用IEC 61850通信協(xié)議，并將GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)、IEC 61850網(wǎng)進行共口合并為一個物理網(wǎng)絡(luò)來傳遞信息[6]?，F(xiàn)在三網(wǎng)合一的隔離策略中，可通過分析網(wǎng)絡(luò)拓撲、動態(tài)協(xié)議、靜態(tài)配置對過載進行檢測分析[7]。在變電站通信網(wǎng)絡(luò)中以交換機、IED等智能設(shè)備為基礎(chǔ)組網(wǎng)絡(luò)并優(yōu)化交換機配置。在以往的智能變電站中，一般的虛擬網(wǎng)絡(luò)劃分方式都是基于端口的，這種方式在劃分VLAN單元時比較簡單，只需定義端口即可，但在220 kV智能變電站網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜的組網(wǎng)中因測試等因素比較復(fù)雜，需采用基于ID的Tag VLAN來劃分不同的VLAN，這種用VID劃分VLAN的方法將使主機間的通信不受其他網(wǎng)絡(luò)影響[8?9]，劃分的VLAN單元更加清晰。

1 通信網(wǎng)絡(luò)的組建

1.1 通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)的組合主要應(yīng)用于間隔層、過程層網(wǎng)絡(luò)，本文將以220 kV智能變電站過程層為基礎(chǔ)介紹三網(wǎng)合一組網(wǎng)方案。其中主要分為220 kV高壓側(cè)除去主變外的間隔網(wǎng)絡(luò)、110 kV外側(cè)變壓的間隔網(wǎng)絡(luò)、35 kV GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)，對與智能變電站繼電系統(tǒng)的配置，文獻[10]介紹較為詳細。

各間隔配置合并單元，通過合并單元完成電信號與開關(guān)量的采集，并對電壓電流等信號進行同步，將測量數(shù)據(jù)按IEC 61850輸出供二次設(shè)備使用。智能終端完成斷路器、間隔開關(guān)等設(shè)備的跳合閘回路、位置信號采集回路等。全站分為：站控層、間隔層、過程層。整體網(wǎng)絡(luò)又雙層雙星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成，以達到數(shù)據(jù)傳輸路徑最短、最快和控制簡潔。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

實際應(yīng)用中智能變電站一體化系統(tǒng)架構(gòu)嚴格按照國家電網(wǎng)科143號（Q/GDW678—2011《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng) 功能規(guī)范》、Q/GDW679—2011《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》）。其中220 kV側(cè)采用4臺百兆級網(wǎng)絡(luò)交換機，110 kV側(cè)使用2臺百兆級網(wǎng)絡(luò)交換機，主干線路中1#與2#主變過程層中各采用2臺千兆級網(wǎng)絡(luò)交換機通過GOOSE網(wǎng)傳遞信息。

1.2 網(wǎng)絡(luò)描述

站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)組合GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)和MMS網(wǎng)，其中GOOSE網(wǎng)絡(luò)交換機和SV網(wǎng)共口傳輸，同時傳輸兩種信息數(shù)據(jù)。保護裝置遙測量采用SV點對點傳送，測控、計量裝置遙測量則通過SV組網(wǎng)傳送；繼電保護系統(tǒng)采用直采直跳模式，各保護設(shè)備間的聯(lián)閉鎖命令及測控功能采用網(wǎng)絡(luò)方式實現(xiàn)。其中，220 kV繼電保護設(shè)備雙重化配置分別接入GOOSE A網(wǎng)和GOOSE B網(wǎng)，測控單元均接入GOOSE A網(wǎng)中，測控裝置間的聯(lián)閉鎖信息以GOOSE報文的形式通過MMS網(wǎng)傳輸。其中GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)與智能設(shè)備間的聯(lián)系如圖2所示。endprint

220 kV線路、主變壓器保護使用母線電壓輸入，保護裝置電壓切換通過合并單元實現(xiàn)，母線設(shè)備合并單元SV網(wǎng)連接到各級變壓器間隔，同時母線間的隔離開關(guān)的開關(guān)量通過線纜接入合并單元，經(jīng)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)綔y控和保護單元。采用GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)共口傳輸?shù)哪Ｊ胶?，就不能簡單地由傳統(tǒng)的VLAN劃分方式來劃分端口網(wǎng)絡(luò)，本文采用的是基于VID的Tag VLAN劃分方式將起到隔離兩網(wǎng)的作用，此方式將在下文網(wǎng)絡(luò)配置中做介紹。

