基于ARM的GOOSE通信系統(tǒng)研究

段雄英，尹睿涵，孟 晗，劉志恒

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基于ARM的GOOSE通信系統(tǒng)研究

段雄英，尹睿涵，孟 晗，劉志恒

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116000)

為實(shí)現(xiàn)IEC61850協(xié)議下的GOOSE通信，首先分析GOOSE通信的映射方式、傳輸控制方法，然后提出一種基于ARM的GOOSE通信系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成，闡明其硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)分析GOOSE的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，驗(yàn)證報(bào)文重發(fā)機(jī)制，測(cè)量通信時(shí)間。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠滿足IEC61850協(xié)議下GOOSE通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，在智能變電站領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

GOOSE；IEC 61850；ARM；智能變電站

0 引言

為提高變電站設(shè)備之間的互操作性，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制訂了變電站通信協(xié)議IEC61850，對(duì)設(shè)備的描述方式和設(shè)備間的通信進(jìn)行了規(guī)定[1]。GOOSE(通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?作為IEC61850協(xié)議中的重要通信模型，實(shí)現(xiàn)了分布式功能，可替代傳統(tǒng)設(shè)備間的硬線連接方式，為邏輯節(jié)點(diǎn)之間的通信提供了高效可靠的方法。GOOSE被用來(lái)傳輸跳閘、聯(lián)鎖等控制信號(hào)，因此實(shí)時(shí)性和可靠性是評(píng)估GOOSE通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)[2]。文獻(xiàn)[3-4]著眼于GOOSE的實(shí)時(shí)性和可靠性，文獻(xiàn)[2, 5]討論了GOOSE模型和機(jī)制，文獻(xiàn)[6-7]對(duì)GOOSE通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，文獻(xiàn)[8-11]重點(diǎn)研究了報(bào)文的安全通信。以上研究對(duì)GOOSE通信原理和仿真進(jìn)行了廣泛的討論，但并沒(méi)有通信系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。本文在IEC61850協(xié)議的框架下，提出了一種基于ARM的GOOSE通信系統(tǒng)，闡明其軟硬件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地分析GOOSE的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，驗(yàn)證了報(bào)文重發(fā)機(jī)制，并對(duì)通信時(shí)延進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠滿足IEC61850所規(guī)定的實(shí)時(shí)性和可靠性要求，并且成本低廉，通信時(shí)延小。

1 系統(tǒng)原理

區(qū)別于客戶/服務(wù)器模式，GOOSE通信采用對(duì)等模式(Peer-to-Peer)，即每個(gè)主機(jī)或程序的實(shí)例都可以同時(shí)作為客戶端和服務(wù)器，保證信息的可靠傳輸。區(qū)別于MMS(制造報(bào)文規(guī)范)的映射方式，GOOSE報(bào)文的映射不經(jīng)過(guò)會(huì)話層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，提升了傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。GOOSE機(jī)制中還包含一系列報(bào)文控制參數(shù)來(lái)提升可靠性[12-13]。

1.1 GOOSE報(bào)文的映射

IEC61850-5規(guī)定了四類報(bào)文，分別是快速報(bào)文、中速報(bào)文、低速報(bào)文和原始數(shù)據(jù)報(bào)文。其中，GOOSE屬于快速報(bào)文A型，總的傳輸時(shí)間應(yīng)少于3 ms[IEC 61850-5]。為提高實(shí)時(shí)性，GOOSE報(bào)文在OSI七層模型中，從表示層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層。該映射方式不經(jīng)過(guò)TCP/IP協(xié)議，避免通信堆棧造成傳輸?shù)难舆t，從而保證了報(bào)文傳輸、處理的快速性。

GOOSE報(bào)文的應(yīng)用層是PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)，由ASN.1(抽象語(yǔ)法標(biāo)記1)表示。表示層對(duì)應(yīng)用層PDU的編碼，采用ASN.1的基本編碼規(guī)則BER。數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸遵循IEC802.3協(xié)議(以太網(wǎng)協(xié)議)，其以太網(wǎng)類型(EtherType)是0x88b8[14]。

