智能变电站GOOSE网配置方案研究

黄少雄，张沛超

(上海交通大学，上海 200240)

IEC61850系列标准的颁布与推广应用为智能变电站的发展奠定了基础。标准中首次引入了过程层通信的概念，从而对数字化变电站的研究进展形成很大推动[1]。数字化变电系统结构一般分为变电站层、间隔层和过程层。其中变电站层与间隔层之间采用以制造报文规范 (MMS)为核心的客户/服务器 (C/S)通信，间隔层之间以及间隔层与过程层之间采用面向通用对象的变电站事件(GOOSE)报文通信。与传统综合自动化变电站相比，智能变电站的主要特点是间隔层之间及间隔层与过程层之间采用GOOSE网进行通信，实现信息的交互，以GOOSE网络通信代替了传统的电缆连接。

1 智能变电站GOOSE网功能

1.1 GOOSE简介

GOOSE服务是以高速P2P(peer－to－peer)通信为基础，代替了传统的智能电子设备 (IED)之间的硬电缆接线通信方式，为逻辑节点间的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE实现了真正的P2P通信，任一个IED与其它IED通过以太网相连，即可作为订阅端接收数据，也可作为发布端为其它IED提供数据。P2P体系结构消除了主/从方式和非网络化的串行连接方案存在的缺陷，网络化降低了设备的维护成本[2]。

1.2 GOOSE 网功能

在智能变电建设中，GOOSE网作为间隔层之间及间隔层与过程层之间通信桥梁，其主要功能包括:传递遥信信息、间隔闭锁信息、保护跳闸及遥控操作信息。因此要求GOOSE网络报文传输具有相当的实时性和可靠性。IEC61850定义了非常严格的时间指标来保证其性能，同时GOOSE消息还包含了数据有效性检查和消息的丢失、检查、重发，以确保接收IED消息并执行预期的操作。

2 智能变电站GOOSE网络拓扑结构

在进行智能变电站GOOSE网络拓扑结构设计时应统筹考虑实时性、可靠性、安全性和经济性，针对不同电压等级和不同规模的变电站可采用不同的GOOSE网络拓扑结构。

2.1 GOOSE网基本结构

GOOSE网基本结构主要有总线型、星型、环型3种。

a. 总线型结构

总线型结构为多台交换机简单串接，接线方式比较简单，可靠性差。总线中任意1台交换机出现故障就会导致两边通信中断。一般不采用此类型拓扑结构。

b. 星型结构

星型结构中任意两点间通信距离最短，信息传递的实时性好。但根交换机故障将会导致所有子交换机之间通信中断。在采用星型结构时，根交换机宜采用双重化配置，提高网络可靠性。

c. 环型结构

环型结构具有一定的冗余能力，在正常工作情况下有一个逻辑断点，当其它链路中断时该逻辑断点将自动愈合。因此在整个环中任何1台交换机出现故障，均不会影响其它交换机之间的通信。但存在发生环网风暴的危险。

2.2 GOOSE网配置方案

智能变电站GOOSE网络配置方案应根据变电站的一次接线方式及保护、自动化设备配置的具体情况确定。目前国内变电站一次接线方式及保护、自动化设备配置上基本遵循以下原则:500 kV采用3/2接线方式、双重化保护配置;220 kV采用双母线接线方式、双重化保护配置;110 kV及以下采用单套保护测控一体化配置。因此GOOSE网络配置方案可依据上述3种情况进行设计。

a. 500 kV GOOSE网配置方案

国内500 kV一次接线大多采用3/2接线方式。GOOSE网中的数据流向主要包括:各断路器保护与相应的智能终端之间的数据交互;中断路器保护与该串两侧边断路器保护及智能终端间的数据交互;母差保护与该母线侧的所有边断路器保护及智能终端进行数据交互。根据装置之间数据交换业务的需求，可将母差保护接入GOOSE网交换机作为根交换机，各边断路器保护装置接入GOOSE网交换机作为子交换机。其构成如图1所示。中断路器保护可不设置单独的GOOSE网交换机，直接跨接在两侧边断路器保护GOOSE网交换机上。

