基于南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站GOOSE 網(wǎng)絡(luò)跳閘報(bào)文解析及技術(shù)研究

劉正高 袁拓來

(廣東電網(wǎng)公司有限責(zé)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(wǎng)發(fā)布了《智能變電站二次系統(tǒng)通用設(shè)計(jì)規(guī)范》《Secondary system general design specification in smart substation》[1]。此規(guī)范中，要求南方電網(wǎng)新建110kV～500kV 的智能變電站，其二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)均按照規(guī)常規(guī)電纜的交流量采樣、GOOSE網(wǎng)絡(luò)跳閘模式。通過過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸GOOSE 報(bào)文，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的跳閘和合閘以及開入量信息的傳輸。本文通過分析GOOSE 報(bào)文在過程網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析軟件MMS-Ethereal 抓取GOOSE 跳閘報(bào)文并對(duì)其機(jī)構(gòu)解析，深入剖析GOOSE 報(bào)文的含義，作為智能站保護(hù)調(diào)試、故障排查的基礎(chǔ)。

2 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)跳閘的技術(shù)特點(diǎn)

在南方電網(wǎng)試點(diǎn)運(yùn)行的智能站中，過程層層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案有采用直接采樣和直接跳閘的方案?！爸辈芍碧钡倪^程層網(wǎng)絡(luò)接線方案達(dá)到繼電保護(hù)迅速性、可靠性的要求，但是由于保護(hù)裝置和智能終端、合并單元采用光纜點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，將造成光纜大量使用，過程層網(wǎng)絡(luò)信息沒有得到充分共享。和基于IEC-61850 協(xié)議的智能變電站信息共享、相互操作的設(shè)計(jì)初衷相去甚遠(yuǎn)。因?yàn)楹喜卧猄V 通信報(bào)文數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量很大，達(dá)到10Mbit/s 左右，不倫是對(duì)保護(hù)的網(wǎng)卡還是交換機(jī)都是很重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，采樣值交換機(jī)和合并單元的故障率上升，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或者拒動(dòng)。南方電網(wǎng)規(guī)范采用的常規(guī)采樣則可避免此類不穩(wěn)定因素。

繼電保護(hù)GOOSE 網(wǎng)絡(luò)跳閘與直跳相比，主要有以下特點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)跳閘的過程層組網(wǎng)模式下光纜接線簡(jiǎn)潔，GOOSE 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文充分共享訂閱。在保護(hù)檢修和運(yùn)維時(shí)，只要采取正確的安全措施即可確保安全隔離。而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的組網(wǎng)模式光纜數(shù)量多，和常規(guī)變電站的電纜連接相比優(yōu)勢(shì)不明顯。

3 GOOSE 報(bào)文通信機(jī)制

GOOSE 報(bào)文傳輸是按照2-2-4-8 的規(guī)律進(jìn)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(gè)時(shí)間T0=間隔發(fā)送一次當(dāng)前狀態(tài)，由于比較像有規(guī)律的心跳，故這種沒有變位且有規(guī)律的報(bào)文稱為心跳報(bào)文[2]。當(dāng)IED 裝置中的DATASETS(數(shù)據(jù)集)中任何一個(gè)DA(數(shù)據(jù)屬性)的數(shù)值發(fā)生突變，IED 裝置立即發(fā)送DATASETS(數(shù)據(jù)集)的所有數(shù)據(jù)。

圖1 GOOSE 心跳機(jī)制

其中T1==2ms T2==4ms T3==8ms T0==5s (在SCD 文件中可以設(shè)置心跳間隔時(shí)間)，多次快速重復(fù)確保GOOSE 信號(hào)可靠傳輸。生存時(shí)間（TAL-time Allowed to Live），是指GOOSE 報(bào)文的允許生命周期，IEC-61850 標(biāo)準(zhǔn)建議接收方IED 發(fā)生關(guān)聯(lián)丟失標(biāo)準(zhǔn)為T0 的2 倍。表1 為利用MMS-Ethereal 軟件抓取有GOOSE 報(bào)文變位時(shí)刻。

