2024年2月20日发(作者：)
基于GOOSE报文解析的变电站r配置方法及图形化技术
胡煜;张惠刚
【摘 要】描述GOOSE通信协议,介绍GOOSE报文的四层通信体系,对GOOSE
PDU进行分析,并利用Wireshark抓包软件对220 kV的双母接线线路保护模拟故障后的Goose动作实例报文结合其SCD导出的配置文件进行了解析.同时将SCD文件作出图形化的展示,提出包括虚端子间的逻辑联系图以及配置表设计方法,直观展现虚端子间的连接.
【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(014)004
【总页数】6页(P85-90)
【关键词】IEC61850;GOOSE;Wireshark;虚端子;配置表
【作 者】胡煜;张惠刚
【作者单位】南京工程学院电力工程学院,江苏 南京211167;南京工程学院电力工程学院,江苏 南京211167
【正文语种】中 文
【中图分类】TM73
IEC 61850中对通信可靠性要求特别高的服务有9-2部分所描述的采样值SV以及7-2中所定义的面向对象的通用变电站事件GOOSE(generic object oriented
substation event)服务．GOOSE传输是一种实时应用,传送变电站智能电子设备之间重要的实时信号,采用发布者—订阅者(对等通信)的通信模式,允许一个数据发
出者和多个数据接收者之间形成一点对多点的直接快速通信．在 IEC 61850规约中,按实时性要求将各类报文分为快速、中速、低速三种类型．其中GOOSE类型的报文属于快速1A类型[2],为IEC 61850中传输速度要求最高的类型．在数字化变电站中，广泛应用在保护及测控装置跳合闸命令的输出，不同保护装置之间的闭锁、启动失灵,监控系统不同间隔之间的联闭锁[1]等．
1.1 GOOSE报文通信协议栈
在IEC 61850规约中,GOOSE报文应在4 ms内完成传输．为了减少数据包的处理延时,及时进行数据传输,GOOSE PDU(GOOSE协议数据单元)在通过表示层ASN.1规则解码[3]后,所产生的数据包会跳过TCP/IP协议,从而直接映射到数据链路以及物理层进行传输,有效避免了通信协议栈所造成的传输延迟,保证信息传输的快速性．GOOSE通信协议栈如图1所示[4]．
通过SCSM(特殊通信映射服务)中的GOOSE服务,在应用层产生协议数据单元,生成GOOSE类型的报文．表示层主要是对应用层的 PDU 进行编码以适合在网络上进行传输,使用的是ASN.1的BER编码规则．在数据链路层遵循相应的以太网协议,通过介质访问控制层硬件地址的过滤,可以大大提高组播数据包接收的性能[6]．在物理层,物理介质一般采用双绞线或者光纤,若传送的报文帧比较大,报文的发送延迟会相应的增加,满足不了实时性的要求．这时采用100 Mb/s或者以上的以太网可以满足实时性需要．
1.2 GOOSE PDU定义
IEC 61850-8-1对GOOSE PDU(protocol data unit)结构定义如图2所示,采用ASN.1语句表示.GOOSE报文所包含的信息让接收设备(如线路保护设备)知道状态已经变位以及状态变位的时间．对于GOOSE发生变位后的报文作具体的解析,如图3所示.
1.3 GOOSE数据帧的结构
GOOSE PDU经表示层并跳过TCP/IP协议,再映射到数据链路层后,选用的数据帧格式为ISO/IEC 8802-3版本．如图4所示.
ISO/IEC 8802-3数据帧中含有目的地址、VLAN和用户优先级、以太网类型值、APPID等内容．GOOSE报文的目的地址前4个字节固定为01-0C-CD-01，其组播地址的起始地址为01-0C-CD-01-00,结束地址为01-0C-CD-01-FF．而GOOSE报文的优先级是4,其他为1,这确保了该过程层网络可以优先传送GOOSE类报文．GOOSE报文的Ethertype的类型值固定为0x88B8,0x0000到0x3FFF是IEC 61850为GOOSE所分配的APPID的范围．而保留位1、2可将报文改造成安全报文．
2.1 测试工具简介
Wireshark是一个网络数据包分析软件,由网卡接口来捕获数据包,是一个常用的报文捕获和解析的软件．Wireshark对采样值以及对时报文的解析相比于其前身Ethereal软件要有更加强大的捕获分析功能．它可以解析出采样值报文数据集里每一个通道的品质值以及数据值,这些都是Ethereal所做不到的．同时需要注意的是,Wireshark对于大小写是很敏感的,因此在捕捉报文时，如果要对GOOSE报文进行过滤,则应在【filter】一栏中输入goose;若要对MMS报文进行过滤,则输入mms．上述几个过滤的条件都应该是小写英文字母．
2.2 实例分析
220 kV双母线线路保护主保护为纵联差动保护,首先整定差动保护动作定值,投入SV接收软压板、跳闸出口软压板以及纵联差动控制字．用测试仪模拟A相故障,所加故障电流为1.2倍差动保护整定值．利用光猫(光modem)将光纤接入线路保护装置,采用PSL603UA-DA-G型线路保护装置,将网线接入电脑,测试仪以及线路保护装置之间采用工业级交换机进行通信,确保数据的实时性能够满足要求．同时利用Wireshark软件捕获,捕获结果如图5所示.故障后GOOSE报文如图6所示.
由抓包结果可以看出,GOOSE控制块所对应的GOOSE数据集引用名为PL2205APIGO/LLN0＄dsGOOSE1, GOOSE数据集中含有17个条目,数据部分对应的包含17个条目的消息．图5所显示的GOOSE报文中stnum的值为37,sqnum的值为177,而图6中状态序列号加1而sqnum号清．图6中GOOSE报文数据部分如图7所示.
