Ｖｏ１．３２ ＮＯ．３ 河北电力技术 第３２卷第３期 Ｊｕｎ．２０１３ ＨＥＢＥＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｐ０ＷＥＲ ２０１３年６月 数字化变电站ＧＯＯＳＥ网络设计研究 Ｄｅｓｉｇｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ＧＯＯＳＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ 张志鹏 ，邵 华 ，汤汉松。 （１．河北省电力勘测设计研究院，石家庄０５００３１；２．河北省电力公司电力经济技术研究院，石家庄０５００２７； ３．江苏凌创电气自动化股份有限公司，江苏 镇江 ２１２００３） 摘要：介绍Ｇ００ＳＥ通信机制，从物理层与数据链路层、网络 者）发送数据的最佳解决方案¨２］。 结构、交换机配置方案三方面阐述数字化变电站Ｇ００ＳＥ网 为满足跳闸等快速报文的实时性和可靠性的要 络结构的设计，比较分析星型结构下的２种Ｇ００ＳＥ网络结 求，ＧＯＯＳＥ采用了如下通信机制。 构冗余方式，提出提高数字化变电站ＧＯＯＳＥ网络可靠性的 措施及各电压等级变电站Ｇ００ＳＥ网络推荐方案。 １．１ 采用特定的协议栈保证实时性 关键词：数字化变电站；ＧＯＯＳＥ通信机制；星型结构；冗余 图１为发送ＧＯＯＳＥ服务的通信协议栈，从图 方式 １中可以看出，ＧｏｏＳＥ报文经表示层编码后，不经 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｇ００ＳＥ ｔｒａｎｓｍｉｓ— ＴＣＰ／ＩＰ协议，直接映射到数据链路层，避免了通信 ｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ。ｅｘｐｏｕｎｄｓ Ｇ００ＳＥ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅ— 堆栈造成的传输延时，提高了报文传输的速度。 ｓｉｇｎ，ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｄａｔａ ｌｉｎｋ ｌａｙｅｒ， 另外，在数据链路层增加了符合ＩＥＣ ８０２．１Ｑ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｗｉｔｃｈ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｃｏｍｐａｒｅｓ 的优先级标记，可保证快速报文的优先处理，进一步 ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｗｏ ＧＯＯＳＥ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ 保证了跳闸类报文（类型１Ａ）传输的实时性。 ｍｏｄｅｓ，ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ＧＯＯＳＥ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｕｇｇｅｓｔ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｆｏｒ ｅｎｅｒｇｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｅｖｅｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ Ｇ００ＳＥ Ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ；ＧＯＯＳＥ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｅｃｈａ— ｎｉｓｍ；ｓｔａｒ ｓｃｈｅｍｅ；ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ｍｏｄｅ 中图分类号：ＴＭ６３ 文献标志码：Ｂ 图１ ＧＯＯＳＥ报文协议栈 文章编号：ｌ００１—９８９８（２０１３）０３—００００一ＯＯ １．