2 交換機配置

2.1 交換機流量可行性分析

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中交換機起著至關(guān)重要的作用，本文提出的組網(wǎng)方案中GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)共口傳輸，對交換機的流量承載能力有一定的要求，設(shè)每個合并單元有12個模擬通道，那么其流量輸出為（單位為Mb/s）：

在基于IEC 61850通信標準的GOOSE網(wǎng)與SV組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下，1 s內(nèi)一個智能IED的帶寬流量可以為[Sa=0.006 Mb/s]。在整個運行網(wǎng)絡(luò)中與合并單元數(shù)據(jù)流量相比影響較小，交換機足以承載其共口傳輸，所有裝置可以通過百兆接口接入網(wǎng)絡(luò)。在220 kV級變電站中本次擬選取具有輸入5個端口、3個輸出端口，傳輸量為100 Mb/s的交換機，其中GOOSE網(wǎng)雙向傳輸、SV網(wǎng)單向傳輸，數(shù)據(jù)交換設(shè)計如圖3所示。

2.2 交換機網(wǎng)絡(luò)配置

在三網(wǎng)合一通信網(wǎng)絡(luò)中，在各單元監(jiān)控主機中擬采用ACL規(guī)則來過濾不屬于自己單元所需的報文。例如主機只接受GOOSE報文則在傳輸過程中可過濾SV報文或IEC 61588對時網(wǎng)絡(luò)報文，以此可以減少交換機負載，簡化交換機的配置。本次GOOSE網(wǎng)絡(luò)中選擇三種鏈路類型中的Access，是因為它與PVID的屬性相對應(yīng)，此端口只能屬于一種VLAN，其他兩種分別是Trunk和Hybrid。Trunk類型的端口通常連接于交換機間，Hybrid使用較復(fù)雜，可屬于多個VLAN。本設(shè)計中所有的交換機級聯(lián)端口均設(shè)置成trunk模式，即在缺省的情況下是屬于本設(shè)備的所有VLAN可以轉(zhuǎn)發(fā)VLAN內(nèi)的所有報文信息。其設(shè)計規(guī)則如下：

（1） 某一裝置需要同時接收兩種報文時，相對應(yīng)的交換機端口中設(shè)置屏蔽端口，此交換機的端口為trunk模式。

（2） 只進行一種動作的端口的模式為Access模式，例如母線保護等的端口。

（3） 設(shè)置交換機級聯(lián)端口并屏蔽掉單間隔的數(shù)據(jù)流，以此減少交換機負載。

GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)中的流量并不是很大，兩種網(wǎng)絡(luò)共口傳輸，在交換機配置時劃分到一個VLAN里，例如直接將IED1、2端口與交換機端口2、3連接，將其劃分到了一個VLAN里，報文傳輸只需經(jīng)由MU IED_T1即可完成。最后報文信息再通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)上傳至主干交換機。如表1中部分端口連接關(guān)系所示。

交換機要識別允許與阻止有用與無用信息的進入，旨在劃分局域網(wǎng)（VLAN）流量，交換機中的報文傳輸均帶有Tag標簽，此為識別報文的重要機制。VLAN端口中PVID（Port VLAN ID）與報文攜帶的Tag標簽相對應(yīng)，訪問（Access）端口時，與Tag中的VLAN ID比較判斷是否允許通過。其中PVID可刻錄多個VLAN ID，但一個（Access）端口只能有一個PVID。PVID的作用是，當有IP 報文進入交換機端口的時候，若其未帶Tag頭，但此端口上配置了 PVID，那么，那么將會在報文上自動生成Tag信息。如果進入的 IP報文已經(jīng)帶有Tag頭，交換機端不動作。其中Tag VLAN 基于IEEE 802.1Q標準，IEEE 802.1Q標準定義一種新的幀格式，它在標準的以太網(wǎng)幀的源地址后加入了一個tag頭，具體見圖4。Tag VLAN劃分不同的VLAN的原理是當數(shù)據(jù)幀通過交換機時，交換機根據(jù)Tag頭的VID信息來識別他們所屬的VLAN，從而使得此數(shù)據(jù)幀在其規(guī)則內(nèi)的邏輯VLAN內(nèi)傳輸。