表1 GOOSE 報(bào)文傳輸時(shí)間間隔（單位:S）

GOOSE 報(bào)文的StNum 和SqNum 的數(shù)值變化嚴(yán)格遵守既定規(guī)則進(jìn)行計(jì)數(shù)。 StNum 表示數(shù)據(jù)集成員狀態(tài)的序號(hào)，數(shù)據(jù)集成員狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，則StNum 加1，SqNum 表示報(bào)文順序號(hào)，在正常發(fā)送報(bào)文幀的狀態(tài)下發(fā)出報(bào)文的幀數(shù)，IED 裝置每發(fā)出一幀報(bào)文，SqNum 自動(dòng)加1，每當(dāng)有GOOSE 數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)改變時(shí)，該值歸0，如果StNum 和SqNum 的序號(hào)中斷，則說明有報(bào)文丟失[3]。

表2 是表示的GOOSE 報(bào)文的StNum 和SqNum 變化規(guī)律，由表1 和表2 綜合分析可以知道，在序號(hào)為157344 的報(bào)文發(fā)生了狀態(tài)改變，由保護(hù)動(dòng)作事件變位發(fā)生。其報(bào)文不再按照心跳報(bào)文的時(shí)間間隔傳送GOOSE 報(bào)文，StNum 由7 變?yōu)?，SqNum由82 變?yōu)?，表示狀態(tài)發(fā)送了改變。

表2 StNum 和SqNum 變化規(guī)律

4 GOOSE 報(bào)文實(shí)例解析

4.1 GOOSE 數(shù)據(jù)幀構(gòu)成

GOOSE 在經(jīng)過特定通信服務(wù)映射（SCSM）映射到具體的通信協(xié)議棧后，其詳細(xì)幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 GOOSE 數(shù)據(jù)幀構(gòu)成

通過開通過程層交換機(jī)的鏡像端口的功能，圖3 為利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析軟件MMS-Ethereal 抓取一則220kV 線路保護(hù)PCS-931GMM-D GOOSE 跳閘報(bào)文。

圖3 MMS-Ethereal 抓取的GOOSE 跳閘報(bào)文

4.1.1 目的地址：對(duì)應(yīng)報(bào)文中的Dst，由于GOOSE 報(bào)文采用的是組播通訊模式，不是一對(duì)一的單播模式。所以目的MAC 邏輯地址就是區(qū)分GOOSE 報(bào)文的唯一地址。IEC-61680 通訊協(xié)議集規(guī)定，對(duì)于GOOSE 目的地址前三字節(jié)為“01-0C-CD”，表示網(wǎng)絡(luò)組播模式。第4 字節(jié)使用“01”表示GOOSE 報(bào)文類型，第5 和第6 字節(jié) 在“00-00”-“3F-FF”取值。

IED 裝置MAC 過濾算法計(jì)算判斷GOOSE 報(bào)文是否為該組成員。如是則IED 裝置CPU 進(jìn)行處理，否則丟棄報(bào)文。

4.1.2 源地址:本例中00:10:00:00:01:03 為GOOSE 報(bào)文打包時(shí)分配的地址，由每個(gè)裝置自動(dòng)分配，不是實(shí)際的網(wǎng)卡地址，源地址滿足Mac 地址規(guī)則，實(shí)際應(yīng)用不作業(yè)務(wù)判斷。

4.1.3 VLAN 和用戶優(yōu)先級(jí)：Vlan 優(yōu)先級(jí)共分為0～7 共8 個(gè)等級(jí)，其中0 優(yōu)先級(jí)最低，7 優(yōu)先級(jí)最高。由于GOOSE 跳閘報(bào)文優(yōu)先級(jí)最高，需要快速發(fā)送，如果劃分Vland 推薦設(shè)置為7，不劃分Vland 則設(shè)置為0。