２ 采用ＡＳＮ．１／ＢＥＲ和重发机制保证报 文传送的可靠性 ＩＥＣ ６１８５０标准中定义了通用面向对象的变电 报文传输的可靠性应理解为不错收报文，不丢 站事件ＧＯＯＳＥ模型，该模型提供了在全系统范围 失报文。ＧＯＯＳＥ报文在表示层采用ＡＳＮ．１的基 内快速和可靠的传输输入、输出数据值的功能Ｌ１］。 本编码规则ＢＥＲ进行编码，这种编码可以使数据的 ＧＯＯＳＥ报文通信代替了设备之间复杂的电气 含义不存在任何可能的二义性，避免了错收报文的 硬接线，ＧＯＯＳＥ网络代替了变电站控制信号电气回 可能性。 路。因此，ＧＯＯＳＥ网络的设计成为保证变电站可靠 ＩＥＣ ６１８５０～７—２规定的发送Ｇ（）ＯＳＥ报文服务 运行的关键所在。下面对ＧＯＯＳＥ通信机制、ＧＯＯＳＥ 允许客户以主动和不确认方式发送变化信息，发布 网络结构和交换机配置方案等进行深入分析。 者和订阅者之间的通信是一种无连接的服务，这种 １ ＧＯＯＳＥ通信机制 服务的优点是灵活方便和比较迅速，但不能防止报 文的丢失。为避免丢失报文，ＩＥＣ ６１８５０—８－１规定了 ＧＯＯＳＥ的报文传输抽象模型采用发布者／订 一种特殊的报文重发机制来提高可靠性。 阅者结构，基于事件驱动。与点对点通信和客户／服 发生事件时，发布者将连续以最短的时间间隔 务器通信结构相比较，发布者／订阅者通信结构是一 发送几帧ＧＯＯＳＥ报文，一般为２ ｍｓ；状态稳定时， 个或多个数据源（即发布者）向多个接受者（即订阅 发布者仍然重发ＧＯＯＳＥ报文，重发间隔逐渐又变 收稿日期：２０１２一Ｏ４—１２ 作者简介：张志鹏（１９７７一），男，高级工程师，主要从事电力系统继电保护、自动化９．－－次方面的设计研究工作。 ・ ２６ ・ Ｖｏ１．３２ ＮＯ．３ 河北电力技术 ＨＥＢＥＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 第３２卷第３期 ２０１３年６月 Ｊｕｎ．２０１３ 为固定长时间间隔，一般为５ ｓ，该报文又被称为心 ＩＥＤ，不影响间隔ＩＥＤ；传输速度快，从任一设备到 跳报文。 至故障录波器 至其他公用设备 蚕丁萌瓣 —蚕 甄 公用 至串Ｎ交换机 Ｉ母边断路器保护 中断路器保护 Ｉｌ母边断路器保护 Ｉ母边断路器测控 中断路器测控 Ｉ母边断路器测控 Ｉ母线路保护 Ⅱ母线路保护 Ｉ母线路测控 Ⅱ母线路测控 Ｉ母边断路器 中边断路器 ＩＩ母边断路器 智能终端 智能终端 智能终端 图２ ＧＯＯＳＥ报文过程 １．３ 通信中断检测 Ｇ（）０ＳＥ报文中携带报文存活时间（Ｔｉｍｅ Ａ１一 ｌｏｗｅｄ Ｔｏ Ｌｉｖｅ）的参数，该参数告知接收方等待下 一个重发的ＧＯＯＳＥ报文的最长时间，如果在该时 间内，订阅方没有收到重发的报文，即可认为发生了 通信中断。 ２ ＧＯＯＳＥ网络结构 ２．１ 物理层／数据链路层 目前主流的通信技术为交换式以太网技术，已 在变电站自动化系统站控层网络中应用。 由于以太网具有载波侦听多路访问（ＣＳＭＡ／ ＣＤ）的本质，其对实时信息传输造成延迟的随机性 无法预测，能否满足实时性的需要存在争议。美国 电力研究院（ＥＰＲＩ）对此进行了研究，结果表明交换 式以太网能满足变电站自动化系统网络通信实时性 的要求，并优于同带宽的令牌传递网络［３］。 因此ＧＯＯＳＥ网络物理层／数据链路层应选择 交换式以太网。考虑到过程层设备一般安装在户外 配电装置附近，电磁环境恶劣，为提高抗干扰性， ＧＯＯＳＥ网络应采用光纤以太网。 ２．２ 网络结构 以太网基本结构有链型结构、星型结构、环型结 构。星型拓扑结构中有公共交换机和间隔交换机， 各间隔交换机与公共交换机直接相联。 该种结构网络简单，易于布线；扩展容易；便于 维护，任何一台间隔交换机故障，都可以方便隔离， 不影响其它间隔；公用交换机故障，仅影响公用 另一设备至多经过３台交换机；报文延时固定；从结 构上没有广播风暴的风险。