智能化水電廠中GOOSE通信的應用研究

姜 鑫

（南瑞集團公司（國網電力科學研究院），南京 210003）

水電廠是發電行業的重要組成部分，隨著國家電網公司提出 “發展以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎，以信息化、自動化、互動化為特征，自主創新、國際領先的堅強智能電網”，智能化水電廠已明確成為水電廠自動化領域發展的主流方向，未來水電廠建設的標準。智能化水電廠的實現，依靠建立全廠統一的通信標準和統一的數據對象模型。

IEC61850標準是基于計算機網絡通訊平臺的電力自動化系統與網絡系統國際標準，已在智能變電站中廣泛應用并取得了很好的成效。針對水電自動化領域，IEC已經正式發布了水電廠監控通信標準IEC61850-7-410和水電廠建模思想與導則標準IEC61850-7-510，這2個標準的出臺為智能化水電廠的建設奠定了堅實的基礎。

1 GOOSE簡介

面向通用對象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）， 是 IEC 61850 標準中用于滿足變電站自動化系統快速報文需求的機制。它主要用于實現在多IED之間的信息傳遞，包括傳輸跳合閘信號（命令），具有高傳輸成功概率。智能化水電廠智能硬件設備采用GOOSE網絡傳輸代替傳統的硬接線實現開關位置、閉鎖信號和跳閘命令等實時信息的可靠傳輸。

1.1GOOSE的通訊機制

GOOSE報文的發送并不是按固定時間間隔來發送的。在沒有GOOSE事件發生時，GOOSE報文的發送按一個較長的時間周期傳送數據，但是在發生事件時，數據發生了變化，發送時間間隔就會以較快的速度重復發送3次。在此階段，發送時間間隔會逐漸增大，直到事件狀態穩定，GOOSE報文的發送又變為固定長時間間隔。

如圖1所示，穩定狀態下的較長傳送間隔為T0（一般叫心跳間隔），當發生了數據變化時不管上一次何時傳送，都立刻進行新數據的快速重復發送（T1為最快重傳間隔，發送2次）。心跳間隔T0和最快重傳間隔T1可自行定義；T2和T3為從突發到穩定傳輸的過渡重傳時間，對T2和T3的取值標準并沒有任何規定，工程應用中很多廠商采用了指數增加主次翻倍的算法，即T3=2T2=4T1。

圖1 事件傳輸機制示意Fig.1 Event transfer mechanism diagra m

2 GOOSE在智能化水電廠的應用

智能化水電廠是以先進、可靠、集成、環保的智能電子設備為基礎，實現一次設備智能化、二次設備網絡化、全廠數據共享互動化，完成全廠信息采集、傳輸、分析、處理的統一信息平臺，實現水電廠的自動運行控制、智能分析決策等高級應用功能，實現信息化、自動化、互動化。

圖2 智能化水電廠總體架構Fig.2 Overall structure of smart hydropower station

結合水電廠的生產現狀，提出智能水電廠系統結構框架，如圖2所示。智能水電廠硬件設備的對外通訊按照IEC61850標準設計，設備與廠站層上位機系統之間采用MMS協議通訊；間隔層和過程層中智能終端之間交互信息采用GOOSE協議通訊。

2.1 IEC61850建模簡介

IEC61850提供了基于XML的變電站配置語言（SCL），標準化了變電站系統和裝置配置的描述方法。邏輯節點中的可選項、公共數據類、各種控制塊等都可以使用該語言進行靈活配置。

IEC61850-7規范了數據模型、服務及建模方法[1]。IEC61850采用面向對象的建模思想對設備進行建模，滿足應用開放性的操作需求；IEC61850面向對象的數據自描述方法，是各廠家裝置互操作的基礎，數據接收方訂閱的數據都帶有數據自我說明，不需要工程重新對應或轉換。

IEC61850建模的總體規則需要滿足同一個功能對象相關的數據以及數據屬性，應建模在該功能對象中；同多個功能相關或同全系統功能相關的數據，應建模在公共的邏輯節點或者邏輯設備中[2]。圖3所示為IEC61850的建模過程。

圖3 61850建模過程示意Fig.3 61850 modeling process diagram

2.2GOOSE通訊建模

1）發布方裝置通過定義GOOSE發送數據集（dataset）和GOOSE控制塊，用于定義發送的數據。

2）訂閱方裝置通過定義INPUTS用于定義其GOOSE輸入。

訂閱方根據發布者icd文件，配置自身inputs的 ExRef部分。Inputs由外部ExtRef和intAddr構成，將發布方與接收方進行連接，相當于將內部信號與發布信號的關聯。通過Inputs可以知道關聯信息的級別是DO還是DA，如果屬性daName為空，則關聯級別為數據對象DO。

