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。
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。
）
5）
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
根据IEC 61850标准，GOOSE报文在数据链路层上采用ISO/IEC 8802.3协议（即以太网协议），其以太网报文帧格式如图1-1所示。
图1-1 GOOSE报文以太网帧格式
字节8 7 6 5 4 3 2 1
TPID 0x8100（依据802.1Q）
1
2
TCI Priority CF
I
VID
3VID
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。