智能變電站GOOSE通信異常分類研究及影響分析

王進虎，王 娜

(1.天津送變電工程有限公司，天津 300000；2.天津市電子信息技師學院，天津 300350)

GOOSE是用報文方式表示的一種面向通用對象的變電站事件是IEC61850中規(guī)定的一種對快速報文進行可靠傳輸?shù)臋C制，也采用“發(fā)布-訂閱”的模式。與SV通信服務(wù)不同之處在于SV通信服務(wù)是對采樣值進行傳輸，GOOSE通信服務(wù)主要是用于各種事件傳輸，如智能變電站內(nèi)各種IED設(shè)備相互之間的實時信號傳輸。GOOSE報文實時傳輸?shù)男畔ǎ罕Ｗo裝置到智能終端的跳、合閘命令、遙控命令；各種保護裝置間的信息，如線路保護到母差保護的分相啟動失靈開入、閉鎖重合閘、遠跳等；一次斷路器隔離開關(guān)設(shè)備的遙信信號，包括斷路器隔離開關(guān)分合位、低氣壓告警、壓力低閉鎖跳合閘等；間隔層的聯(lián)閉鎖信息等[1]?；贕OOSE傳輸信息的重要性，GOOSE通信狀態(tài)對智能變電站的正常運行至關(guān)重要。

1 GOOSE通信技術(shù)

在常規(guī)變電站中各裝置之間的信號傳輸是通過電纜硬接線實現(xiàn)，每根電纜線芯只能傳輸一個信號的狀態(tài)。在智能變電站中采用了GOOSE通信服務(wù)利用網(wǎng)絡(luò)傳輸代替了常規(guī)的電纜，不僅大大減少了電纜的使用，節(jié)省了投資造價，而且可以實現(xiàn)對電纜線芯的實時監(jiān)測。GOOSE通信服務(wù)在數(shù)據(jù)傳輸過程中能夠?qū)崟r監(jiān)測通信鏈路是否正常，實現(xiàn)整個裝置之間二次回路實時監(jiān)測，有利于開展運維工作，并且由于二次電纜使用減少，也大大減少了智能變電站內(nèi)直流接地、絕緣破壞等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

IEC61850-7-2定義的GOOSE服務(wù)模型使輸入、輸出數(shù)據(jù)值在整個智能變電站系統(tǒng)范圍內(nèi)快速、可靠地傳輸成為可能。目前智能變電站工程應(yīng)用中GOOSE報文的發(fā)送機制如圖1所示。其中T0為心跳時間，其意義是發(fā)送端在裝置正常的情況下，無狀態(tài)變位時，每隔T0時間裝置會發(fā)送1幀報文，用于傳輸當前各通道狀態(tài)，該報文又稱為心跳報文。正常運行時，GOOSE報文以T0時間間隔循環(huán)發(fā)送，每幀GOOSE報文的信息相同。當數(shù)據(jù)集中的任意一個數(shù)據(jù)成員狀態(tài)發(fā)生變化時，裝置會立刻停止心跳報文發(fā)送，立即發(fā)送整個數(shù)據(jù)集的事件變化報文，此時發(fā)送間隔被縮短T1。變化后的GOOSE報文發(fā)送完成1次后，GOOSE服務(wù)器將以最短時間T1再次發(fā)送1幀相同的報文，通過這種方式將變化的GOOSE報文快速重傳2次。在3次快速傳輸完成后，GOOSE報文的發(fā)送間隔將再次拉長，分別以T2、T3時間間隔各發(fā)送1次GOOSE報文，最后又將進入穩(wěn)態(tài)傳輸過程，以T0時間間隔循環(huán)發(fā)送心跳報文[2]。

圖1 GOOSE報文發(fā)送機制

在國內(nèi)工程應(yīng)用中，根據(jù)相關(guān)的規(guī)范，GOOSE報文的心跳時間T0一般設(shè)置為5000 ms，2倍的GOOSE報文心跳時間即2T0稱為GOOSE報文允許生存時間。T1一般設(shè)置為2 ms，T2一般設(shè)置為4 ms，T3一般設(shè)置為8 ms。在接收裝置一端如果接收報文的時間超過2T0仍未接收到下一幀GOOSE報文，裝置報出告警信號，以此判斷為GOOSE通信中斷，從而監(jiān)視通信狀態(tài)是否正常，實現(xiàn)實時在線監(jiān)測。這樣就能夠克服傳統(tǒng)的電纜連接方式無法對電纜線芯進行實時監(jiān)測的弊端，能夠大大提高智能變電站二次回路的可靠性。