1.2 GOOSE傳輸控制

GOOSE報(bào)文的觸發(fā)形式是，當(dāng)預(yù)配置中的數(shù)據(jù)集成員發(fā)生變化時(shí)發(fā)送GOOSE報(bào)文。IEC61850協(xié)議針對(duì)GOOSE報(bào)文建立了重發(fā)送機(jī)制，如圖1所示。在沒(méi)有觸發(fā)時(shí)，以0為間隔發(fā)送GOOSE報(bào)文。觸發(fā)后，以1為間隔發(fā)送兩次、再以2、3為間隔發(fā)送一次同樣的報(bào)文，以減少接收端丟包的概率，提高可靠性。該重發(fā)送機(jī)制下的報(bào)文被稱為心跳報(bào)文，若“心跳”停止，則說(shuō)明相應(yīng)裝置出現(xiàn)問(wèn)題，為設(shè)備自檢提供了一種可能的方式，可增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性[12-13]。

圖1 重發(fā)送機(jī)制示意圖

GOOSE PDU中，參數(shù)StNum(狀態(tài)變化次數(shù)序號(hào))、SqNum(重發(fā)序號(hào))和TimeAllowedToLive(報(bào)文存活時(shí)間)是報(bào)文傳輸?shù)目刂茀?shù)。以上參數(shù)可表明報(bào)文的更新情況，提供了裝置自檢和網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)的依據(jù)，確保了傳輸?shù)目煽啃?。其詳?xì)作用會(huì)在后文的報(bào)文分析中加以說(shuō)明。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 方案選擇

為實(shí)現(xiàn)GOOSE通信，采用嵌入式解決方案。目前可選用的主控芯片有FPGA、微處理器、DSP、SoC等。其中，F(xiàn)PGA實(shí)時(shí)性較好，但成本較高；DSP的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力強(qiáng)，本設(shè)計(jì)不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算；片上系統(tǒng)需將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)難度較大。綜合以上，選擇基于ARM的嵌入式微處理器STM32F407為主控芯片：該芯片基于ARM Cortex-M4內(nèi)核，采用意法半導(dǎo)體的NVM工藝和ART加速器，工作頻率高達(dá)168 MHz，處理性能達(dá)到210 DMIPS，并且集成以太網(wǎng)MAC控制器，價(jià)格低廉，在市面上較為活躍。

主控芯片已集成MAC層功能，與只具備物理層PHY的芯片相結(jié)合即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能，因而不需要選用同時(shí)集成MAC層和PHY層的芯片，進(jìn)一步降低了成本。PHY芯片選用DP83848VYB，其為單網(wǎng)口的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器，支持10/100 Mb/s。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

GOOSE通信系統(tǒng)主要由開(kāi)關(guān)量輸入、復(fù)位電路、電源、晶振電路、主控芯片STM32F407VG、PHY芯片DP83848VYB、帶隔離變壓器的RJ45接口組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

STM32F407VG的MAC(媒體訪問(wèn)控制)接口和DP83848VYB之間的連接方式可選擇MII(介質(zhì)無(wú)關(guān)接口)和RMII(精簡(jiǎn)的介質(zhì)無(wú)關(guān)接口)。RMII接口有TXD<1:0>，TX_EN，RXD<1:0>，RX_ER，REF_CLK，CRS_DV等8根信號(hào)線，比MII接口的16根信號(hào)線節(jié)約了8個(gè)引腳。盡管RMII的數(shù)據(jù)傳輸寬度是MII的一半，但其時(shí)鐘頻率是MII的一倍，因此傳輸速率并沒(méi)有降低。所以選擇RMII接口連接MAC層和PHY層，提高了主控芯片引腳的使用效率，為日后的功能拓展提供了更大的可能性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 報(bào)文重發(fā)送機(jī)制

按照1.2中的描述，將0、1、2、3分別設(shè)置為5 s、2 ms、4 ms、8 ms，將GOOSE觸發(fā)設(shè)置為中斷。在配置GOOSE的中斷時(shí)，選擇邊沿觸發(fā)，設(shè)定為優(yōu)先級(jí)組三，搶占優(yōu)先級(jí)(3-bit)為7，響應(yīng)優(yōu)先級(jí)(1-bit)為1。流程圖如圖3所示。