4.1.4 APPID：應(yīng)用標(biāo)識(shí)APPID 對(duì)應(yīng)IOS 通訊協(xié)議棧的應(yīng)用層，應(yīng)用程序判斷網(wǎng)卡收到的數(shù)據(jù)幀并解析APPID 的數(shù)值。如果APPID 和保護(hù)裝置中CID 配置好的APPID 一致，則解析報(bào)文，否則不作解析。需要確保GOID、APPID、MAC-Address 參數(shù)的唯一性。APPID 第1 字節(jié)由MAC-Address 的倒數(shù)第3、第2 字節(jié)的后一個(gè)字符組合而成，APPID 第2 字節(jié)取MAC-Address 的 最 后1 個(gè) 字 節(jié)， 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(bào)文中MAC 地址為01:0c:cd:01:01:03，其APPID 為1103。

4.1.5 長(zhǎng)度（PDU Length）：本例中PDU 長(zhǎng)度為174 個(gè)字節(jié)，它通過兩個(gè)字節(jié)來表示。是計(jì)算從APPID 開始到PDU 結(jié)束的字節(jié)長(zhǎng)度。

4.1.6 保留字段：在南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中則用在SV 報(bào)文中表示交換機(jī)延時(shí)累加值（ART）[5]。

4.2 PDU 中各參數(shù)的含義

4.2.1 Time Allowed to Live :表示GOOSE 報(bào)文生存允許時(shí)間，為10000 毫秒，如果接收端IED 在4T0即20 秒 內(nèi)沒有收?qǐng)?bào)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(huì)發(fā)出GOOSE 斷鏈告警，但是發(fā)送端的IDE 不會(huì)發(fā)斷鏈告警。

4.2.2 GOOSEID：該參數(shù)是每個(gè)GOOSE 消息的唯一標(biāo)識(shí)，屬于常規(guī)字符串類型，長(zhǎng)度不能超過65 字節(jié)。

4.2.3 TEST：檢修標(biāo)志，表示IED 裝置的檢修壓板投入，IED設(shè)備傳送的GOOSE 報(bào)文中的TEST 標(biāo)志=TRUE[4]。保護(hù)裝置嚴(yán)格遵守檢修機(jī)制，當(dāng)只有兩側(cè)的IED 裝置的TEST 標(biāo)志相同時(shí)，保護(hù)才動(dòng)作出口。

4.2.4 Config Revision：版本配置號(hào)是一個(gè)計(jì)數(shù)器，IED 在接收GOOSE 報(bào)文時(shí)嚴(yán)格檢查Config Revision 是否匹配，否則丟棄報(bào)文。

4.2.5 Number DataSet Entries：數(shù)據(jù)集成員的個(gè)數(shù)，本例GOOSE 報(bào)文中表中值為“19”，表示GOOSE 數(shù)據(jù)集包含19 個(gè)成員。表3 中列出PCS-931GMM-D 中數(shù)據(jù)集成員的定義，從中可以清晰的知道是保護(hù)B 相動(dòng)作，并啟動(dòng)B 失靈。

表3 PCS-931GMM-D 中數(shù)據(jù)集成員動(dòng)作情況解析

5 結(jié)論

南方電網(wǎng)在新建的變電站中均為智能變電站，且按照“模采網(wǎng)跳”組網(wǎng)方案實(shí)施[1]，在南方電網(wǎng)進(jìn)入大規(guī)模智能電網(wǎng)建設(shè)時(shí)代之際，由于智能變電站技術(shù)和傳統(tǒng)變電站有很大的差別，對(duì)于繼電保護(hù)的運(yùn)行維護(hù)和故障查找定位不可能像常規(guī)變電站一樣采用萬用表去測(cè)量控制回路的開入和開出電位，本文通過介紹通過利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析軟件MMS-Ethereal 從網(wǎng)絡(luò)低層研究GOOSE 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的通信機(jī)制和技術(shù)原理，對(duì)GOOSE 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文有更深入剖析和理解，為日后的智能變電站繼電保護(hù)的驗(yàn)收，調(diào)試和故障定位和排除提供幫助。