基于GOOSE协议的快速馈线处理

高立克 吴智丁 吴丽芳 徐学通

（1.广西电网公司电力科学研究院，广西 南宁 530023；2.能拓电力建设有限公司，江苏 南京 210024）

0 引言

配电网作为输电环节和用电环节的转换枢纽，在整个电网中起着至关重要的作用。而我们的配电网管理系统是以自动化配电设备为基础，应用计算机、自动控制、电子以及通信等技术对配电网进行在线和离线的智能化监控与管理，使配电网运行更加安全、可靠、高效和优质。配电网自动化终端完成配电网的各种远方监测和控制，用于采集、监测和控制配电网的各种实时、准实时信息。根据监控对象不同分为馈线终端（FTU）、配电变压器终端（TTU）、开闭所终端（DTU）。

馈线自动化（FA）指馈电线路的故障检测、定位、故障隔离及正常线路的恢复供电，包括架空、电缆线路的馈线自动化和开闭所的故障处理，主要通过配电网智能终端来实现。

1 传统馈线处理的方式

传统的馈线处理方式主要包括配电网主站集中式管理、配电管理子站区域性管理以及当地重合闸。以下简要说明：（1）配电网主站集中式管理。系统由安装在馈线开关处的终端装置DTU/FTU、配网通信子站、配网通信网及主站4部分组成。故障发生后，主站根据DTU/FTU上送的信息进行故障定位，隔离故障点并恢复非故障区段的供电。整个故障处理过程包含子站收集终端数据、子站转发数据至主站，主站启动故障定位-故障隔离，进行过负荷校验，计算网损，确定最佳恢复供电方案，此种方式由于通信环节较多，所以用时较长。（2）管理型子站区域性管理。配网管理型子站具有对所辖区域的故障管理功能，当所辖区域发生故障时，不依赖主站，依据所辖区域的配电线路拓扑，就地完成故障线路的隔离。整个故障处理的自动化动作主要是子站故障定位时间约1 s、子站执行故障隔离时间约2～6 s、主站收到子站执行隔离成功报文，启动故障恢复流程，共用时4～5 s。（3）当地重合闸。终端装置与重合断路器配合，组成具有控制和保护功能的自动开关设备，能够完成故障（包括短路故障和小电流接地故障）的检测与保护，与FTU柱上开关终端装置配合，按照预定的顺序自动进行开断和重合操作，排除瞬时故障、隔离永久故障点，最大限度地减少故障停电时间和停电范围。随着用户对配电网供电可靠性要求的提高，配网自动化系统需要在供电线路故障及时处理、非故障区域快速恢复供电方面作出努力。

2 GOOSE协议的引入

国际电工委员会（IEC）制定的《IEC61850变电站通信网络和系统标准》在变电站自动化系统得到了广泛应用，随着其技术的逐渐成熟和广泛应用，其技术和方法逐渐推广至变电站自动化以外的其他领域。我们将其引入到馈线自动化技术领域中。

GOOSE协议作为IEC61850的重要组成部分，其出发点是功能的分布式实现，它以高速地P2P（Peer-to-Peer）通信为基础，替代了传统智能电子设备（IED）之间硬接线的通信方式，为逻辑节点之间的通信提供了快速且高效可靠的方法。任一IED与其他IED通过以太网相联，可以为订阅方接收数据，也可以为发布方向其他IED提供数据。

GOOSE是一种实时应用，主要传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号。根据IEC61850标准的规定，GOOSE信号的通信延迟应小于4 ms。IEC61850实现GOOSE实时性采取的手段包括：IEC61850标准针对变电站所有功能定义了比较详尽的逻辑节点和数据对象，并提供了完整的描述数据对象模型的方法和面向对象的服务。这些抽象的通信服务、通信对象及参数通过特殊通信服务映射（SCSM）可映射到底层应用程序，其映射一般遵循MMS+TCP/IP+ISO/IEC8802.3模式，而GOOSE模型的报文传输映射实现比较特殊：应用层专门定义了协议数据单元PDU（Protocol Data Unit），经过表示层编码后，不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层和物理层，即传输层和网络层均空。这种映射方式的目的是避免通信堆栈造成传输延迟，从而保证报文传输、处理的快速性。基于GOOSE协议的实时性特征，将它推广应用到馈线自动化领域，从而达到快速馈线处理的目的。

3 GOOSE协议建模及快速FA功能的实现

3.1 智能配电网终端硬件构成

设备采用COLDFIRE硬件开发平台，硬件平台主要由系统电源模块、MMI板、主控板、GPRS模块及无线微功耗模块等组成。主板预留了这些模块的接口，同时主板直接完成三遥功能，无需其他的完成独立功能的遥测、遥控、遥信等功能插件。图1为其部分硬件结构图。

3.2 故障检测逻辑

要实现智能终端的馈线故障自动化处理，首先需要设备能够通过实时监测配电线路，检测线路所处故障状态。线路故障可分为以下几种状态：（1）正常态：检出正常的电压和电流。（2）失压/失流态：检出失压或失流。（3）涌流态：当装置在失压/失流态检出到过流，则判断为励磁涌流，延时确认后判为过流故障。是否屏蔽励磁涌流可通过控制字设定。（4）过流态：检出过流故障。（5）故障跳闸态：变电站出口或开关本体故障后跳闸。（6）重合闭锁态：变电站出口或开关本体一次重合闸失败后闭锁。