但公共交换机负担较 大，检修时将影响公用ＩＥＤ；交换机数量较多，成本 相对较高。星型结构在运检、实时性及可靠性等多 方面优势明显，因此应采用星型结构构建ＧＯＯＳＥ 网络。 ２．３ 交换机配置方案 在星型结构中，交换机配置方案分为按间隔配 置交换机和多间隔共享交换机２种方案。交换机配 置方案与电气主接线型式和间隔类型紧密相关。 ２．３．１一个半断路器接线 对于一个半断路器接线，串内各间隔二次设备 之间联系较多，按间隔布置交换机后，投资增加，且 各交换机之间需要级联，无相对性，宜按串配置 交换机。串内保护及测控装置均接在同一交换机 上，有利于信息的快速交换。图２为线线串 ＧＯＯＳＥ网络图，线变串与其类似。 至故障录波器 至其他公用设备 重Ｔ每 —蚕百每瓣 公用 诼酾研 ———］至串Ｎ交换机 Ｉ母边断路器保护 中断路器保护 母边断路器保护 Ｉ母边断路器测控 中断路器测控 Ｉｌ母边断路器测控 Ｉ母线路保护 Ⅱ母线路保护 Ｉ母线路测控 Ⅱ母线路测控 Ｉ母边断路器 中边断路器 １ｌ母边断路器 智能终端 智能终端 智能终端 图２ ３／２断路器接线ＧＯＯＳＥ网络示意 ２．３．２ ｌ１０ ｋＶ及以上单断路器接线 对于单断路器接线方式，各间隔二次设备相对 ，只与公用设备有关系，按间隔布置交换机技术 优势明显。 ａ．按照间隔配置时，交换机可安装在各间隔的 保护屏上，与保护、测控的联系只是屏内光纤跳线， 便于安装、运行和检修，可靠性高。 ｂ．多个间隔共享交换机时，交换机与各间隔的 保护、测控装置联系需经室内电缆沟拉光缆或尾缆 实现，安装较麻烦；同时各间隔的界面不够清晰，增 加了运行和检修的难度。 Ｃ．目前ＧＯＯＳＥ交换机较多采用进口产品，投 资较大，按间隔配置交换机性价比较低。 随着数字化变电站及智能变电站的深入开展， ・ ２７ ・ Ｖｏ１．３２ ＮＯ．３ 河北电力技术 ＨＥＢＥＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ Ｐ０ＷＥＲ 第３２卷第３期 ２０１３年６月 Ｊｕｎ．２０１３ 满足需要的交换机型号必然增加，交换机价格必然 实际应用中，往往将智能终端与合并单元的功 能也集成到保护测控装置中，间隔内没有通信需求， 只需与间隔外的母线保护、低频低压减载及主变压 器过负荷联切等设备通信。 如果设置ＧＯＯＳＥ交换机进行通信，多间隔共 大幅下降。按间隔配置交换机的方案性价比必然超 过间隔共享交换机的方案。 ２．３．３主变压器间隔 主变压器间隔与三侧系统均有联系，ＧＯＯＳＥ 网络的设置有２种方案。 享是必然选择，为了运检方便及可靠性，推荐按母线 段配置交换机。 由于低频低压减载装置及主变压器过负荷联切 方案一：将主变压器视为一个大的间隔，配置１ 台交换机。主变压器保护及测控装置只需提供１个 ＧＯＯＳＥ接口，如图３所示。 至中压侧公用交换机 至低压侧公用交换机 至高压侧公用交换机 公用变压 主变压器 Ｅ变压器高压侧 主变压器 保护 智能终端 测控 压器中压侧 主变压器本体 主变压器低压 智能终端 智能终端 智能终端 图３方案一主变压器ＧＯＯＳＥ网络示意 方案二：将主变压器三侧视为３个间隔，按侧配 置交换机。主变压器保护及测控装置需提供３个 ＧＯＯＳＥ接口，如图４所示。 蚕酾 丽 Ｊ ｌ：： 鹫机Ｉ测 控 Ｉ丽孺 至低Ⅱ ，压测公、用∞交★ｌ换 机 Ｅ变压器高压侧 变压器中压侧 变压器低压侧 交换机 交换机 交换机 二二二［三 Ｅ变压器高压侧 变压器中压侧 变压器低压侧 智能终端 智能终端 智能终端 主变压器本体 智能终端 图４方案二主变压器ＧＯＯＳＥ网络不意 方案一交换机数量少，对保护及测控装置的要 求较低，投资较少。但采用此方案时，３个电压等级 ＧＯＯＳＥ网络通过主变压器交换机沟通，物理网络 无法，容易扩大故障范围。 方案二中３个电压等级ＧＯＯＳＥ网络从物理上 完全，可靠性高。但此方案交换机数量多，对保 护及测控装置的要求较高，投资较大。 ２个方案各有优缺点，建议对于重要的变电站 如５００ ｋＶ及以上变电站，采用方案二，强调高可靠 性；对于２２０ ｋＶ及以下变电站，采用方案一，强调 性价比，并通过ＶＬＡＮ隔离提高可靠性。 ２．３．４ ３５ ｋＶ及以下系统 ３５ ｋＶ及以下系统一般采用保护测控一体装 置，安装在开关柜上。 ・ ２８ ・ 装置对跳闸的实时性要求不高，如果３５ ｋＶ及以下 系统不需配置母线保护时，设置的ＧＯＯＳＥ网 络不仅增加投资，而且技术意义不大。建议采用基 于站控层网络传输的ＧＯＯＳＥ服务，ＭＭＳ和 ＧＯＯＳＥ信息共网传输。此方案使装置省去了单独 的ＧＯＯＳＥ接口和相关光缆的敷设，仅通过ＭＭＳ 接口与站控层网络相联，性价比很高。 ３ ＧＯＯＳＥ网络冗余方式 星型结构网络冗余方式主要有２种。 方式一：双网单ＧＯＯＳＥ接口。此方案为２套 的星型网络，对应于双重化的保护分别配置交 换机，保护装置只提供一个ＧＯＯＳＥ接口。如图５ 所示。 至母线保护１ 至其他公用设各至母线保护２至其他公用设各 Ｉ公用交换机ｌ Ｉ ｌ公用交换机２ １ ＮＮ交换机ｍＮ 萎霎 医 医函匝 匿函 图５ ＧＯＯＳＥ网络冗余方案 方式二：双网双ＧＯＯＳＥ接口。此方案中交换 机和保护装置均双套配置，与方案１相同，保护装置 提供双套ＧＯＯＳＥ接口，与２台交换机同时相联。 ２个方案设备数量相同，方案一在链路上没有 冗余，间隔交换机故障时对应的保护装置等需退出 运行，依赖装置的冗余保证可靠性；方案二在链路上 存在冗余，任意一台间隔交换机故障，对应的保护装 置等仍可继续运行，可靠性很高，但增加了装置和通 信的复杂程度。 按照继电保护标准化设计规范，双重化配置的 保护装置及其回路之间应完全，不应有直接的 电气联系，２套保护与２个跳闸绕组之间一一对 应［４］。在ＧＯＯＳＥ网络设计时，也应贯彻这一原则， 使２套保护装置与２套ＧＯＯＳＥ网络一一对应，彼 此，因此采用方案一。 采用方式一时，需要解决传统变电站单套配置 Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１３ 河北电力技术 ＨＥＢＥＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰｏＷＥＲ 第３２卷第３期 ２０１３年６月 的保护装置与双重化的ＧＯＯＳＥ网络的配合问题， 信方式，广播为“一对所有”的通信方式。 当发布者的信息对应于多个订阅者时，单播方 式意味着多条报文，传输效率低，增加网络负载和延 时；组播和广播方式一条报文即可，但广播方式又会 造成非订阅者接受报文，带来误动隐患。因此， 如２２０ ｋＶ母联或分段保护、断路器保护等。 解决方式有２种：一是将单套配置的保护改为 双重化配置，与双重化的网络一一对应；二是单套保 护装置提供两个的Ｇｏ０ＳＥ接口，分别与２个 网络相联。 ４提高网络可靠性措施 数字化变电站及智能变电站的可靠性严重依赖 于ＧＯ０ＳＥ网络，必须采取有效措施，提高网络的可 靠性。 ４．１ 优化网络结构和交换机配置方案 采用星型结构能有效避免广播风暴的风险，采 用１００ Ｍ光纤交换机可提高实时性和安全性。 ＧＯＯＳＥ信息组网可降低网络负载，增强重要 报文传递的可靠性。按照电压等级分别设置的 ＧＯＯｓＥ网络，可提高变电站整体运行的可靠性。 ４．２ 采用ＶＬＡＮ隔离报文 ＶＬＡＮ可将一个大广播域从逻辑上划分成若 干个小广播域，有效的隔离不同广播域的数据，避免 无用报文对装置的影响。 交换机ＶＬＡＮ常用的划分方式有基于物理端 口、基于ＭＡＣ地址和基于ＩＰ地址３种。其中基于 物理端口划分ＶＬＡＮ简单、可靠，但难以解决设备 移动或变更的问题；基于ＭＡＣ地址划分能解决设 备移动问题，但初始配置复杂；基于ＩＰ地址划分需 要采用三层交换机。 考虑到变电站智能设备很少移动和更换，且 ＧＯＯＳＥ报文底层仅采用了两层封装，基于ＭＡＣ地 址和ＩＰ地址划分ＶＬＡＮ均不合适，基于端口划分 是最佳选择。 ＶＬＡＮ划分方案一般按间隔划分ＶＬＡＮ；按串 划分ＶＬＡＮ；按母线段划分ＶＬＡＮ；按电压等级划 分ＶＬＡＮ。