作者：郑晓敏

  GOOSE点对点通信方式是为了满足继电保护的可靠性和快速性要求，但断路器失灵启动、闭锁备自投等保护信息是经GOOSE网络传输，因此，GOOSE网络的传输性能仍是智能变电站安全稳定运行的关键问题之一。目前没有明确的GOOSE网络配置规范，而局域网传输解决方案较多，需选择适合当前智能变电站技术水平的网络方案  指出目前国内智能变电站工程GOOSE网络拓扑是星型结构。介绍了GOOSE多播报文过滤方法．但没有对GOOSE组网配置方案做详细的讨论。本文结合目前智能变毛站建设实践，重点分析实现GOOSE网多播报文隔离的方案。

1  智能变电站GOOSE网络结构

    GOOSE协议栈只用了开放式系统互联参考模型OSI 7层中的4层．其目的是提高可靠性和降低传输延时．冈此GOOSE报文帧格式中没有IP地址字段，只有MAC多播地址字段．如果交换机不经设置，GOOSE报文在交换机内就是广播转发，与交换机连接的其余智能电子设备(IED)都能接收到该GOOSE报文。尽管GOOSE采用的是发布／订阅机制．IED最终只执行配置好的GOOSE报义（在SCD文件中配置）．但IED必须滤除大量没有订阅的GOOSE报文．会增加通信CPU的处理负担，况且在故障时GOOSE网络上存在大量因重发机制产生的变位报文．对IED的应用程序会造成严重影响，也存在断路器误动的风险。因此结合GOOSE报文工程应用的特点，应在交换机这个通信节点完成对GOOSE报文的隔离。

    《智能变电站继电保护技术规范》要求除保护跳闸信号采用点对点光纤直连外．其余过程层GOOSE报文通过GOOSE网络传输：220 kV及以上电压等级继电保护装置采用双重化配置，对应的过程层网络亦应双重化配置．第1套保护接入A网，第2套保护接入B网，网络结构采用双网星型结构。图1是符合规范要求的220 kV线路间隔的GOOSE A网通信示意图，也是目前大多数智能变电站新建工程采用的GOOSE通信结构，其余间隔CJOOSE网络结构与此类似。基于该星型网络结构，本文从工程应用的角度考虑如何隔离GOOSE多播报文，理论上有3种2层交换机的通信技术可以实现隔离：MAC地址静态组播、虚拟局域网(VLAN)和组播注册协议(GMRP)。

2  MAC地址静态组播过滤GOOSE

    MAC地址静态组播过滤，就是根据IED需要接收报文的目的MAC地址，把目的MAC地址手动填写到交换机上与该IED连接端口的静态多播地址表中即可。

    该方式要求IED、交换机端口、报文目的MAC地址有明确的对应关系，在GOOSE组网工程应用中存在以下2点不足：

    (1)交换机端口转发的所有GOOSE报文目的MAC地址都得手动添加到该端口的静态多播地址表，对于220 kV及以上规模的变电站，交换机配置工作量就卜分繁琐庞大。比如图2所示的母线保护，通过交换机端口向母线保护转发所有支路的隔离开关位置GOOSE报文以及所有支路保护装置的失灵启动GOOSE报文等，每个GOOSE数据集都对应一个目的MAC地址，因此该交换机端口必须配置上述所有GOOSE数据集的目的MAC地址．施工调试过程中若某个IED的GOOSE目的MAC地址需要更改，那么交换机MAC静态组播表也要随之更改。线路、变压器等测控装置也是通过一个交换机端口接收大量来自不同GOOSE数据集的GOOSE报文，也会存在配置工作量大的问题。

    (2)建成后运维灵活性较差，如果某IED需要更换，新IED配置的曰的MAC地址必须和原IED的一致，连接的交换机端口也要一致，否则无法通信。

    MAC静态组播方式在大规模智能变电站的GOOSE组网中并不适用。但如果采用MAC静态组播方式限制SV网多播报文，配置工作量比GOOSE报文少，因此，在SV单独组网或者SV+GOOSE共网的情况下，MAC静态组播方式就较适合对sv报文进行隔离。

3组播注册协议(GMRP)过滤GOOSE

    GMRP是GARP Multicast Registration Protocol（GARP多播注册协议）的缩写，是一种2层的多播过滤协议，是基于MAC的广播管理协议。