2 GOOSE通信異常分類及影響分析

在智能變電站中GOOSE通信的實現(xiàn)需要在ICD文件中預(yù)先定義GOOSE控制塊，配置好GOID、APPID等參數(shù)，在設(shè)置過程中保證全站的唯一性，根據(jù)SCD文件的通信配置具體實現(xiàn)相應(yīng)的GOOSE功能。虛端子模型也同樣適用于GOOSE通信，并且只允許一對一或者一對多的連接方式，不支持多對一[3]。當報文出現(xiàn)配置文件不一致時，接收方送出告警信號，具體判斷依據(jù)是配置版本號及DA類型不匹配。當GOOSE通信中斷時應(yīng)送出告警信號，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)斷鏈告警。GOOSE斷鏈不是斷鏈后立即發(fā)出的，而是在2倍心跳報文的時間內(nèi)沒有接收到下一幀報文才發(fā)出斷鏈告警，雙網(wǎng)通信時需要分別設(shè)置雙網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)斷鏈告警。

發(fā)送方智能設(shè)備GOOSE報文發(fā)送實施過程是當裝置啟動完成后，GOOSE控制塊會自動使能，當數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)均完成初始化后，智能設(shè)備會將數(shù)據(jù)集變位情況統(tǒng)一發(fā)送1次，將GOOSE數(shù)據(jù)集內(nèi)的信息初始狀態(tài)迅速告知接收方智能設(shè)備。對于220 kV及以上電壓等級的智能變電站，由于保護裝置需要雙重化配置，對于組網(wǎng)方式的通信，GOOSE通信需要采用A、B雙網(wǎng)的方式實現(xiàn)，使2套保護裝置間完全隔離。采用直接跳閘方式的所有GOOSE網(wǎng)口同一組報文應(yīng)同時發(fā)送，除源MAC地址外，報文內(nèi)容應(yīng)完全一致，系統(tǒng)配置時不必體現(xiàn)物理網(wǎng)口差異[4]。

接收方的智能設(shè)備具有相應(yīng)的GOOSE接收機制來保證通信的正常進行。在智能變電站中接收方的智能設(shè)備在收到GOOSE報文時，要對接收到的報文進行嚴格的檢查，確保報文的格式和內(nèi)容符合相應(yīng)的規(guī)范及現(xiàn)場實際要求。檢查的具體內(nèi)容主要包括AppID、GOID、GOCBRef、DataSet、ConfRev 等參數(shù)是否與接收方智能設(shè)備的配置文件內(nèi)容一致。接收方接收GOOSE報文過程中要判斷通信是否中斷或者發(fā)送方裝置是否出現(xiàn)故障。當檢測到通信中斷或發(fā)送方配置版本不一致時，接收方的裝置處理方式是保持GOOSE接收信息與中斷前一致，只有個別的如啟動失靈開入等要清零處理。間隔層裝置虛端子通常不關(guān)聯(lián)時標采用本裝置時標。GOOSE報文無論是直接傳輸還是經(jīng)過交換機組網(wǎng)傳輸，接收方收到報文的時刻都不是真正變位的時刻，因此，智能終端要在發(fā)出該報文時帶UTC時標信息，用來標注發(fā)生變位的絕對時間，以便其他智能設(shè)備使用該GOOSE報文能夠獲取具體的變位時刻[5-6]。

GOOSE通信異常時發(fā)出的告警信息主要有接收報文的配置不一致和GOOSE通信鏈路中斷告警。同時GOOSE通信告警與SV通信告警也有相似之處，引起原因也主要分為智能電子設(shè)備配置文件和通信鏈路物理連接兩大類。GOOSE報文中的AppID、GOID、GOCBRef、DataSet、ConfRev等參數(shù)正確與否會直接影響GOOSE通信的狀態(tài)。

a.配置文件異常對GOOSE通信的影響

在配置版本ConfRev、配置的數(shù)據(jù)集數(shù)目、數(shù)據(jù)集對應(yīng)位置的數(shù)據(jù)類型不一致時接收方裝置會報出配置文件出錯或者不一致等告警信息。例如：在GOOSE數(shù)據(jù)集中跳閘命令的數(shù)據(jù)屬性為BOOL，各種隔離開關(guān)、斷路器分合位置的數(shù)據(jù)屬性為Bstring，電流電壓交流采樣值的數(shù)據(jù)屬性為P，標準的時標數(shù)據(jù)屬性為Utctime，額定延時的數(shù)據(jù)屬性為C等。各種不同的數(shù)據(jù)成員都對應(yīng)于自己的數(shù)據(jù)屬性，當數(shù)據(jù)成員的屬性不正確時，接收方的智能電子設(shè)備就會報出裝置配置文件出錯的告警。配置版本ConfRev在數(shù)據(jù)集成員刪除、類型改變、順序變化時相應(yīng)的配置版本會發(fā)生變化，如果發(fā)送方與接收方的配置版本不一致會導致兩者無法正常的通信。如果發(fā)送方與接收方中配置文件中的數(shù)據(jù)集條目數(shù)參數(shù)不同也會導致相應(yīng)的告警的信息出現(xiàn)。需要指出的是對于發(fā)送方的裝置，數(shù)據(jù)集條目數(shù)參數(shù)不能為0，否則相應(yīng)的數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)成員將無法發(fā)送。上述的情況會導致GOOSE通信異常，接收方的裝置將無法正常接收到相應(yīng)的信息，從而導致無法實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

