采用SV和GOOSE共口传输的过程层组网方案

采用SV和GOOSE共口传输的过程层组网方案黄忠胜;刘娟【摘要】为了解决智能变电站过程层组网中采用SV和GOOSE共口传输方式所面临的报文过滤问题,简述了智能变电站过程层网络组网方案,通过分析智能电子设备IED之间的报文流量特征和通信需求，探讨了限制SV和GOOSE两种多播报文的配置方案,从工程应用的角度提出了一种基于VLAN技术的组网方案:根据IEEE802.1Q标签区分SV和GOOSE报文，对两种报文采取不同的VLAN划分原则•搭建试验平台对该方案进行了测试和分析，结果表明:该方案具有减少终端IED接收网络压力、工程实施简单、数据流向清晰的优点.该方案对新一代智能变电站过程层组网具有参考意义.期刊名称】《电力系统及其自动化学报》年(卷),期】2019(031)003【总页数】5页(P102-106)【关键词】SV;GOOSE；组网方案;共口传输;工程应用；VLAN;新一代智能变电站【作者】黄忠胜;刘娟【作者单位】国网四川省电力公司技能培训中心,成都610072;国网成都供电公司城东客户服务分中心,成都610081【正文语种】中文中图分类】TM764新一代智能变电站提出了“功能集约、信息集成、设备智能、设计优化”的建设原则，将现有成熟应用的功能、设备进行深度集成，可以让智能变电站的前期施工建设和后续的运行维护更加高效和方便。在此发展需求下已经有SV(sampledvalue)和GOOSE(genericobjectorientedsubstationevent)共端口传输的方案研究［1］，合并单元智能终端集成装置的开发［2-3］。SV和GOOSE共口传输应用于保护直采直跳，能够减少直采直跳的光纤链路和光口使用数量，对简化智能变电站通信系统结构是非常有益的，但目前少有文献分析支持SV和GOOSE共口传输的智能电子设备IED(intelligentelectronicdevice)接入过程层网络后，对过程层网络组网方案的影响。本文针对新一代智能变电站建设中大量集成装置接入过程层网络的情况，从工程应用的角度分析和探讨过程层网络的传输方案。1目前过程层通信方案目前，按照国家电网公司关于智能变电站的技术规范［4］，大部分智能变电站过程层设备与间隔层的通信采用的是点对点和组网相结合的方式，即保护装置的采样和跳闸都经光纤直连，采用直采直跳方式，其余信息交互都经过程层网络传输。过程层网络主要承载的是SV和GOOSE两种多播报文，其常见组网方式有以下两种。SV和GOOSE分别组网方式SV报文按4000帧/s的速率等间隔发送，通信流量稳定且较大，GOOSE报文一般5s发送一帧，有开关量变位就变时间间隔重复发送，通信流量呈突发性且较小［5］。因此前期大多数智能变电站建设是将SV和GOOSE连接在不同的交换机上，SV网和GOOSE网物理上相互独立，互不干扰。但会带来SV交换机通信负载过高，而GOOSE交换机浪费带宽的现象。SV和GOOSE并网方式SV和GOOSE都接入同一个物理交换机［6-7］，如图1所示。合并单元通过交换机发送SV报文到测控装置；所有装置都通过GOOSE光纤接入交换机，完成GOOSE信息的交互。母线保护、网络分析仪、录波装置等跨间隔设备从交换机的级联口获取信息。该方式可以实现按间隔组网，网络结构清晰。图1SV和GOOSE简单并网方式Fig.1Simplegrid-connectedmeansofSVandGOOSE2SV和GOOSE共口传输组网方案随着保护测控装置硬件集成化和处理能力的不断提高，在保障电网安全可靠运行的前提下，将SV和GOOSE共口传输，比如110kV的合并单元智能终端集成装置采用SV和GOOSE共口传输取得了良好的效果，减少了设备光口使用数量，节约成本，简化光纤回路设计［8］。SV和GOOSE共口传输方式也可以推广到220kV及以上电压等级，一些厂家仅通过改变光口的配置即可实现SV和GOOSE报文的共口传输，故合并单元和测控装置可以简化为一条光纤回路连接到交换机，如图2所示。但是在支持SV和GOOSE共口传输的IED接入过程层网络时，需要解决过程层网络的配置问题。图2SV和GOOSE共口传输并网方式Fig.2Grid-connectedmeansofSVandGOOSEcommonporttransmission过程层网络配置方案探讨SV和GOOSE与共端口传入交换机后，交换机如何将SV、GOOSE“剥离”后再转发至其他IED，针对共口传输考虑以下两种方式。