    GMRP通过多播组成员和交换机间的标准信息交互来完成多播性的注销或重新注册，使用GMRP时，交换机只要打开该功能即可实现多播成员的动态分组和动态维护，配置工作量大大简化．避免静态配置的复杂设置。但应用GMRP的前提条件是交换机和IED都支持GMRP协议，目前该技术在智能站推广的时间较短，很多装置厂家对其不了解，有些厂家的装置尚不支持GMRP，在实际工程应用过程中还发现，有些装置对GMRP协议的支持不完整，或是理解上有差异，难免共同组网配合时会有兼容问题，用户对于动态多播过滤在可靠性方面必要的担忧也限制了它的推广。目前GMRP功能还不能应用于智能变电站实际工程，有待各保护厂家加强对GMRP在智能变电站中的应用开发，解决不同保护厂家GMRP 一致性和可靠性的问题。

4虚拟局域网(VLAN)过滤GOOSE

    VLAN技术是基于IEEE 802.1Q的协议标准，它实现了在2层式交换机中对广播进行划分。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，IEEE 802.1Q标准规定了统一的VLAN帧格式，在传统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。

    TPID：长度为2个字节，固定为Ox8100，交换机通过TPID来确定数据帧内附加了基于IEEESO2.1Q的VLAN信息。

    802.1P Priority:长度3 bit,指明帧的优先级。一共有8种优先级，取值为0~7．主要用于

当交换机出端口发生拥塞时，交换机通过识别该优先级，优先发送优先级高的报文。

    CFI:以太网交换机中，规范格式指示器总被设置为0。

    VID: VLAN ID是对VLAN的识别字段，在标准802.1Q中常被使用。该字段为12位。支持4096( 212)VLAN的识别。在4 096个VID中，VID=O用于识别帧优先级，4095( FFF)作为预留值，因此VLAN配置的最大可能值为4 094。

    VLAN在交换机上的实现方式，主要有以下3种：(1)基于端口的VLAN，(2)基于MAC地址的VLAN，(3)基于子网的VLAN。

    其中基于端口的VLAN最适合GOOSE组网工程应用，该方式依据IED之间通信的逻辑关系．将同属一个多播组的IED划分到一个虚拟工作组．所有逻辑划分工作只需要在GOOSE交换机上完成，不需要对IED做任何VLAN方面配置．其优点是：(1)VALN tag是由交换机端口在数据帧进入交换机时添加的，VLAN对IED来说是透明的．在IED上不需要做任何VLAN配置。(2)在确定好LED与交换机端口物理接线后．IED的全站配置文件( SCD)设计与交换机VLAN配置工作相对独立，在联合调试验收时，如果发现VLAN配置有问题只需修改交换机配置，不需修改SCD文件。（3）过程层网络建成后，IED与交换机物理连接同定不变，这也非常适合基于端口VLAN的特点。

    基于端口的VLAN较适合目前智能变电站GOOSE报文过滤。以下探讨VLAN技术在COOSE组网中的工程应用方案。

4.1  交换机VLAN划分前的准备工作

    配置GOOSE交换机的VLAN时，首先要具备以下条件：(1)熟悉智能变电站的过程层网络结啕，包括各电压等级是星型还是双星型拓扑．哪兰GOOSE报文是经交换机转发，哪些GOOSE报文是经光纤直连；(2)熟悉交换机的配置方法：3)熟悉SCD配置文件中的GOOSE连线．这样才知道IED之间GOOSE报文的交互关系：其中最后一点要求较高，需要设计者对保护测控设备的GOOSE虚端子回路比较熟悉。只有上述条件都具备后，才能规划GOOSE交换机VLAN配置表。

    按照技术规范的要求，第1个条件由前面的图1就能说明清楚。后面2个要求下面分别予以说明。

4.2  两层交换机的VLAN配置

    为了理解VLAN内报文的转发，就必须要知道交换机对于不同VLAN报文的处理原则。首先，需要明确的是：在交换机的内部，为了处理快速高效，报文都是带tag转发的。因为交换机上很可能会配置多个VLAN,那不同VLAN流量区分只有依靠tag标签。

    下面从报文入和报文出2个方向米介绍。

    报义入方向：交换机的根本任务就是决定该报义是否允许进入该端口，根据入报文是否携带tag以及端口属性，细分为如下情况：(1)报文不携带tag：允许报文进入该端口，并打上端口所属自勺VI,AN tag即PVID (Port VLAN ID)，与端U类型无关；(2)报文携带tag：在这种情况下，需要端口类型来判断是否允许该报文进入端口：访问( Access)端口：PVID和报文中tag标明的VLANID 一致，接收报文；否则丢弃。汇聚( Trunk)端口：如果端口允许tag中标明的VLAN ID通过（若没有将VLAN ID列入静止端口列表），则接收并处理报文；否则丢弃。

