GOOSE协议分析及其在工业过程控制中的应用

臧　峰　徐卫峰　吴　波　牛洪海

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京　211102)

GOOSE协议分析及其在工业过程控制中的应用

臧峰徐卫峰吴波牛洪海

(南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京211102)

摘要：面向通用对象的变电站事件(GOOSE)是IEC 61850规约的一个崭新应用，其采用点对点(P2P)通信模式。P2P模式消除了主/从通信方式和串行通信方式存在的缺陷，可以快速、可靠地传输数据。对GOOSE通信协议进行了分析，并使用GOOSE协议开发了一种工业过程控制器。该控制器取得了良好的应用效果。

关键词：面向通用对象的变电站事件(GOOSE)IEC 61850P2P通信协议数据传输数字化工业过程控制器变电站

IndustrialprocesscontrollerSubstation

0引言

面向通用对象的变电站事件(genericobjectorientedsubstationevent,GOOSE)是IEC61850系列标准中定义的一种通用变电站事件模型[1]。GOOSE在符合IEC61850的数字化变电站中得到了广泛的应用。目前基于GOOSE协议的分布式母线保护、分布式备自投和分布式低周减载等功能已经在工程中应用，并投入商业运行[2]。文献[3]设计了一种计算机数字控制器(computernumericalcontroller,CNC)，实现了一主多从、主从问答的控制，但是这种控制无法实现突发数据的上送，如果有突发数据只能等待主机轮询才能上送。文献[4]提出了一种基于ControlNet的控制器，但ControlNet的最大有效报文长度不能超过510B[5]。文献[6]提出了一种基于DeviceNet控制器，但是由于DeviceNet采用短帧结构，不适用于大量数据传输。因此，本文设计了一种基于GOOSE协议的控制器，GOOSE协议支持突发报文上送，并且最大有效上送数据可达1 518B，弥补了文献[3]～文献[6]提出的控制器缺陷。

1系统总体方案

本文设计的工业过程控制器采用主备冗余的方案，I/O单元采用A/B网冗余方案。主备控制器通过I/OA/B冗余网络与I/O站进行通信，但仅主控制器通过A/B网对I/O站发送控制命令，备控制器通过A/B网络与I/O站发送心跳数据，以判断链路的通断。当备控制器升级为主控制器后，原主控制器不再发送控制报文，由新升级的主控制器来发送。

主控制器的A/B网络同时向I/O站发送心跳报文，I/O站接收到报文后需要判断是A网心跳还是B网心跳，然后分别进行心跳回应。主控制器的A/B网络同时向I/O站发送GOOSE控制报文，I/O站接收到控制报文后需要判断是否执行此报文。

系统结构如图1所示。

2GOOSE报文机制

2.1GOOSE报文介绍

IEC61850-7-2标准定义的GOOSE服务模型可快速输入、输出数据，并采用一种特殊的重传机制，以保证传输数据的可靠性和实时性[7-9]。GOOSE是一种实时应用，为保证GOOSE报文传输的可靠性与实时性，IEC61850规定GOOSE通信协议栈如图2所示[9]。

图1　系统结构图

图2　GOOSE通信协议栈

GOOSE通信协议栈具有以下特点。

①GOOSE通信协议只使用了国际标准化组织开放系统互联(ISO/OSI)中的4层，可以显著提高数据传输的可靠性，并有效降低传输延迟。

②GOOSE协议在数据链路层采用IEEE802.1Q协议，保证了报文的优先传输，而且提高了GOOSE网络的安全性。

③GOOSE通信协议以点对点(peer-to-peer,P2P)通信为基础，有效降低了设备的维护成本。

④GOOSE应用层协议中包含了数据的有效性检测和GOOSE报文的丢失和重发机制，保证了报文的可靠传输。

⑤GOOSE采用以太网双绞线或光纤传输，传输速率可达到100MB/1 000MB，完全满足工业过程控制器对数据传输速率的要求。

2.2ASN.1编码

GOOSE传输协议在表示层使用ASN.1的BER规则编码，省略了传输层和网络层，可直接在链路层上收发数据，从而最大限度地节省了协议处理时间[2]。BER编码规则采用T-L-V格式进行编码。其中，T表示标签，L表示长度，V表示数据。数据V也可以是T-L-V组合[10]。具体格式如图3所示。

图3　T-L-V格式

根据BER的编码规则，数据的长度与其数值的大小相关。由GOOSE报文发送的相同数据，会由于其数值的变化而导致每帧报文的长度发生变化。相应地，在数据解码的时候也需要根据数据长度进行判断。因此，在编码时，由于事先不知道数据字节的长度，导致长度字节也不能确定。所以在本文设计通信协议编码时，需采用倒叙的方式，从后往前进行编码。