圖3 重發(fā)送流程圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽設(shè)置

為了在交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)更加高效，在GOOSE報(bào)文組幀時(shí)，需對(duì)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽進(jìn)行設(shè)置。傳輸支持基于IEEE802.1Q的VLAN/優(yōu)先級(jí)標(biāo)記，提供QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)。在源MAC地址和以太網(wǎng)類型之間，有TPID(標(biāo)簽協(xié)議標(biāo)志)和TCI(標(biāo)簽控制信息)[13, 15]。

如圖4所示，TPID為0x8100，表示遵循IEEE802.1Q協(xié)議。12位的VID允許總共4 094個(gè)VLAN ID(2個(gè)保留)。設(shè)置VID后，交換機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)大大減少，只會(huì)將其轉(zhuǎn)發(fā)到屬于該VLAN的端口，能夠節(jié)約帶寬，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵的可能性，從而提高實(shí)時(shí)性。同時(shí)，在邏輯上將不同VLAN進(jìn)行隔離，提高了系統(tǒng)的安全性。

TCI的前3位為優(yōu)先級(jí)，一共可設(shè)置8個(gè)等級(jí)，GOOSE報(bào)文默認(rèn)為4。遵循IEEE802.1P，當(dāng)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文會(huì)被提前處理，有助于提高GOOSE報(bào)文的實(shí)時(shí)性[16]。

文獻(xiàn)[11]在不同的網(wǎng)絡(luò)流量下測(cè)量了GOOSE報(bào)文的傳輸時(shí)間，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽后的GOOSE報(bào)文傳輸總時(shí)間將節(jié)約8.8%至11.2%，且網(wǎng)絡(luò)流量越大，優(yōu)勢(shì)越顯著。

圖4 基于IEEE802.1Q的VLAN/優(yōu)先級(jí)標(biāo)記

3.3 寄存器配置

數(shù)據(jù)出棧模式的選擇。在STM32F407的MAC功能中，發(fā)送數(shù)據(jù)前，由DMA(直接內(nèi)存訪問(wèn))將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)移到FIFO中，再出棧傳給MAC內(nèi)核。FIFO出棧存在兩種模式，閾值模式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式。在閾值模式下，若FIFO中的字節(jié)數(shù)超過(guò)配置的閾值(或在超過(guò)閾值前寫(xiě)入幀結(jié)束)，數(shù)據(jù)就準(zhǔn)備好彈出并轉(zhuǎn)發(fā)到 MAC 內(nèi)核。而在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式下，僅當(dāng)在FIFO中存儲(chǔ)完整的幀后，才會(huì)向 MAC 內(nèi)核彈出幀。顯然，在報(bào)文較大時(shí)，閾值模式具有更好的實(shí)時(shí)性，因此將ETH_DMAOMR的TSF位設(shè)置為0。

過(guò)濾器配置。由于GOOSE在交換機(jī)中的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)基于組播技術(shù)，可屏蔽廣播幀，將幀過(guò)濾寄存器中的BFD置1。

3.4 報(bào)文解析

報(bào)文解析流程圖如圖5所示。

在接收到報(bào)文后，首先解析幀頭，檢查以太網(wǎng)類型、目的地址、源地址。根據(jù)以太網(wǎng)類型判斷是否為GOOSE報(bào)文。IEC61850建議的GOOSE組播的目的地址范圍是01-0C-CD-01-00-00至01-0C-CD-01-01-FF。通過(guò)源地址和APPID可判斷出該GOOSE報(bào)文是否是接收端訂閱的。以上環(huán)節(jié)都解析正確后，判定為合法GOOSE報(bào)文，再解析GOOSE協(xié)議數(shù)據(jù)單元。在解析時(shí)，對(duì)報(bào)文控制參數(shù)StNum(狀態(tài)變化次數(shù)序號(hào))、SqNum(重發(fā)序號(hào))、TimeAllowedToLive(報(bào)文存活時(shí)間)要進(jìn)行記錄和判斷，如出現(xiàn)問(wèn)題要報(bào)錯(cuò)。另外，要將初始化時(shí)的GoCB(GOOSE控制塊)與協(xié)議數(shù)據(jù)單元部分的GoCBReference、GoID、DataSet、ConfRev、NdsCom等參數(shù)比較，若不匹配則進(jìn)行相應(yīng)操作。其中，ConfRev是配置版本號(hào)，當(dāng)數(shù)據(jù)集改變時(shí)，該值加1。NdsCom為T(mén)rue時(shí)，需按照此報(bào)文的內(nèi)容更新GoCB。在解析alldata部分時(shí)，應(yīng)考慮到其數(shù)據(jù)類型的多樣化，首先判斷數(shù)據(jù)類型，然后調(diào)用不同的解析函數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