在智能變電站中已經(jīng)摒棄了信號觸發(fā)直接上傳的信息傳輸方法，在IEC 61850通信標準中，定義了UML模型，其中采用XML語言編寫的SCD文件可以完美表述交換機與智能IED之間的訂閱關(guān)系，本文不做詳細介紹。

3 基于VLAN ID的間隔網(wǎng)絡(luò)配置

3.1 GOOSE網(wǎng)絡(luò)配置

由IEC 61850?7?2定義的GOOSE重傳機制保證了報文傳輸?shù)膶崟r性與可靠性，采用了一種通信服務(wù)的映射來劃分報文的級別。報文傳輸時，其有一個穩(wěn)態(tài)重傳延時和三個故障突變延時，穩(wěn)態(tài)運行時穩(wěn)態(tài)重傳延時去3～5 s，故障突變延時則為毫秒級，依次遞增。圖5為此機制延時示意圖。

在進行GOOSE網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時通常使用MAC地址過濾GOOSE報文，需要手動填寫相對應(yīng)的MAC地址到交換機上，與智能IED接口之間形成對應(yīng)的關(guān)系 ，通過交換機轉(zhuǎn)發(fā)所有支路的GOOSE報文與所有無效報文，每個GOOSE報文鏈接一個MAC地址，如圖6所示。

本文所舉220 kV變電站中交換機的工作量比較龐大，線路較復(fù)雜，工程實際實施中每個智能IED與相對應(yīng)的GOOSE網(wǎng)MAC地址在調(diào)試中，若出現(xiàn)需要調(diào)整的線路，需更改MAC地址，同時需手動在交換機配置中/更改組波表，如此則比較麻煩。鑒于其活動性較差的原因，在規(guī)模稍大的變電站中并不適合應(yīng)用此方式通信。

隨著虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)的發(fā)展，可實現(xiàn)在本文所述的兩層三網(wǎng)合一的交換機中進行廣播的VLAN劃分，降低網(wǎng)絡(luò)流量負荷。與交換機類似的，在GOOSE網(wǎng)的工程組網(wǎng)中適用基于VLAN ID的VLAN劃分，在虛擬局域網(wǎng)中創(chuàng)建多個虛擬工作單元，由智能IED之間的網(wǎng)絡(luò)拓撲邏輯關(guān)系通過GOOSE網(wǎng)分配到各個對應(yīng)的VLAN工作單元中去，避免了測試過程中單獨對智能IED配置的必要。

在GOOSE網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程中，本次220 kV智能變電站GOOSE組網(wǎng)交互信息分為兩大類，分別為保護間隔內(nèi)的IED和母線間隔與其他間隔間的IED信息交互。endprint

（1） 在保護間隔GOOSE組網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備類型及其接收的主要信息類型有：變壓器保護接收失靈聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)、線路保護接收線路的閉鎖重合閘與線路遠跳相對側(cè)、主變測控裝置接收起本身的智能終端的開入量和GOOSE事件的轉(zhuǎn)發(fā)、間隔智能終端中接收變壓器與線路中的操作控斷信號等。

（2） 在母線與其他間隔中IED間GOOSE組網(wǎng)的主要信息類型有：母線保護接收自身的啟動失靈信號、母聯(lián)間隔測控接收其間隔內(nèi)智能終端的開入量及GOOSE事件的轉(zhuǎn)發(fā)、母線智能單元負責母線測控遙控操作信號的接收等。

根據(jù)上述類型信息的劃分和GOOSE報文信息的流向可以對間隔中各電壓等級的IED配置GOOSE網(wǎng)絡(luò)、劃分VLAN。220 kV智能變電站中以1#主干交換機為 中心的GOOSE網(wǎng)絡(luò)的VLAN劃分為例，其分配方案如表2所示。

3.2 GOOSE網(wǎng)與SV網(wǎng)的聯(lián)合傳輸機制

采用GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)共口傳輸后采用的Tag VLAN劃分之后，需考慮三種邏輯需求：

