基于南網標準的智能變電站GOOSE 網絡跳閘報文解析及技術研究

劉正高 袁拓來

(廣東電網公司有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

1 概述

從2018 年開始，南方電網發布了《智能變電站二次系統通用設計規范》《Secondary system general design specification in smart substation》[1]。此規范中，要求南方電網新建110kV～500kV 的智能變電站，其二次系統的設計和建設均按照規常規電纜的交流量采樣、GOOSE網絡跳閘模式。通過過程層網絡交換機傳輸GOOSE 報文，實現開關的跳閘和合閘以及開入量信息的傳輸。本文通過分析GOOSE 報文在過程網絡中傳輸的結構和特點，利用計算機網絡分析軟件MMS-Ethereal 抓取GOOSE 跳閘報文并對其機構解析，深入剖析GOOSE 報文的含義，作為智能站保護調試、故障排查的基礎。

2 GOOSE 網絡跳閘的技術特點

在南方電網試點運行的智能站中，過程層層網絡組網方案有采用直接采樣和直接跳閘的方案。“直采直跳”的過程層網絡接線方案達到繼電保護迅速性、可靠性的要求，但是由于保護裝置和智能終端、合并單元采用光纜點對點連接，將造成光纜大量使用，過程層網絡信息沒有得到充分共享。和基于IEC-61850 協議的智能變電站信息共享、相互操作的設計初衷相去甚遠。因為合并單元SV 通信報文數據網絡流量很大，達到10Mbit/s 左右，不倫是對保護的網卡還是交換機都是很重的網絡負荷，在經過長時間運行后，采樣值交換機和合并單元的故障率上升，導致保護誤動或者拒動。南方電網規范采用的常規采樣則可避免此類不穩定因素。

繼電保護GOOSE 網絡跳閘與直跳相比，主要有以下特點。在網絡跳閘的過程層組網模式下光纜接線簡潔，GOOSE 網絡報文充分共享訂閱。在保護檢修和運維時，只要采取正確的安全措施即可確保安全隔離。而點對點的組網模式光纜數量多，和常規變電站的電纜連接相比優勢不明顯。

3 GOOSE 報文通信機制

GOOSE 報文傳輸是按照2-2-4-8 的規律進行的。如圖1 所示，其中T0=5 秒，表示心跳周期。IED 裝置正常在每個時間T0=間隔發送一次當前狀態，由于比較像有規律的心跳，故這種沒有變位且有規律的報文稱為心跳報文[2]。當IED 裝置中的DATASETS(數據集)中任何一個DA(數據屬性)的數值發生突變，IED 裝置立即發送DATASETS(數據集)的所有數據。

圖1 GOOSE 心跳機制

其中T1==2ms T2==4ms T3==8ms T0==5s (在SCD 文件中可以設置心跳間隔時間)，多次快速重復確保GOOSE 信號可靠傳輸。生存時間（TAL-time Allowed to Live），是指GOOSE 報文的允許生命周期，IEC-61850 標準建議接收方IED 發生關聯丟失標準為T0 的2 倍。表1 為利用MMS-Ethereal 軟件抓取有GOOSE 報文變位時刻。

表1 GOOSE 報文傳輸時間間隔（單位:S）

GOOSE 報文的StNum 和SqNum 的數值變化嚴格遵守既定規則進行計數。 StNum 表示數據集成員狀態的序號，數據集成員狀態發生翻轉時，則StNum 加1，SqNum 表示報文順序號，在正常發送報文幀的狀態下發出報文的幀數，IED 裝置每發出一幀報文，SqNum 自動加1，每當有GOOSE 數據發送狀態改變時，該值歸0，如果StNum 和SqNum 的序號中斷，則說明有報文丟失[3]。

表2 是表示的GOOSE 報文的StNum 和SqNum 變化規律，由表1 和表2 綜合分析可以知道，在序號為157344 的報文發生了狀態改變，由保護動作事件變位發生。其報文不再按照心跳報文的時間間隔傳送GOOSE 報文，StNum 由7 變為8，SqNum由82 變為0，表示狀態發送了改變。

表2 StNum 和SqNum 變化規律

4 GOOSE 報文實例解析

4.1 GOOSE 數據幀構成

GOOSE 在經過特定通信服務映射（SCSM）映射到具體的通信協議棧后，其詳細幀結構如圖2 所示。

圖2 GOOSE 數據幀構成

通過開通過程層交換機的鏡像端口的功能，圖3 為利用計算機網絡分析軟件MMS-Ethereal 抓取一則220kV 線路保護PCS-931GMM-D GOOSE 跳閘報文。