首先，將GOOSE通信系統(tǒng)與PC通過(guò)網(wǎng)線連接，測(cè)試在正常狀況下的報(bào)文重發(fā)與GOOSE觸發(fā)后的報(bào)文重發(fā)。用支持IEC61850的網(wǎng)絡(luò)抓包軟件MMS Ethereal在PC端監(jiān)視報(bào)文的接收情況。另外，將GOOSE通信系統(tǒng)與另一個(gè)具有以太網(wǎng)功能的開(kāi)發(fā)板通過(guò)網(wǎng)線連接，搭建一個(gè)GOOSE傳輸時(shí)間的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試GOOSE報(bào)文從一個(gè)終端傳到另一個(gè)終端的總時(shí)間。

4.1 報(bào)文結(jié)構(gòu)分析

GOOSE通信開(kāi)始后，從MMS Ethereal在PC端捕獲的報(bào)文中選取一幀，截圖如圖6所示。通信系統(tǒng)發(fā)出的報(bào)文可以被成功解析，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)GOOSE報(bào)文的組幀是正確的，將GOOSE的協(xié)議數(shù)據(jù)單元分析如下。

圖6 MMS Ethereal捕獲的GOOSE報(bào)文

A) Control Block Reference：GOOSE控制塊的引用，為GoCB的唯一路徑名，格式為L(zhǎng)DName/LLN0.GoCBName。

B) Time Allowed to Live：報(bào)文存活時(shí)間，即收到下一幀報(bào)文前等待的最長(zhǎng)時(shí)間，配置為20，為10 s。

C) DataSetReference：數(shù)據(jù)集引用，為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集的路徑。

D) Event Stamp：時(shí)間戳，該GOOSE事件發(fā)生的時(shí)間，而非報(bào)文傳送的時(shí)間。

E) State Number：狀態(tài)變化次數(shù)序號(hào)，表示GOOSE通信建立至今，引用的數(shù)據(jù)集發(fā)生變化的次數(shù)。

F) Sequence Number：重發(fā)序號(hào)，表示同一幀報(bào)文處于第幾次重發(fā)送。當(dāng)State Number改變時(shí)，該值重置為1。

G) Config Revision：配置版本號(hào)，若數(shù)據(jù)集成員被刪除、重新排序等，需要將該參數(shù)加1。

H) Needs Commission：表示是否需要對(duì)GoCB進(jìn)行重新配置。

I) Data：數(shù)據(jù)集，包含需要傳送的數(shù)據(jù)，可以是多重?cái)?shù)據(jù)類型。

4.2 可靠性分析

GOOSE通信開(kāi)始后，將MMS Ethereal捕獲到的多幀GOOSE報(bào)文的時(shí)間按先后順序排列，如圖7所示。報(bào)文7、8、9表示在沒(méi)有GOOSE事件的情況下，報(bào)文以5 s為周期重發(fā)送。報(bào)文10為GOOSE事件發(fā)生時(shí)，跳出5 s周期的循環(huán)，重新組幀發(fā)送的一次全新的GOOSE報(bào)文。之后，分別以2 ms、2 ms、4 ms、8 ms為間隔重發(fā)四次報(bào)文，再回到以5 s為周期重發(fā)送(報(bào)文15)。

圖7 捕獲報(bào)文的時(shí)刻

這樣的重發(fā)送機(jī)制增強(qiáng)了GOOSE通信的可靠性：A) 當(dāng)某一幀報(bào)文遺失時(shí)，系統(tǒng)的功能將不會(huì)受到影響；B) 持續(xù)地監(jiān)測(cè)GOOSE的發(fā)布者是否處于正常的工作狀態(tài)；C) 結(jié)合重發(fā)送報(bào)文中的State Number和Sequence Number可以用來(lái)判斷網(wǎng)絡(luò)入侵情況，在無(wú)加密的情況下最大程度地加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)安全。