实施时应根据实际情况选择划分方案。 ４．３ 采用ＩＥＥＥ ８０２．１Ｐ优先级协议 ＧＯＯＳＥ网络中跳闸报文实时性要求最高，ＩＥＣ ６１８５０规定的跳闸信号传输时间为３ ｍｓ［ ，测控 ＧＯＯＳＥ报文实时性要求不高。可根据ＩＥＥＥ ８０２．１ｐ 将跳闸类ＧＯＯＳＥ报文设为最高优先级，优先传送。 ４．４ 采用组播方式减少报文数量 网络中有３种通信方式：单播、组播、广播。单 播为“一对一”的通信方式，组播为“一对一组”的通 ＧＯＯＳＥ发送应采用组播方式。 ５ ＧＯＯＳＥ交换机技术要求 为保证ＧＯＯＳＥ报文的可靠传输，交换机至少 应满足以下要求：采用光纤接口，速率不小于１００ Ｍｂｉｔ／ｓ；支持ＩＥＥＥ ８０２．ｉｐ优先级协议；支持基于 ＶＬＡＮ（ＩＥＥＥ ８０２．１ｑ）的网络隔离；支持组播过滤 功能；支持端口速率和广播风暴功能；支持 多链路聚合（ＴＲＵＮＫ）及端口镜像功能；支持 ＳＮＴＰ或ＩＥＣ ６１５８８时钟同步功能。 ６ 结论 以上对ＧＯＯＳＥ网络结构、交换机配置等方面 进行了深入分析，介绍了各电压等级和接线型式推 荐方案。得到如下结论。 ａ．２２０ ｋＶ变电站设置星型双网，按间隔配置 交换机；１ｉ０ ｋＶ变电站设置星型单网，按间隔配置 交换机；３５ｋＶ设置星型单网，按段配置交换机。 ｂ．每台主变压器视为一个大间隔，按主变压器 配置冗余交换机。 ｃ．基于交换机端口、按电压等级以及主变压器 划分ＶＬＡＮ。 参考文献： ［１］ＩＥＣ ６１８５０—７—２—２００３ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ Ｐａｒｔ ７—２：Ｂａｓｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｓｕｂ— ｓｔａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｅｅｄｅｒ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ——Ａｂｓｔｒａｃｔ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｒｖ— ｉｃｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ＡＣＳＩ）［Ｓ］． ［２］殷志良，刘万顺，杨奇逊，等．基于ＩＥＣ ６１８５０的通用变电站事 件模型［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，２９（１９）：４５—４９． ［３］Ｈａｕｄ Ｊ，Ｊａｎｚ Ａ，Ｒｕｄｏｌｐｈ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ａ ｐｉｌｏｔ ｐｒｏｊｅｃｔ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｒａｆｔｓ ｆｏｒ ｏｐｅｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ—Ｆｉｒｓｔ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ＩＥＣ ６１８５０［ＤＢ／ＯＬ］，ｈｔ— ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｄｅ． ａｌｓｔｏｍ． ｃｏｍ／ｐ—ｃ／ｆｔｐ／ｄｏｃｓ／ｐａｐｅｒｓ／ ＰＯ００５ＴＲＥ ｐｄｆ． ［４］ Ｑ／ＧＤＷ １６１—２００７线路保护及辅助装置标准化设计规范 ［ｓ］． ［５］ＩＥＣ ６１８５０—５—２００３ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ Ｐａｒｔ ５：Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ｍｏｄｅｌｓ［Ｓ］． 本文责任编辑：丁 力 ・ ２９ ・
