面向通用对象的变电站事件模型GOOSE

Posted 2021-01-22 software4y

1 面向通用对象的变电站事件模型GOOSE

在分布式的变电站自动化系统中，IED共同协助完成自动化功能的应用场合越来越多，如间隔层的设备之间的防误闭锁、分布式母线保护等，这些功能得以完成的重要前提条件是IED之间数据通信的可靠性和实时性。基于此，IEC61850中定义了通用变电站事件（Generic Substation Event，GSE）模型，该模型提供了在全系统范围内快速可靠地输入、输出数据值的功能。

GSE分为两种不同的控制类和报文结构：①面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE），支持由数据集（Data-Set）组织的公共数据交换：②通用变电站状态事件（Generic Substation State Event，GSSE），用于传输状态变位信息（双比特）。如果只从抽象通信服务模型控制块（Control Block）的属性和服务定义两方面比较，GOOSE和GSSE差异不大，但实际上，两者的报文传输内容和实现机制截然不同。GSSE报文传输服务均映射于OSI的7层协议堆栈中，一方面存在协议堆栈传输延时，另一方面，此报文仍基于传统的以太网实现，不支持报文优先级和虚拟局域网、无特定的多播地址等。这使得当网络负荷较重时，难以保证报文传输的实时性。GSSE目前较少使用。下面主要介绍应用最多的GOOSE的服务。

IEC61850中定义的面向通用对象的变电站事件（GOOSE）以快速的以太网多播报文传输为基础，代替了传统的智能电子设备IED之间的硬接线的通信方式，为逻辑节点间的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE服务主要用于传输变电站内保护跳闸、断路器位置、测控联锁等实时性要求的数据，还可以传输如温湿度等模拟量信息，甚至可以传输时间同步信息等。

2 GOOSE发送机制及其特点

GOOSE报文的发送采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制，按图2-5所示的规律执行。

其中T0又称心跳时间，在GOOSE数据集中的数据没有变化的情况下，装置平均每隔T0时间发送一次当前状态，即心跳报文，报文中的状态序号stNum（StateNumber用于记录GOOSE数据发生变位的总次数）不变，顺序号sqNum（SequenceNumber用于记录稳态情况下报文发出的帧数）递增。

当装置中有事件发生（如开关状态变位）时，GOOSE数据集中的数据就发生变化，装置立刻发送该数据集的所有数据，然后间隔T1发送第2帧及第3帧，间隔T2、T3发送第4、5帧，T2为2T1，T3为4T1，后续报文以此类推，发送间隔以2倍的规律逐渐增加，直到增加到T0，报文再次成为心跳报文。当数据变位后的第1帧报文中stNum增加1，sqNum从零开始，随后报文中stNum不变，sqNum递增。

工程应用中，T0设为5s，T1设为2ms。GOOSE状态变位过程共发5帧数据，即以2ms—2ms—4ms—8ms的时间间隔重发GOOSE报文，连续发5帧后便以5s时间间隔变成心跳报文。

GOOSE接收可以根据报文允许存活时间来检测链路中断，定义报文允许存活时间为2T0，接收方若超过2倍允许存活时间没有收到GOOSE报文即判为中断，发GOOSE断链报警信号。由此，通过GOOSE通信机制也实现了装置间二次回路状态在线监测。

图1 GOOSE报文传输时间

T0—稳定条件下，心跳报文传输间隔；（T0）—稳定条件下，心跳报文传输可能被事件打断；T1—事件发生后，最短的重传间隔；T2、T3一直至获得稳定条件的重传间隔。

GOOSE报文的传输过程与普通的网络报文不同，它是从应用层经过表示层ASN.1编码后，直接映射到底层的数据链路层和物理层（如图2-6所示），而不经TCP/IP协议，即不经网络层和传输层。这种映射方式避免了通信堆栈造成的传输延时，从而保证了报文传输的快速性。其中，ASN.1基本编码规则采用的编码结构由标记（Tag）、长度（Length）以及内容（Value）三个部分组成。

GOOSE采用发布者/订阅者通信结构，此通信结构支持多个通信节点之间的对等直接通信。与点对点通信结构和客户/服务器通信结构相比，发布者/订阅者通信结构是一个或多个数据源（即发布者）向多个接收者（即订阅者）发送数据的最佳解决方案，尤其适合数据流量大且实时性要求高的数据通信。发布者/订阅者通信结构符合GOOSE报文传输本质，是事件驱动的。

图2 GOOSE报文传输过程

3 GOOSE接收机制

3.1 GOOSE单网接收机制

装置的单网GOOSE接收机制，如图3 所示，装置的GOOSE接收缓冲区接收到新的GOOSE报文，接收方严格检查GOOSE报文的相关参数后，首先比较新接收帧和上一帧GOOSE报文中的StNum（状态号）参数是否相等。若两帧GOOSE报文的StNum相等，继续比较两帧GOOSE报文的SqNum（顺序号）的大小关系，若新接收GOOSE帧的SqNum大于上一帧的SqNum，丢弃此报文，否则更新接收方的数据。若两帧GOOSE报文的StNum不相等，更新接收方的数据。