2.3 GOOSE報文結構

GOOSE報文中主要分為網絡參數、GOOSE參數和GOOSE數據，GOOSE數據如圖4。

圖4 Goose報文結構Fig.4 GOOSE message structure

2.3.1 GOOSE網絡參數

MAC目的地址正確的網絡配置參數是GOOSE報文正確通信的基礎條件。其中的組播MAC地址必須保證唯一，接收方根據該MAC地址，判斷是否是訂閱的報文。GOOSE規約建議組播MAC地址的取值范圍為01-0C-CD-01-00-00到01-0C-CD-01-01-FF。

MAC源地址裝置板卡的物理地址。

2.3.2 GOOSE參數

802.1q的TAG標簽即goose優先級TAG由報文類型標識碼TPID（0x8100）和TCI組成。TCI中的虛擬局域網ID（VID）默認為0，默認優先級為4，在基于優先級傳輸報文時，優先級高的報文優先被傳輸。

Ethertype0x88B8表示GOOSE以太網報文類型。

APPID應用標識GOOSE APPID取值范圍為0～0x3FFF；IEC61850建議每1個GOOSE控制塊的APPID值應全站唯一。當網卡接收數據幀時，應用程序首先會判斷APPID的值，如果其與配置文件中預先配置的值一致才繼續解析報文，否則丟棄報文。

2.3.3 GOOSE數據

關于GOOSE PDU中的有效時間t：對于一個重發的GOOSE報文，會在報文中附帶1個y有效時間t的參數。該參數告知接收方等待下一個重發的GOOSE報文的最長時間，如果在該時間內，接收方沒有收到重發的報文，就可以認為是發生了通訊中斷。一般地t=2T0，t主要用于GOOSE斷鏈的判斷，在2倍的t時間內未收到下一幀報文，接收方即發出GOOSE斷鏈告警。

2.4 GOOSE傳輸可靠性和實時性分析

GOOSE通信采用的是發布/訂閱模式，發布者和訂閱者之間報文傳輸通信關系的重要特征是緩沖型工作方式[3]。即最近產生的事件覆蓋已在網絡上傳輸的事件。

GOOSE報文為多播報文，多播報文在交換機中如果不進行任何處理，就是廣播轉發。這可能引起網絡符合瞬時過重而丟失報文。考慮到通信的緩沖型工作方式，交換機選擇存儲轉發式交換機，交換機最好采用帶有優先級的，可以減少報文在交換機中的傳輸等待時間[4]。

由于在過程層與單元層中僅有部分智能設備IED之間有GOOSE報文交換，因此可以把這些IED劃為同一個VLAN，通過對其進行VLAN劃分，可以使其成為一個獨立的子網。由于VLAN之間相互隔離，每個VLAN內部的廣播報文不會轉發到其他VLAN中，因此每一個VLAN成為一個獨立的廣播域，從而有效地解決了過程層大量廣播報文帶來的帶寬消耗和廣播風暴的問題，減輕了設備的數據處理負擔，保證了GOOSE報文傳輸的實時性和可靠性。

2.5 GOOSE通訊配置流程

模型建立結束后，各IED廠家根據拿到的模型文件導出相應配置文件供裝置進行測點映射實現通訊服務。GOOSE通訊配置流程如圖5所示。

圖5GOOSE通訊配置流程Fig.5 GOOSE communication configuration process

3 結語

IEC61850作為智能化水電廠通信國際標準，實現了“一個世界、一種技術、一個標準”的工業控制通信目標。GOOSE作為IEC61850標準中對報文傳輸時間和可靠性要求較高的通訊協議，能夠完成了智能化水電廠中智能設備之間、智能設備與主智能測控裝置之間的通訊。結合實際，較完整地描述了GOOSE在智能化水電廠設備建模過程，給出了GOOSE協議在智能設備中通信流程，為今后的開發和實現提供參考價值。

[1]彭志強，朱辰.IEC61850在智能水電廠應用的相關技術[J].水電廠自動化與大壩監測，2011，35（4）：6-9.

[2]IEC61850-7 Communication Networks and Systems in Substations：Part 7-1 Basic communication structure for substations and feeder equipment-principles and models[s].IEEE，2003.

[3]張利.IEC61850標準GOOSE技術在配電自動化中的應用和實現研究[D].合肥：合肥工業大學，2013.

[4]王聰，張毅，文正國.水電站監控系統中MMS通信協議的應用研究[J].水電站機電技術，2013，36（3）：9-11.