接收方的裝置也會嚴格校驗所收到的GOOSE報文的MAC目標地址、VLAN和優(yōu)先級信息、APPID、GOID等參數(shù)與自身的配置參數(shù)是否一致。如果相關(guān)參數(shù)不一致會直接導致GOOSE通信鏈路中斷，接收方裝置會報出GOOSE鏈路中斷的告警。需要注意的是接收方的裝置在檢查相應(yīng)的MAC目標地址、VLAN和優(yōu)先級信息、APPID、GOID等參數(shù)時會嚴格區(qū)分英文字母的大小寫格式是否一致，因此需要特別注意。

b.物理鏈路異常對GOOSE通信的影響

物理鏈路異常對GOOSE通信影響至關(guān)重要，通信鏈路中斷的原因是由于通信鏈路中硬件設(shè)備損壞使得物理連接出現(xiàn)中斷。造成物理鏈路異常的原因包括智能設(shè)備裝置的光模塊端口損壞、光模塊端口衰耗過大、光纖衰耗過大、彎折損壞、光纖配線架中的光口法蘭損壞或衰耗過大、光纜與光纖配線架的熔接工藝不好導致衰耗過大等。此時由于物理鏈路已經(jīng)中斷，所以接收方的裝置將會發(fā)出GOOSE告警信息，同時裝置會閉鎖相關(guān)的裝置功能。

GOOSE異常通信或通信鏈路中斷會嚴重影響到相關(guān)保護功能實現(xiàn)，例如：當智能終端裝置接收保護裝置跳閘命令的數(shù)據(jù)集出現(xiàn)上述問題，保護裝置會正確動作，智能終端無法接收到相應(yīng)的跳閘命令，從而導致跳閘失敗。當母差保護接收線路保護裝置的啟動失靈命令時，鏈路異?；蛑袛?，將導致線路保護動作后雖然發(fā)出了啟動母差失靈的命令，但母差裝置無法正常接收到相應(yīng)信息的情形，使得母差失靈保護功能無法啟動，造成母差失靈保護拒動的嚴重后果。其他情況也是如此，當相應(yīng)的鏈路出現(xiàn)異常或中斷時，會影響到與之相關(guān)的保護功能實現(xiàn)，導致保護裝置無法動作或引起智能終端無法接收命令等問題。

3 檢修機制對通信狀態(tài)影響

在智能變電站中通信技術(shù)方案中無論是SV通信還是GOOSE通信都存在檢修機制問題。為了便于每一設(shè)備單體檢修測試，減少對運行監(jiān)控人員的干擾，智能變電站中合并單元、智能終端、保護測控裝置上均配置了“裝置檢修”硬壓板。智能變電站中保護裝置、合并單元、智能終端的檢修狀態(tài)切換是通過裝置檢修硬壓板開入實現(xiàn)的。檢修硬壓板不能遠方控制，只能就地操作，當檢修硬壓板投入時，表示裝置處于檢修狀態(tài)。裝置應(yīng)通過適當?shù)姆绞教嵝堰\維人員該裝置處于檢修狀態(tài)。智能變電站檢修硬壓板配置的目的與常規(guī)變電站相同，但由于智能變電站保護裝置的發(fā)展、數(shù)據(jù)傳輸方式的變化使得檢修機制的實現(xiàn)方式及對其他設(shè)備的影響有很大不同。智能二次設(shè)備的信息主要是以SV、GOOSE、MMS報文方式傳輸，檢修機制會對其產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

GOOSE報文檢修處理機制主要用于各種開關(guān)量傳輸。當某一個裝置處于檢修狀態(tài)時，該裝置所發(fā)送的GOOSE報文中的品質(zhì)位會置檢修位。接收方會將報文檢修位與自身裝置檢修狀態(tài)對比，當兩者一致時才將報文數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的邏輯運算。測控裝置則不同，當測控裝置檢修硬壓板投入或接收到的GOOSE報文中的檢修位任意一種情況發(fā)生時，裝置GOOSE報文中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)品質(zhì)位會置檢修位。

4 結(jié)束語

本文以天津范莊村220 kV新一代智能變電站為例，基于新一代智能變電站三層兩網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)的特點，詳細研究了GOOSE通信的要求和技術(shù)方案，提出了GOOSE通信異常的分類方式，分別分析了配置文件異常、物理鏈路異常對GOOSE通信的影響，檢修機制對GOOSE通信狀態(tài)影響,并通過工程實踐加以驗證，闡明了智能變電站現(xiàn)場調(diào)試及運行過程中針對GOOSE通信異常需注意的關(guān)鍵點，對現(xiàn)場實際工作有較好的指導作用。