智能变电站过程层报文详解

智能变电站过程层报文

1. GOOSE 报文

1.1. GOOSE 传输机制

SendGOOSEMessage 通信服务映射使用一种特殊的重传方案来获得合适级别的可靠性。重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。如在该时间间隔内没有收到新报文，接收方将认为关联丢失。事件传输时间如图1-1所示。从事件发生时刻第一帧报文发出起，经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。标准没有规定逐渐重传时间间隔计算方法。事实上，重传报文机制是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案，而逐渐重传报文已越来越不能满足实时性要求，对重传间隔时间已没有必要规定。

图1-1 GOOSE 事件传输时间

SendGOOSEMessage 服务以主动无须确认的发布者/订阅者组播方式发送变化信息，其发布者和订阅者状态机见图1-2和图1-3。

图1-2 GOOSE 服务发布者状态机

1) GoEna=True （GOOSE 使能），发布者发送数据集当前数据，事件计数器置1（StNum=1），

报文计数器置1（SqNum=1）。

2) 发送数据，SqNum=0，发布者启动根据允许生存时间确定的重发计时器，重发计时器

计时时间比允许生存时间短（通常为一半）。 3) 重发计时器到时触发GOOSE 报文重发，SqNum 加1。

4) 重发后，开始下一个重发间隔，启动重发计时器。重发间隔计算方法和重发之间的

最大允许时间都由发布者确定。最大允许时间应小于60秒。

5) 当数据集成员数据发生变化时，发布者发送数据，StNum 加1，SqNum=0。

5）

6) GoEna=False ，所有的GOOSE 变位和重发报文均停止发送。

图1-3 GOOSE 服务订阅者状态机

1) 订阅者收到GOOSE 报文，启动允许生存时间定时器。 2) 允许生存时间定时器到时溢出。

3) 收到有效GOOSE 变位报文或重发报文，重启允许生存时间定时器。

图1-4~8以某距离保护A 相跳闸为例演示了保护跳闸信号从动作到返回过程中SendGOOSEMessage 服务的报文时序。

图1-4 保护动作前数据重发

保护动作前，SendGOOSEMessage 服务以最大重传时间间隔T0（图中为1024ms ）重传报文，让接收方能检测到关联的存在，报文数据信息全部是0，即保护不动作。重传报文时，事件计数器不变StNum ，报文计数器SqNum 加1。

图1-5 保护动作时刻数据发送

保护动作时刻，SendGOOSEMessage 服务立即发送变位报文，事件计数器不变StNum 加1，报文计数器SqNum 清零。报文数据中距离保护总动作和A 相动作信号为1；B 相和C 相动作信号为0，表明此刻距离保护动作，故障相别为A 相。

图1-6 保护动作过程中数据重发

保护动作过程中，从事件发生时刻第一帧报文发出起，SendGOOSEMessage 服务经过两次最短传输时间间隔T1（图中为1ms ）重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0（图中示例并未到T0，保护就返回了，启动新的数据刷新报文），保证了动作信息传递的实时性、可靠性。

）

图1-7 保护返回时刻数据发送

保护返回时刻与保护动作时刻相似，SendGOOSEMessage服务立即发送变位报文，事件计数器不变StNum加1，报文计数器SqNum清零。报文数据全为0，表明此刻距离保护返回。

图1-8 保护返回后数据重发

保护返回后，从返回时刻第一帧报文发出起，SendGOOSEMessage服务经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。

SendGOOSEMessage服务主要有以下特点：

1)基于发布者/订阅者结构的组播传输方式。

发布者/订阅者结构支持多个通信节点之间的直接通信，与点对点通信结构和客户端/服务器通信结构相比较，发布者/订阅者通信结构是一个数据源（即发布者）向多个接收者（即订阅者）发送数据的最佳方式，尤其适合于数据流量大，实时性要求高，数据需要共享的数据通信，这一点非常适合于变电站内自动化系统的IED之间数据交换与共享。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。

2)逐渐加长间隔时间的重传机制。

为了提高可靠性，通常采用应答方式确定接收者是否收到。如果在一定时间内没有收到应答报文或收到接收错误的报文，发送者可以采取重发的方法弥补前一次通信失败。但是，这种应答方式难以满足快速通信需求，尤其是在报文丢失的情况下，重发可能需要等待较长时间。无需应答确认机制，直接逐渐加长间隔重传报文的方法是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案。

3)GOOSE报文携带优先级/VLAN标志。

在数据链路层，为了提高速度，GOOSE报文采用VLAN标签协议，在数据中增加表示优先

级的内容，支持VLAN标签协议的以太网交换机会根据优先级进行实时处理，保证其实时特性。

图1-9是以太网交换机处理带VLAN标签帧的报文处理示意图。

图1-9 交换机优先传输

4)应用层经表示层后，直接映射到数据链路层。

基于通信功能分层的概念，OSI参考模型（ISO/IEC7498-1）给出了详细的通信模型。为使通信系统稳定可靠，该模型规定了5-7层，并详细给出了每层的功能要求。

图1-10 OSI七层参考模型

图1-11为SendGOOSE服务的通信协议栈。从图中可以看出，这一服务只用了国际标准化组织开放系统互联（ISO/OSI）中的4层，不经过会话层、网络层和传输层，其目的是提高可靠性和降低传输延时。

图1-11 GOOSE通信协议栈

5)基于数据集传输。

数据集是有序的功能约束数据或功能约束数据属性集合。客户端/服务器或发布者/订阅者双边均知道数据集的成员和顺序，因此基于数据集的通信仅需要传输数据集名及其引用的数据或数据属性当前值，这将有效利用通信带宽。另外，经过会话层的标准编码，数据集可以传输标准规定的各种数据类型，包括模拟量、时标、品质等。

1.2. GOOSE报文帧结构

图1-1 GOOSE报文以太网帧格式

图1-2 优先级/VLAN标签

GOOSE报文不同于普通以太网报文，在标准的以太网报文头加入了VLAN标签，标签中包含了12 bit的虚拟局域网标识码（VLAN标签）和3 bit的报文优先级码（流量优先权），可实现网络VLAN隔离和优先传输（交换机须支持），优先级/VLAN标志帧格式见图1-1。

GOOSE报文解析见下图1-3：

图1-3 GOOSE报文解析

1MAC地址域：

为了传输GOOSE 报文，必须配置符合ISO/IEC 8802-3的多播目的地址。