图3 单网GOOSE接收示意图

3.2 GOOSE双网接收机制

装置的GOOSE双网通信方法如图4 所示，接受方和发送方都采用自动信息处理装置并通过双网相连，两个网络同时工作，装置的GOOSE接收缓冲区接收到新的GOOSE报文，接收方严格检查GOOSE报文的相关参数后，首先比较新接收帧和上一帧GOOSE报文中的StNum。若StNum大于上一帧报文，则判断为新数据，更新老数据。若StNum等于上一帧报文，再将SqNum与上一帧进行比较，如果SqNum大于等于上一帧，则判断是重传报文而丢弃，如果SqNum小于上一帧，则判断发送方是否重启装置，是则更新数据，否则丢弃数据。若StNum小于上一帧报文，则判断发送方是否重启装置，是则更新数据，否则丢弃报文。在丢弃报文的情况下，判断该网络故障，通过网络切换装置切换到备用网络进行传输。这种方法采用双网同时工作的模式，保证了传输的快速性，由接收方判别是否通信中断并决定是否更新数据，当接收到重传或因某一网络故障而传输的错误信息时，并不会更新数据，从而保证了数据的可靠性。

图4  双网GOOSE接收示意图

4 GOOSE报文帧结构

根据IEC61850标准，GOOSE报文在数据链路层上采用ISO/IEC 8802-3以太网协议，GOOSE报文由报文头和协议数据单元PDU两部分组成，报文头部分如图5 所示，协议数据单元PDU部分如图6 所示。

图5  GOOSE报文头部分

 

图6  GOOSE PDU部分

GOOSE报文头各参数含义如下：

（1）6个字节的目的地址“01 0c cd 01 00 33”和6个字节的源地址“00 10 00 00 00 33”。对于GOOSE报文的目的地址，前三个字节固定为“01-0C-CD”，第四个字节为“01”时代表GOOSE。IEC61850规定GOOSE报文目的地址取值范围为01-0C-CD-01-00-00~01-0C-CD-01-01-ff。

（2）地址字段后面是4个字节的Tag标签头信息“81 00 80 00”。“81 00”是TPID的固定值；“8000”换算成二进制数为“1000000000000000”，它包括三个部分的内容，用户优先级占据前三个Bit位“100”，CFI占第四个Bit位“0”，VLAN ID占最后十二个Bit位“000000000000”，换算成十进制数后可以看出优先级为4，VLAN ID为0。

（3）Tag标签头后是以太网类型值“88 b8”，代表该数据帧是一个GOOSE报文。IEC 61850中各种报文的以太网类型已经由IEEE的著作权注册机构进行了注册，是独一无二的，GOOSE报文的以太网类型值是0x88B8。

（4）紧接着是应用标识APPID“00 33”，该值全站唯一。

（5）APPID后面是长度字段“00 b6”，换算成十进制数为182，表示数据帧从APPID开始到应用协议数据单元APDU结束的部分共有182个字节。

（6）保留位1和保留位2共占有4个字节，默认值为“00 00 00 00”。

GOOSE 协议数据单元PDU各参数含义如下：

（1）gocbRef：即GOOSE控制块引用，由分层模型中的逻辑设备名、逻辑节点名、功能约束和控制块名级联而成。

（2）Time Allowed to Live：即报文允许生存时间，该参数值一般为心跳时间T0值的2倍，如果接收端超过2T0时间内没有收到报文则判断报文丢失，在4T0时间内没有收到下一帧报文即判断为GOOSE通信中断，判出中断后装置会发出GOOSE断链报警。

（3）dataset：即GOOSE控制块所对应的GOOSE数据集引用名，由逻辑设备名、逻辑节点名和数据集名级联而成。报文中Data部分传输的就是该数据集的成员值。

（4）goID：该参数是每个GOOSE报文的唯一性标识，该参数的作用和目的地址、APPID的作用类似。接收方通过对目的地址、APPID和goID等参数进行检查，判断是否是其所订阅的报文。

（5）t：即Event TimeStamp，事件时标，其值为GOOSE数据发生变位的时间，即状态号stNum加1的时间。

（6）stNum：即StateNumber，状态序号，用于记录GOOSE数据发生变位的总次数。

（7）sqNum：即SequenceNumber，顺序号SqNum，用于记录稳态情况下报文发出的帧数，装置每发出一帧GOOSE报文，SqNum应加1；当有GOOSE数据变化时，该值归0，从头开始重新计数。

（8）test：检修标识，用于表示发出该GOOSE报文的装置是否处于检修状态。当检修压板投入时，test标识应为True。

（9）confRev：配置版本号，Config Revision是一个计数器，代表GOOSE数据集配置被改变的次数。当对GOOSE数据集成员进行重新排序、删除等操作时，GOOSE数据集配置被改变。配置每改变一次，版本号应加1。

（10）ndsCom：即Needs Commissioning，该参数是一个布尔型变量，用于指示GOOSE是否需要进一步配置。

（11）NumDataSetEntries：即数据集条目数，图中其值为“19”，代表该GOOSE数据集中含有19个成员，相应地报文Data部分含有19个数据条目。

（12）Data：该部分是GOOSE报文所传输的数据当前值。Data部分各个条目的含义、先后次序和所属的数据类型都是由配置文件中的GOOSE数据集定义的。

 

引用自：http://www.pinlue.com/article/2017/06/0602/072485561456.html