3软件设计

3.1GOOSE报文发送机制设计

本文设计的GOOSE通信协议采用单个板卡作为一个数据集进行数据传输，即控制器下发控制指令和板卡上送采集数据时，都是以整块板卡的数据作为一个通信单元。GOOSE通信采用订阅/发布式机制，不同于请求/响应式机制，这样设计的出发点是基于传输速率和网络资源的考虑[11]。为了防止网络负荷过重而造成GOOSE报文的丢失，采用GOOSE报文重发的机制，以保证数据传输的可靠性。在GOOSE报文传输时，采用0ms、1ms、2ms、4ms、8ms的间隔连续发送5次。如果此变量在接下来的时间内没有变化，再以5s为间隔，周期性地发送数据；如果有变化，重新以0ms、1ms、2ms、4ms、8ms的间隔发送。在GOOSE报文中，StateNumber序号代表传输数据的更新，SequenceNumber代表相同报文的重传次数[12]，报文发送流程图如图4所示。

图4　GOOSE双网冗余发送流程图

3.2GOOSE报文接收机制设计

由于本文设计的工业过程控制器与I/O单元之间是通过A/B双网进行通信的，所以当控制器或I/O单元接收到数据后，必须判断是A网接收的数据还是B网接收的数据，并且需要判断此数据是否重复接收。基于上述要求，本文对GOOSE协议的保留字段(Reserved1)进行了修改，代表发送报文的序号。当控制器或I/O单元接收到GOOSE报文后，把这个字段数据与本地保存的数据进行比较，如果接收数据不等于本地数据就进行数据更新，否则就代表是重复接收。根据GOOSE报文的发送机制可知，GOOSE采用了重传机制防止报文丢失。因此，又利用StateNumber和SequenceNumber，对接收数据进行二重校验。GOOSE报文的接收流程如图5所示。

图5　GOOSE双网冗余接收流程图

4性能分析

4.1实时性分析

IEC61850标准定义了报文传输延时，其定义如图6所示。图6中：Ta为报文发送延时，Tb为网络传输延时，Tc为报文接收延时[12-13]。

图6　传输时间定义示意图

报文的发送延时和接收延时与通信处理器的处理能力相关，本文不作讨论。

网络传输延时由以下5部分组成。

①交换机存储转发延时Ts f。

现在的交换机都是基于存储转发原理实现的，因此一台交换机的存储转发延时等于转发报文长度除以传输速率。以100MB的交换机为例，传输最大GOOSE报文1 518B所需要的交换机存储转发延时为122μs。

②交换机的交换延时Tsw。

交换机的交换延时取决于交换机芯片的处理能力，一般工业级100MB以太网交换机的交换延时不超过10μs。

③光缆传输延时Twl。

光缆的传输延时和光缆的长度有关，一般以光缆长度除以光缆光速(约为光速的2/3)作为光缆传输延时。以1km光缆为例，其传输延时约为5μs。

④交换机报文排队延时Tq。

交换机报文传输发生冲突时,采用先进先出的队列方式进行传输。分别考虑最不利的情况和最优情况下的报文传输延时。在最不利的情况下，当前报文需要等待交换机其他网口全部发送完数据后才能发送数据，即延时时间为(K-1)×Tsf，其中K代表交换机网口数量。最优情况不需要等待，立即发送，即等待时间为0。平均等待时间(K-1)×Tsf/2 。

经分析，通过一台24口交换机时的总延时为：

Tb=Tsf+Tsw+Twl+Tq=

122+10+5+(24-1)×122/2=

1 540 μs=1.54 ms

文献[14]通过网络实测，得出GOOSE报文的最大延时是1.5 ms，最小延时是0.9 ms，平均延时是1.17 ms，与本文理论分析吻合。

4.2可靠性分析

本文设计的控制器采用双网冗余的方式实现数据的传输，即使控制器与I/O单元之间有一条网络通信中断，仍能够正常工作。GOOSE双网是同时工作而非主备工作，这就减少了网络切换带来的时间差。

5结束语

采用基于GOOSE协议的工业过程控制器，能够快速、可靠地实现数据传输，极大地提高了控制系统的稳

定性与可靠性。GOOSE协议在电力系统继电保护中已经得到广泛的应用，但是在工业过程控制中还没有先例。本文设计的工业过程控制系统在实际应用中性能优良，能够可靠地实现控制指令的下发和采集数据的上传。

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GOOSEProtocolAnalysisandApplicationinIndustrialProcessControl

Abstract：As an innovative application of IEC61850 standard, generic object oriented substation event (GOOSE) adopts the communication mode of peer-to-peer(P2P).P2P mode eliminates the defects in the master / slave communication mode and the serial communication mode, which can transfer data quickly and reliably.The GOOSE communication protocol is analyzed, and a kind of industrial process controller is developed using GOOSE protocol, which achieves good application effect.

Keywords:Generic object oriented substation event(GOOSE)IEC 61850P2PCommunication protocolData transmissionDigitization

中图分类号：TH701;TP368

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606013

修改稿收到日期：2015-09-01。

第一作者臧峰(1983-)，男，2011年毕业于清华大学自动化专业，获硕士学位，工程师；主要从事电力系统自动化产品的研发工作。