    报文出方向：交换机已经完成对报文的接收．其根本任务就是在转发出端口时，是否携带tag转发出去，根据出端口属性，细分为如下情况：Access端口：将标签剥掉，不带tag转发；Tru nk端口：报文所存VLAN ID和PVID相同．则报文不带tag；否则带tag; 一般来说，Trunk端口的流量必须带有标记，用户也可以为Trunk端口指定PVID，Trunk端口的未标记数据包将给端口分配一个默认PVID作为它的VID。

    PVID配置规则：一个交换机端口的PVTD是唯一的，但可属于多个VID，交换机PVID默认值为1。

    Access端口直接和IED连接：而Trunk端口可以支持多个VLAN,用于不同交换机或多个

VALN之间的级联。用户必须定义一个默认端口PVID来指明设备属于哪个VLAN。当输入这个端口的数据包被转送到另一个Trunk端口（该端口需要所有数据包包含标志信息），交换机将在数据包中插入PVID来帮助下一个802.1Q交换机识别。

4.3 GOOSE信息交换分类和VLAN划分方案

    按照GOOSE网络中的信息交换范围可以将GOOSE信息归纳为两种类型：

(1)保护间隔（如线路、变压器、母联等）内IED之间的GOOSE信息交换，包括本间隔的保护装置、测控装置、智能终端、合并单元等设备。这些GOOSE信息包括装置异常告警、开关刀闸控分和控合命令，开关刀闸位置等。

    (2)母线间隔和其他间隔IED之间的GOOSE信息交换，包括母线保护与各间隔保护之间的失灵启动、远传信息，母线保护与各间隔智能终端之间的刀闸位置信息等。此外，母线间隔的其余设备包括母线测控装置、母线合并单元和母线智能终端之间的GOOSE信息只局限在母线本间隔内，没有跨间隔。

    基于上述2类GOOSE网络信息的分析，相同电压等级的IED按照间隔配置GOOSE交换机和划分VLAN,如图4所示，母线间隔的IED都连接在GOOSE中心交换机，其余问隔的IED都连接在各分支交换机，所有分支交换机通过干兆端口与中心交换机按照星形网络拓扑连接。目前厂家牛产的过程层交换机一般配置至少4个千兆端口和20个快速以太网端口，因此能够满足上述GOOSE网络星型拓扑的要求，便于工程实施。

    按照本节分析的GOOSE网络的数据流向，表1以功能完整的220kV线路间隔GOOSE A网络通信为例，给出了VLAN划分的具体配置方案。线路间隔内的IED在分支交换内组成相应的VLAN，母线保护与各问隔的保护、智能终端分别构成跨交换机的VLAN,母线间隔的母线测控装置、母线合并单元和母线智能终端在中心交换内组成相应的VLAN。其余包括变压器、母联等间隔的IED都按照线路l相同的方式接入分支交换机和配置VLAN,就不再赘述。

    该方案已应用于培训智能变电站的工程实践，使网络结构简单．GOOSE数据流向清晰，间隔之间无关联数据被有效隔离，便于技术人员掌握和运行维护。

5结语

《智能变电站继电保护技术规范》明确了智能变电站建设中的过程层GOOSE网络架构，但对如何限制GOOSE多播报文并没有给出明确方案。本文针对目前智能变电站GOOSE组网巾的3种多播报文过滤技术手段进行深入比较和分析，从工程实施和维护角度分析了3种GOOSE报文过滤机制的利弊，指出以现有智能变电站保护测控设备的技术条件，基于端L1的VLAN最符合T程应用要求。提出按照间隔和GOOSE数据流来划分VLAN的方案，并给出了工程配置案例，对现阶段新建智能变电站GOOSE组网规划有一定的借鉴意义。

6摘要：为了保证智能变电站GOOSE报文传输的实时性和可靠性，分析和比较了MAC地址静态组播、虚拟局域网(VLAN)、组播注册协议(GMRP)3种多播报文过滤技术的特征，指出基于端口的VLAN划分方式是现阶段智能变电站GOOSE组网工程应用中切实可行的方案。分析了智能电子设备(IED)之间GOOSE报文的数据流向和交互范围．提出一种基于GOOSE信息分类和保护间隔的VLAN划分方案．最后结合工程实例给出了GOOSE组网配置方案，该方案易于实现．GOOSE数据流向清晰，能够有效隔离多播报文。