圖3 MMS-Ethereal 抓取的GOOSE 跳閘報文

4.1.1 目的地址：對應報文中的Dst，由于GOOSE 報文采用的是組播通訊模式，不是一對一的單播模式。所以目的MAC 邏輯地址就是區分GOOSE 報文的唯一地址。IEC-61680 通訊協議集規定，對于GOOSE 目的地址前三字節為“01-0C-CD”，表示網絡組播模式。第4 字節使用“01”表示GOOSE 報文類型，第5 和第6 字節 在“00-00”-“3F-FF”取值。

IED 裝置MAC 過濾算法計算判斷GOOSE 報文是否為該組成員。如是則IED 裝置CPU 進行處理，否則丟棄報文。

4.1.2 源地址:本例中00:10:00:00:01:03 為GOOSE 報文打包時分配的地址，由每個裝置自動分配，不是實際的網卡地址，源地址滿足Mac 地址規則，實際應用不作業務判斷。

4.1.3 VLAN 和用戶優先級：Vlan 優先級共分為0～7 共8 個等級，其中0 優先級最低，7 優先級最高。由于GOOSE 跳閘報文優先級最高，需要快速發送，如果劃分Vland 推薦設置為7，不劃分Vland 則設置為0。

4.1.4 APPID：應用標識APPID 對應IOS 通訊協議棧的應用層，應用程序判斷網卡收到的數據幀并解析APPID 的數值。如果APPID 和保護裝置中CID 配置好的APPID 一致，則解析報文，否則不作解析。需要確保GOID、APPID、MAC-Address 參數的唯一性。APPID 第1 字節由MAC-Address 的倒數第3、第2 字節的后一個字符組合而成，APPID 第2 字節取MAC-Address 的 最 后1 個 字 節， 例 如：MAC-Address 地 址 為0x01-0C-CD-01-02-34，則APPID 為0x1234，這樣約定是便于故障排查。本次獲取的GOOSE 跳閘報文中MAC 地址為01:0c:cd:01:01:03，其APPID 為1103。

4.1.5 長度（PDU Length）：本例中PDU 長度為174 個字節，它通過兩個字節來表示。是計算從APPID 開始到PDU 結束的字節長度。

4.1.6 保留字段：在南網標準中則用在SV 報文中表示交換機延時累加值（ART）[5]。

4.2 PDU 中各參數的含義

4.2.1 Time Allowed to Live :表示GOOSE 報文生存允許時間，為10000 毫秒，如果接收端IED 在4T0即20 秒 內沒有收報文，則接收端的IED 判斷為GOOSE 通信鏈路中斷。判斷中斷后，接收端IED 會發出GOOSE 斷鏈告警，但是發送端的IDE 不會發斷鏈告警。

4.2.2 GOOSEID：該參數是每個GOOSE 消息的唯一標識，屬于常規字符串類型，長度不能超過65 字節。

4.2.3 TEST：檢修標志，表示IED 裝置的檢修壓板投入，IED設備傳送的GOOSE 報文中的TEST 標志=TRUE[4]。保護裝置嚴格遵守檢修機制，當只有兩側的IED 裝置的TEST 標志相同時，保護才動作出口。

4.2.4 Config Revision：版本配置號是一個計數器，IED 在接收GOOSE 報文時嚴格檢查Config Revision 是否匹配，否則丟棄報文。

4.2.5 Number DataSet Entries：數據集成員的個數，本例GOOSE 報文中表中值為“19”，表示GOOSE 數據集包含19 個成員。表3 中列出PCS-931GMM-D 中數據集成員的定義，從中可以清晰的知道是保護B 相動作，并啟動B 失靈。

表3 PCS-931GMM-D 中數據集成員動作情況解析

5 結論

南方電網在新建的變電站中均為智能變電站，且按照“模采網跳”組網方案實施[1]，在南方電網進入大規模智能電網建設時代之際，由于智能變電站技術和傳統變電站有很大的差別，對于繼電保護的運行維護和故障查找定位不可能像常規變電站一樣采用萬用表去測量控制回路的開入和開出電位，本文通過介紹通過利用計算機網絡分析軟件MMS-Ethereal 從網絡低層研究GOOSE 網絡報文的通信機制和技術原理，對GOOSE 網絡報文有更深入剖析和理解，為日后的智能變電站繼電保護的驗收，調試和故障定位和排除提供幫助。