第一、二、三、十三条目BOOLEAN的值显示为TRUE．SCD(substation
configuration description)是用于变电站配置描述的文件,生成智能电子设备的能力描述文件以及系统的规范文件,包含变电站一、二次设备关联、信号描述以及通信网络各个参数的配置[5],描述了一个数字化变电站内每个独立的智能电子设备以及它们之间的逻辑关系,并且完整描述了各个独立的智能电子设备是如何整合成一个功能完善的变电站自动化系统．除此之外,可以通过配置工具来记录文件的历史修改情况并配置每个智能电子设备相关的通信参数、报告、GOOSE、SMV控制块及连线等．结合SCD导出的配置文件(图8)可以看出,配置文件中的GOOSE控制块引用、数据集引用名都与GOOSE报文所对应,第一、二、三通道分别代表A、B、C三相断路器,它们的值都为TRUE,表示A、B、C三相均收到跳闸信息,这是由于给测试仪所加故障时间较长导致三跳,第十三个通道GOOSE开出-保护动作的值为TRUE,即对应的保护动作GOOSE发生变位,测试成功．
GOOSE报文通过以下参数来确保传输的可靠性:
1) timeallowedtolive参数,可以用来检查通信链路的通与断,若在这一时间段内没有收到下一帧设备所发来的报文,那么认为该报文在传送过程中丢失．若在2倍的该时间内仍然没有收到下一帧设备所发来的报文,则认为通信发生了中断．通过链路中断检查,变电站内的二次回路的可靠性将会得到显著提升；
2) 通过SqNum和StNum两个数据值可以判断报文是否存在丢帧、重复或者错序的情况；
3) 当数据集成员发生变化,在很短的时间内迅速产生第一帧信息并且补发后续报文,使得GOOSE传输可靠性得到了改进．
当前的数字化变电站均采用GOOSE技术,在一个单一的光纤内可以传输多路数字信号,传统变电站保护屏内大量的输入、输出端子排将被舍弃,保护装置到一次设备的跳合闸的出口不再通过端子到端子的电缆实现．智能变电站中,上述保护从发生到一次设备动作将采用虚端子的概念展现保护装置之间的GOOSE配置与联系．SCD是用于变电站配置描述的文件,对整个变电站而言它是唯一的,描述了变电站一次侧的结构、所有智能设备的配置以及通信的参数讯息．GOOSE的输入或输出信号就与传统保护的输入或输出端子相对应．由于GOOSE信号中的输入和输出只存在于逻辑上,而不再是一个物理上的概念,因此把这些逻辑上相互连接的节点称之为虚端子．利用虚端子图形化的方式可以将虚端子的连接更加直观展现出来．
3.1 GOOSE信息流图
GOOSE信息图是根据变电站电气主接线和各电压等级设备的保护原则而制作的,反映在某个具体间隔内,母线、线路等具体保护装置间的联系的原理图，这些联系就是装置之间的GOOSE数据流[7]．智能变电站内部典型的线路间隔保护的GOOSE信息流图如图9所示.
3.2 虚端子图
GOOSE虚端子有输入和输出之分．每个虚端子都有中文描述,用于说明该虚端子所代表信号的具体含义,这是GOOSE连线的依据．
IEC 61850中要求GOOSE数据应级联到数据属性一级,即DA一级,其格式为LD/．图10即为虚端子连接的图形化展示,清楚展现了GOOSE开入和开出．其中,GOOSE输出数据需要跟出口软压板的状态相与,当出口软压板投上时,GOOSE输出数据发生变化时再启动GOOSE变位发送流程．
3.3 虚端子逻辑联系表
逻辑连线以及虚端子的起始点和终点三者构成了GOOSE相应的配置表,逻辑连线必须包含逻辑连线的编号LLk以及所传送数据的名称(如断路器位置)这两列信息,其起点必须包含一个特定的智能保护设备(如线路、母线保护)名称、虚端子编号OUTj及其内部所包含的数据属性这3项．逻辑连线的终点与起点类似,必须包括终点智能设备的名称、虚端子编号INi及其内部所包含的数据属性这3项．如表1所示.GOOSE配置表可以作为施工调试时的图样依据．
本文详细描述了GOOSE报文四层通信协议相应的模式,并用测试仪模拟220 kV线路的A相故障，结合wireshark软件抓包GOOSE报文,对GOOSE变位报文作了具体详尽的解析．针对传统变电站大量端子排的问题提出虚端子的理念,利用虚端子图形化的方式将虚端子的连接更加直观地展现出来．从而使现在拥有二次设计的规范得到最小的改变,有利于施工人员保持原有的操作习惯,并进行调试和维护．
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【相关文献】
[1] 辛建波,上官帖. 数字化变电站的分布式联锁功能安全性研究[J].电力自动化设备,2007,27(6):99-103.
[2] 陈原子.数字化变电站通信网络构架研究[D].杭州：浙江大学,2011.
[3] 石文江,隋珺,朱亮亮. GOOSE实例报文解析及过程层调试要点[J].东北电力技术,2012(3):33-37.
[4] 陈国旗.GOOSE报文及在电力系统中的应用[D].湘潭：湘潭大学,2010.
[5] 王珍珍,孙丹.IEC 61850配置文件测试的研究[J].电力系统保护与控制,2011(6):95-99.
[6] 张利. IEC 61850标准GOOSE 技术在配电自动化中的应用和实现研究[D].合肥：合肥工业大学,2013.
[7] 刘曦,奚洪磊,钱碧甫.基于智能变电站SCD文件的虚端子图形化展示方法[J].电气应用,2015,34(2):97-100.
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