MAC(mediaaccesscontrol)地址静态组播过滤。按照标准［9］建议，一个变电站内SV报文的目的MAC地址取值范围是01-0C-CD-04-00-00至01-0CCD-04-01-FF,GOOSE报文的目的MAC地址取值范围是01-0C-CD-01-00-00至01-0C-CD-01-01-FF。MAC地址静态组播过滤方式需要收集所有目的MAC地址，并逐个配置到交换机静态多播地址表中，虽然一个合并单元的SV发送数据集只有一个，但GOOSE发送数据集不止一个，因此交换机配置工作量就十分巨大，所以不建议采用MAC地址静态组播的方式隔离SV与GOOSE。(2)基于VLAN(virtuallocalareanetwork)标签的报文过滤。合并单元发送的SV与GOOSE都携带VLAN标签，交换机即使同一端口接收到SV与GOOSE，会依据报文标签中的VLANID将SV与GOOSE在不同VLAN组转发，共口发出的SV和GOOSE从源头就可以区分开来。因此IED发送报文时携带VLAN标签和交换机VLAN划分相结合的方式较适合“剥离”SV和GOOSE。VLAN技术应用VLAN技术是基于IEEE802.1Q的协议标准，它实现了在两层式交换机中对广播进行划分［10］。通过VLAN技术来控制广播域，减少不必要的网络负荷，可以提高网络的实时性和安全性。为了保证不同厂家生产的终端设备能够顺利互通，IEEE802.1Q标准规定了统一的VLAN帧格式，在标准的以太网帧中增加了4个字节的VLAN标签，数据位于以太网帧中“源MAC地址”与“类别”之间，如图3所示。图3VLAN帧格式示意Fig.3SchematicofVLANframeformat图3中VLANID是对VLAN的识别字段，共为12位。支持4096(212)VLAN的识别。在4096个VID中，VID二0用于识别帧优先级，4095(FFF)作为预留值，所以VLAN配置的最大可能值为4094。从VLAN标签报文进/出交换机两种情况介绍报文在交换机的转发机制，处理方法如表1所示。表1VLAN标签报文处理方法Tab.1ProcessingmethodofVLANtaggedmessagefilteringVLAN标签报文进交换机报文VID与端口VLAN的VLANID相同，则原样接收，否则丢弃VLAN标签报文出交换机报文VID与端口VLAN的VLANID相同，则原样转发，否则丢弃由表1可以看出，在报文入方向，交换机的根本任务就是决定该报文是否允许进入该端口；在报文出方向，交换机其根本任务就是只在同一个VALN组转发报文，这非常符合智能变电站很多信号一发多收的特点。交换机的一个物理端口可以属于多个Tagged属性的VLAN，因此只要VLANID匹配，一个物理端口可以让不同VLANID的报文通过，并且VLAN可以跨交换机使用。交换机实际是维护一张VLANID与端口的映射表。如何合理划分VLAN，是过程层网络组网的关键环节。SV划分原则按照标准Q/GDW1396—2012[11]附录A的SV帧格式估算流量：26byte以太网报文头+8byteHeader+(40+21x8)APDU(21个通道采样值)+4byteCRC=246byte，发送频率4000帧/s，所以需要带宽246x4000x8bit/1024/1024=7.5Mbit/s。对于百兆交换机而言，长期稳定运行应考虑一定的通信裕度，如果不对交换机进行配置，将会导致交换机每个端口的稳定流量较大，负载较高，影响网络正常运行的稳定性。每个间隔的SV只转发给线路测控、网络分析仪与录波装置，呈现合并单元单向发送、接收装置固定且数量少的特点，因此有必要对SV进行细致的VLAN划分，如图4所示。线路间隔的合并单元与接收的IED划分为一个VLAN。图4SV通信示意Fig.4SchematicofSVcommunicationGOOSE划分原则按照标准Q/GDW1396—2012[11]附录A的GOOSE帧格式估算流量：26byte以太网报文头+8byteHeader+(109+30x3)APDU(30个状态信号)+4byteCRC=237byte，发送频率5帧/s，有状态变位是变时间间隔发送5帧，然后恢复发送正常的5帧/s频率。