该方案优点:各保护装置之间的数据交互最多经过2个交换机完成，实现全网信息交互时间最短，提高信息传输的实时性;中断路器保护直接跨接在两侧边断路器保护GOOSE网交换机上，大大提高了数据传输的实时性，简化了GOOSE网整体结构，缩减了GOOSE网交换机数量，减少工程投资。

b. 220 kV GOOSE网配置方案

国内220 kV一次接线一般采用双母线接线方式。在该接线方式下每条线路对应一个开关，各间隔相对独立，各间隔保护装置只和本间隔智能终端存在数据交互，只有母差保护需要与各间隔保护及智能终端进行数据交互。可将每套母差保护接入GOOSE网交换机作为根交换机，对应的保护装置和智能终端接入交换机作为子交换机，构成如图2所示。测控装置需提供2个网口分别接入2套GOOSE网中。

该方案优点:采用星型网络拓扑结构，各保护、测控、智能终端之间的数据交互最多经过2个交换机完成，实现全网信息交互时间最短，提高信息传输的实时性;整个GOOSE双星型网络为2套相互独立的单网构成，大大提高了网络的可靠性，与保护双重化要求相适应。

c. 110 kV及以下GOOSE网配置方案

国内110 kV及以下电压等级均配置单套保护。GOOSE网可采用环形网络配置 (如图3所示)。母差保护可接入环网中任意1台GOOSE交换机上，实现与各间隔保护装置及智能终端间的信息交互。由于环形网络具有一定的冗余能力，无需为网络的冗余能力而建立2套GOOSE网络，大大减少投资成本。

3 智能变电站GOOSE网络VLAN配置

图1 500 kV GOOSE网配置方案 (双星型网络拓扑结构)

在智能变电站GOOSE网建设过程中VLAN的划分具有十分重要的意义。通过VLAN可实现网络的动态管理，增加安全性，限制广播包。其中限制广播包对保护GOOSE网信息的实时传输具有十分重要的作用。按照IEC802.1D算法，如果一个包找不到路由会被交换机发送到所有其它端口，极大地浪费网络带宽。但在配置VLAN后，当一个包找不到路由时交换机将该包发送到所有属于该VLAN的端口，这就节省了带宽，提高了GOOSE网信息传输的实时性。

目前在GOOSE层进行VLAN划分的方法主要是通过MAC地址进行划分。VLAN划分的根本原则是系统的应用功能。根据功能应用进行VLAN规划配置时必须依据以下信息:系统基于GOOSE建立了哪些应用;这些应用需要交换哪些数据;数据交换涉及到哪些IED;数据的通信量有多大。以220 kV双母线接线为例，各间隔之间无联系，母线与所有间隔有联系，可按间隔划分VLAN;在500 kV 2/3接线方式下同一串中各间隔之间有联系，可按串进行VLAN划分。

4 结束语

GOOSE网络是智能变电站的核心部分，应根据变电站的实际情况综合考虑 (包括电压等级、一次接线方式、二次设备配置等)对GOOSE网络进行合理配置，以达到实时、可靠、安全、经济的目的。本文结合实际讨论了不同环境下GOOSE网络的配置方案，希望能够为工程应用提供参考。

[1]C.Brunner.IEC 61850 Process connection-a smart solution to connect the primary equipemnt to the substation automation system [C].PSCC 2005(15th Power System Computation Conference)，Liege/Belgium，22.08－26.08.2005.

[2]RECHERD D，VICO J.Application of peer-to-peer communication，for protection and control，at Seward distribution and substation//Proceedings of 2005 58th Annual Conference on Protective Relay Engineers，Apr 5 －7，2005，College Station，TX，USA.Piscataway，NJ，USA:IEEE Computer Society，2005:40－45.

[3]范建中，马千里.GOOSE通信与应用 [J].电力系统自动化，2007，31(19):85－89.

[4]徐成斌，孙一民.数字化变电站过程层GOOSE通信方案[J].电力系统自动化，2007，31(19):91－94.

[5]IEC 61850 －5 Communication networks and systems in substation.2003.

[6]王 松，黄晓明.GOOSE报文过滤方法研究 [J].电力系统自动化，2008，32(19):54－57.