（1） 裝置不能同時發(fā)送兩種不同的報文，GOOSE報文在傳輸時存在一定的延遲；

（2） 交換機端口在傳輸報文時可能令另一種報文產(chǎn)生延遲；

（3） 在劃分不同VLAN時，其報文的優(yōu)先級不同。

為了分析整個過程中報文時延的“離散程度”，以此來制定報文優(yōu)先級規(guī)則，用報文時延的均方差表示時延抖動，定義如下：

在220 kV級變電站中處于保護信號的緊急度將報文優(yōu)先級分別設(shè)置為一般GOOSE報文、聯(lián)鎖GOOSE報文、跳閘GOOSE報文、SV報文依次優(yōu)先。為了保證跳閘報文傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性，GOOSE報文的發(fā)送頻率采用0/1/2/4 ms的間隔連續(xù)發(fā)送。設(shè)置報文優(yōu)先級如表3所示。

然而在合并單元與智能終端中的共口傳輸就是將GOOSE報文和SV報文打包傳輸?，F(xiàn)在的智能設(shè)備已經(jīng)完全能滿足GOOSE報文與SV報文的實時性傳輸所需的流量帶寬，但由于SV報文的等間隔傳輸，所以為保證其實時性也要設(shè)置報文優(yōu)先級，由此會造成GOOSE報文大約[20 μs]的延遲，可以忽略不計。由于SV網(wǎng)流量較大，不適合與GOOSE網(wǎng)劃分到一個VLAN中。在SV網(wǎng)采樣值傳輸中嚴格采用IEC 61850?02協(xié)議通信標準，主保護間信息傳輸較簡單可采用直采直跳，而考慮到110 kV側(cè)信息量大的因素采用現(xiàn)在發(fā)展勢頭較好的網(wǎng)采網(wǎng)跳方式。

4 結(jié) 語

本文主要以220 kV智能變電站為例分析了其間隔層與過程層間三網(wǎng)合一組網(wǎng)的可行性配置與主要特點，對原有的智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化，提出采用基于VID的Tag VLAN技術(shù)來劃分不同的VLAN，基于該方法的劃分可使虛擬局域網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)報文流量流向清晰、穩(wěn)定。結(jié)合220 kV智能變電站實例以變電站部分網(wǎng)絡(luò)為例對端口進行設(shè)置、劃分MAC地址，給出了過程層交換機的VLAN網(wǎng)絡(luò)報文過濾和GOOSE+SV組網(wǎng)VLAN劃分的網(wǎng)絡(luò)配置。全站采用IEC 61850協(xié)議通信標準、網(wǎng)絡(luò)采用VLAN劃分從而提高了變電站內(nèi)部通信的可靠性、控制網(wǎng)絡(luò)流量。

參考文獻

[1] LI F， XIE J， LAN J B， et al. Prospect and discussion of relay system configuration for intelligent substation [J]. Electric power automation equipment， 2012， 32（2）： 122?126.

[2] HUANG Y Z. Smart substation is the further objective of SAS [J]. Power system protection and control， 2013， 41（2）： 45?48.

[3] 張瑋，李玉平，康豐，等.面向智能變電站的環(huán)網(wǎng)分布式弧光保護系統(tǒng)[J].華電技術(shù)，2016，38（5）：11?14.

[4] 劉瑋，王海柱，張延旭.智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)報文特性分析與通信配置研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2014，42（6）：110?115.

[5] 何清素，曾令康，歐清海，等.配電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)斷面流量分析方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2014（23）：91?95.

[6] 蔡驥然，鄭永康，周振宇，等.智能變電站二次設(shè)備狀態(tài)檢測研究綜述[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2016，44（6）：148?153.

[7] 張憲軍，劉穎，余華武.智能變電站MMS，GOOSE，SV三網(wǎng)合一通信過載隔離抑制策略[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（22）：120?126.

[8] 黃智宇，段雄英，鄒圓，等.基于VLAN技術(shù)的電子式互感器數(shù)字接口[J].電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（3）：36?40.

[9] 韓笑，朱武增.TD?LTE網(wǎng)絡(luò)IP地址與VLAN ID規(guī)劃方法的研究[J].移動通信，2014（6）：39?43.

[10] ZHAN Rongrong， LI Yanjun， ZHANG Xiaoli， et al. Research on testing technology of relay protection for intelligent substations [J]. Electricity， 2014， 29（5）： 38?43.endprint