假设极端情况1s内有2次变位，需要带宽237x8bitx5x4/1024/1024=0.036Mbit/s。对百兆交换机而言GOOSE报文属于轻载。以某站220kV线路完整的保护间隔为例，包括合并单元、智能终端、线路测控、线路保护和母线保护，在保护要求“直跳”的约束下，图5只展示了各IED之间经过程层交换机完成的GOOSE交互关系（不含GOOSE直跳），GOOSE连线上的数字代表发送GOOSE数据集数量，如线路智能终端发到线路测控的GOOSE数据集为4个。如果为每个GOOSE数据集都分配一个VLAN，相当于可以实现发送端到接收端的准确转发，其他无关联IED不会从过程层交换机收到该GOOSE报文，但这样会使得仅仅一个电气间隔的VLAN就多达9个，一个中等规模的220kV变电站GOOSE发送数据集就会多达百余个，导致全站VLAN配置工作量十分庞大繁琐，也增加了过程层网络日后运行维护的难度。图5GOOSE通信示意Fig.5SchematicofGOOSEcommunication另一种方案是将图5所示的所有GOOSE数据集划分为一个VLAN，由前面GOOSE流量估算得知，一个间隔的GOOSE流量即使极端情况下叠加在一起，对于百兆交换机而言所占带宽也不足1Mbit/s。GOOSE采用的发布/订阅机制确保了IED接收GOOSE报文时会校验目的MAC地址、APPID等SCD配置信息，非订阅的GOOSE报文被IED丢弃不处理。如此划分可以在VLAN配置复杂程度和IED通信处理负担之间适度平衡，适当简化了GOOSE组网配置。3验证SV和GOOSE共口传输组网方案组网方案实施步骤根据前面组网方案的分析，工程应用中应遵循以下几个步骤。（1）确定全站网络结构：同一电压等级的IED按间隔接入交换机，间隔较多的设置中心交换机，并充分考虑备用光口和远期扩建的情况。（2）制定VLAN配置表：SV报文按装置划分，包括合并单元、线路测控、网络分析仪和录波装置，每个合并单元分配一个VLANID。GOOSE报文按间隔配置为一个VLAN，根据数据流向，将母线保护、网络分析仪和录波装置作为跨间隔接收设备分别纳入SV所属VLAN和GOOSE所属VLAN。（3）完成源端IED的VLAN配置：在SCD文件通讯子网（communication）参数配置中按照VLAN配置表，逐一输入SV和GOOSE发送数据集的VLANID参数，以便IED发送报文时打上VLANID标签。（4）完成交换机的VLAN配置：在过程层交换机上按照VLAN配置表完成VLAN组的设置。搭建试验平台验证本文搭建了试验平台对SV和GOOSE共口传输组网方案进行验证，试验设备包括2台东土SICOM3024PT百兆工业光交换机，1台模拟分支交换机，1台模拟中心交换机，1台凯默SNT3000网络测试仪。表2给出了线路1间隔SV和GOOSE报文的VLAN配置，线路2与此类似。将某实际工程SCD文件的两条线路间隔按照表2配置SV和GOOSE发送数据集的VLANID，并同样在两台交换机上完成表2的配置。表2220kV线路1间隔IEDVLAN配置Tab.2IntervalIEDVLANsettingsofline1with220kVVLANNameVLANID交换机端口接入IED220Y1SV0x211分支1中心220Y1GOOSE分支10x210中心2,3，G1G1,3,51,2,3,4，G1G1,1,3,5线路1合并单元A，线路1测控，A网中心交换机分支1交换机，录波装置，网络分析仪线路1保护，线路1合并单元A，线路1测控，线路1智能终端A，A网中心交换机分支1交换机，母线保护A，录波装置，网络分析仪网络测试仪按照图6和图7所示接入分支1交换机和中心交换机，将某实际工程SCD文件导入网络测试仪，按照图6的1~8端口配置各IED的发送数据集，采用“时间机制流”发送机制，确保分支交换机网络负载与真实情况一致，并同时监视交换端口流量。分支交换机和中心交换机通过千兆端口级联。图6分支1交换机端口连接Fig.6Portconnectionsofexchangeronbranch1图7中心交换机端口连接Fig.7Portconnectionsofcenterexchanger在SVGOOSE共口传输的方式下，试验对未隔离SVGOOSE和按表2隔离SVGOOSE两种情况进行了对比测试，表3是网络测试仪在模拟SV和GOOSE报文正常发送的同时，监视到的分支1交换机1~8端口发送流量，实质是各终端IED接收报文流量。