当装置检测到相应的信息故障后，会相应地发出跳、合闸指令或者作出相应的动作指令或是向其上一级上报信息。图2为故障检测逻辑状态转换图。

图1 智能终端硬件结构图

图2 故障检测逻辑状态图

3.3 VxWorks系统GOOSE协议栈的实现

图3 GOOSE通信协议栈

为保证快速FA处理的实时性，采用实时多任务操作系统VxWorks实现系统应用功能支撑。VxWorks嵌入式实时操作系统已广泛应用于工业控制、航天等实时性要求强的领域，支持多任务、中断、任务抢占式调度等机制，具备强大的网络功能响应速度快、实时性强、可靠性高，适合电力系统的应用。可以保证实时任务的快速响应，以满足继电保护可靠性和快速性的要求。为达到在Vxworks系统上应用GOOSE报文来传递开关消息的要求，需要在VxWorks系统平台上对GOOSE协议进行建模。GOOSE协议栈图如图3所示。

图3指明了GOOSE的通信协议栈：应用层制定的协议数据单元PDU，经过表示层编码后，不再经过TCP/IP标准协议的编码，直接映射到数据链路层和物理层。

GOOSE为了保证通信的实时性，采用了数据链路层直接传输报文。VxWorks网络协议栈（图4）基于开放系统互连（OSI）模型，但在数据链路层上增加了一个多路转换接口（MUX），以屏蔽不同网卡设备的差异性，协议统一调用发送函数进行数据发送，而此发送函数再调用具体网卡设备的发送函数。应用程序默认通过套接字和TCP/IP协议栈访问MUX，GOOSE应用不通过成熟的TCP/IP协议栈，而是直接由应用层访问MUX，实现从数据链路层将GOOSE协议数据传输给应用层程序。因而在MUX层绑定网络协议类型处理函数时需要对GOOSE协议进行绑定。

图4 VxWorks网络协议栈

MUX本身并不处理报文，只是对报文进行转发，即向上为各高层协议提供统一的数据接口、屏蔽底层的具体实现；向下与数据链路层上的多个增强型网络驱动（END）连接，目的是使底层驱动与高层协议保持独立。

由于快速报文服务直接由应用层访问MUX，故MUX上设计了一个快速通信接口（FCI）。在此FCI为应用提供了6个访问MUX的接口函数，同时为MUX提供回调函数中进行数据拷贝和简单分析后以信号量的方式通知应用。

3.4 基于GOOSE技术对等通信机制的快速FA方案

基于GOOSE技术的对等通信机制的FA模式是利用GOOSE广播报文方式在终端装置之间建立对等通信，进行高速数据交换，从而快速实现区域FA处理。且为了实现过程层GOOSE报文对优先级的需求，要求终端通信交换机支持IEEE802.1P和 IEEE802.Q 协议，服务质量（QoS）（优先级）、虚拟局域网（VLAN）的支持功能是其必要条件，平均失效间隔时间（MTBF）也是其选择的重要指标。

架空线FA示意图如图5所示。假设馈线开关K1/K2/K3/K4为4个相邻的馈线开关设备，其对应的终端装置FTU1/FTU2/FTU3/FTU4启动基于GOOSE技术的对等通信机制的FA模式。终端装置FTU采用光纤以太网对等通信，相互实时数据交换，实现配电环网快速自愈。当环网发生故障时，各相邻FTU通过光纤以太网快速相互交换信息，在300ms内自动切除故障区段，非故障区段供电恢复时间小于2 s。

图5 架空线FA示意图

假设变电站保护均为0s速断保护，配置有ts=500ms的一次重合闸，K1、K2、K3、K4均为线路上负荷开关。

当相间故障发生后，此时CB1速断跳闸，线路失电，FTU检测到故障的终端会主动与其左右相邻的终端装置进行对等通信，询问故障信息状态，当通信主动方终端收到前侧（电源侧）相邻终端的故障上报信息，而未收到后侧相邻终端故障上报信息时，其认为故障点在其后侧，启动隔离处理过程。

举例来说，常规状态下K1、K2、K3为闭合状态，K4为分状态。假设故障发生在K2与K3之间，当终端装置FTU2主动与其相邻开关上的终端装置进行对等通讯时，召唤FTU1和FTU3的故障信息，由于FTU1、FTU2检测到故障而FTU3没有检测到故障，FTU2判断故障点在其后侧，FTU2跳开自身开关，同时FTU2向FTU3发送跳闸信息，FTU3接收到信息后跳开，完成故障定位、隔离。故障点成功隔离之后FTU2向FTU4发送合闸信息，K4与K3之间由CB2恢复供电，CB1在N秒后进行一次重合闸，此时故障点已经隔离成功，CB1重合成功，CB1与K1和K1与K2之间由CB1供电，至此故障恢复完成。

按此方式进行的故障定位，我们的时间指标可控制在：故障判断过程＜35 ms（终端启动时间）；故障定位及隔离处理过程＜200ms（含开关动作时间100ms）。故障切除后，能保证CB1一次重合闸的成功。

4 配电网自动化发展方向

未来配电网技术的发展，除了应保证供电质量，迅速确定故障点，及时处理故障，恢复线路送电和降低网损外，还应不断提高用户的用电实时在线评判。

由于配电网采集和监控的信息要比调度能量管理系统大得多，而且由于设备或原始设计的缺陷，通过配电远方终端单元采集的实时数据量和控制量一般不到全部配网数据总量的10%。所以，应该依靠故障投诉管理、负荷管理、电量计费和用电营业管理等子系统收集的信息进一步弥补实时信息的不足，即加强与其他系统的数据共享，包括实时的、历史的参数和相关数据。

［1］王文松.馈线自动化实现模式综述［J］.西藏科技，2011（3）

［2］刘健，薛吉.工业以太网EtherNet/IP性能分析［J］.低压电器，2010（16）