4.3 實(shí)時(shí)性分析

在IEC61850-5中規(guī)定，傳輸時(shí)間計(jì)時(shí)從發(fā)送方把數(shù)據(jù)內(nèi)容置于其傳輸棧頂時(shí)刻開(kāi)始，直到接收方從其傳輸棧頂中取走數(shù)據(jù)時(shí)結(jié)束。本設(shè)計(jì)搭建的測(cè)試平臺(tái)如圖8所示，a、b、c之和即為總的傳輸時(shí)間。

圖8 測(cè)試平臺(tái)示意圖

本系統(tǒng)和具有以太網(wǎng)通信功能的FPGA系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)線連接，直接組網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)本系統(tǒng)發(fā)送，F(xiàn)PGA系統(tǒng)接收。在發(fā)送端，發(fā)送命令開(kāi)始前點(diǎn)亮發(fā)送指示燈；在接收端，收到報(bào)文后，點(diǎn)亮接收指示燈。示波器通道一探頭連接發(fā)送指示燈，通道二探頭連接接收指示燈。在GOOSE事件到來(lái)時(shí)，用示波器觸發(fā)模式捕捉到波形如圖9。

圖9 通信時(shí)間測(cè)試結(jié)果

由圖9可知，GOOSE報(bào)文從發(fā)送到接收總共耗時(shí)16 μs，能夠較好地滿足IEC61850對(duì)GOOSE的實(shí)時(shí)性要求。

5 結(jié)論

分析了基于IEC61850的GOOSE機(jī)制，重點(diǎn)闡述GOOSE的映射方式和傳輸控制。在此基礎(chǔ)上給出基于ARM的GOOSE通信系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方法。通過(guò)抓包實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)GOOSE報(bào)文組幀的正確性和重發(fā)送機(jī)制；通過(guò)通信試驗(yàn)測(cè)試該系統(tǒng)的通信時(shí)延為16 μs。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠滿足GOOSE通信的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

與市面上基于FPGA的GOOSE通信系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)成本低，系統(tǒng)集成度高，通信時(shí)延小。FPGA的I/O引腳多，在開(kāi)關(guān)量輸入輸出方面更有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)開(kāi)關(guān)量輸入輸出較多時(shí)，采用ARM和FPGA結(jié)合的方案[17]，將ARM作為核心控制器，F(xiàn)PGA作為引腳拓展，能更好發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，能較好地完成GOOSE通信任務(wù)，在智能變電站領(lǐng)域有一定的應(yīng)用前景。

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(編輯 葛艷娜)

GOOSE communication system based on ARM

DUAN Xiongying, YIN Ruihan, MENG Han, LIU Zhiheng

(Dalian University of Technology, Dalian 116000, China)

To implement GOOSE communication based on IEC61850, the mapping way and transmission control of GOOSE communication are analyzed firstly. Then a GOOSE communication system based on ARM is introduced. Furthermore, the hardware architecture and software design of the system are explained. During the experiment, protocol data unit of GOOSE is analyzed in detail, GOOSE repetition mechanism is verified, and time consumption of communication is measured. Through communication test, it is found that the system could meet the requirement of IEC61850 in real-time feature and reliability. In conclusion, the simple architecture and low cost of the system proposed make it useful in broad application in intelligent substation. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51337001 and No. 51477024) and Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. DUT13YQ102, No. DUT14ZD201, and No. DUT15ZD234).

GOOSE; IEC 61850; ARM; intelligent substation

10.7667/PSPC151326

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51337001)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51477024)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(DUT13YQ102,DUT14ZD201,DUT15ZD234)

2015-07-31；

2015-11-23

段雄英(1974-)，女，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄芑邏弘娖骷爸悄軝z測(cè)技術(shù)的研究，著重研究高壓電子式互感器和相控開(kāi)關(guān)技術(shù)；尹睿涵(1991-)，男，通信作者，碩士研究生，研究方向?yàn)榛贗EC61850的智能變電站通信。E-mail: 09yrh@ mail.dlut.edu.cn