在未隔离SVGOOSE时，所有进入交换机的报文在其余端口广播，形成流量叠加的现象，明显增加了终端IED的接收网络压力。按表2的方式设置VLAN后，流量较大的SV报文被准确转发到测控装置，GOOSE报文也限制在本线路间隔内，线路1和线路2两个间隔的GOOSE报文被完全隔离。表3分支1交换机1~8端口发送流量对比Tab.3Comparisonofdataflowsentbyports1—8ofexchangeronbranch1端口类型SVGOOSE端口流量/(Mbit・s-1)最小值最大值GOOSE端口流量/(Mbit・s-1)最小值最大值未隔离SV和GOOSE表2隔离SV和GOOSE8.670.0317.348.8317.340.00817.340.03试验结果表明在SV和GOOSE共口传输的情况下，采用IED发送报文时携带VLAN标签和交换机VLAN划分相结合的方式，对SV和GOOSE采用不同的VLAN划分策略，能够有效隔离报文，减轻IED通信处理负担，报文流向清晰，工程实施易于实现。4结语针对新一代智能变电站建设中SV和GOOSE共口传输的IED接入过程层网络的情况，通过分析SV和GOOSE报文的流量特性和交互需求，指出携带IEEE802.1Q标签是隔离SV和GOOSE报文较好的方式，并提出了SV按装置细致划分和GOOSE按间隔划分的VLAN方案，该方案较好地平衡了VLAN划分工程实施复杂程度和报文隔离效果之间的矛盾。如果不能有效地过滤SV和GOOSE多播报文，不仅增加过程层交换机的通信负载，而且会增加终端IED的通信处理负担，网络压力过大的情况下可能导致部分厂家出现IED死机的现象。本文针对SV和GOOSE报文共口传输方式提出的组网方案，易于工程实施，优化网络配置，对新一代智能变电站过程层组网和规划有一定的借鉴意义。【相关文献】⑴李宝伟，文明浩，李宝潭，等(LiBaowei，WenMinghao，LiBaotan，etal).新一代智能变电站SV直采和GOOSE共口传输方案研究(ResearchoftheschemeforSVdi-rectsamplingandGOOSEtransmitinthesameportinnewgenerationsmartsubstation)[J].电力系统保护与控制(PowerSystemProtectionandControl),2014,42(1):96-101.闫志辉，周水斌，郑拓夫(YanZhihui,ZhouShuibin,ZhengTuofu).新一代智能站合并单元智能终端集成装置研究(Studyofdevicewithmergingunitandintelligentterminalfornewintelligentsubstation)[J].电力系统保护与控制(PowerSystemProtectionandControl)，2014，42(14):117-121.倪益民，杨松，樊陈，等(NiYimin,YangSong,FanChen,etal).智能变电站合并单元智能终端集成技术探讨(Discussiononintegrationtechnologyofmergingunitandintelligentterminalinsmartsubstation)[J].电力系统自动化(AutomationofElectricPowerSystems)，2014，38(12):95-99，130.Q/GDW441—2010智能变电站继电保护技术规范[S].侯炜，刘永生，张灵凌，等(HouWei，LiuYongsheng，ZhangLingling，etal).IEC61850过程层技术在火电厂厂用电系统中的应用方案(ApplicationschemeofIEC61850processlayertechnologyinauxiliarypowersystemofthermalpowerplant)[J].电力系统及其自动化学报(ProceedingsoftheCSU-EPSA),2018,30(1):139-143.⑹王文龙，刘明慧(WangWenlong,LiuMinghui).智能变电站中SMV网和GOOSE网共网可能性探讨