智能变电站中的GOOSE虚端子的设计方法

吕相沅，赵志诚，张红莲，闫崇阳

(1.太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024；2.山西省运城市电力设计院，山西 运城 044000)



智能变电站中的GOOSE虚端子的设计方法

吕相沅1，赵志诚1，张红莲2，闫崇阳2

(1.太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024；2.山西省运城市电力设计院，山西 运城 044000)

摘要：针对智能变电站信息网络化共享的特点，提出了一种GOOSE虚端子设计方法。通过对虚回路体系架构和GOOSE报文机制的分析，提出设计方案，方案内容包括GOOSE信息流图、虚端子图、逻辑连线图、虚端子逻辑联系表等内容，可以解决智能变电站保护装置GOOSE信息无接线、无端子、无接点、设计方式难以表现等问题，直观反应SV、GOOSE信息，供不同的专业人员查阅。

关键词：智能变电站；虚端子；GOOSE；逻辑接线

数字化保护测控装置的出现，将传统变电站二次部分的设计方法进行了很大程度上的颠覆。对于装置所言，过程层的设备包含了大量节点信号开入和流出，继电器的接口，交流输入和开关的操作回路，光纤接口的诞生替代了原有的接线端子的传统概念，同时网络化的光缆替换了原有一对一的接线电缆[1]。保护测控装置的数字化使得其特性越来越像一个黑匣子，保护所需的外部特性能够被ICD(IED Capability Description，IED能力描述文件)文件来描述。而GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event，面向通用对象的变电站事件)、SV(Sampled Value，采样值)输入输出信号为在站内局域网络上传递的信号变量，可对应于传统屏柜的每个端子，与其存在一对一的关系，为了便于直观地理解这些GOOSE、SV信号，有部分学者提出了虚端子的这一虚拟性的概念。

常规变电站的二次部分工程设计是以二次接线为表现形式，变电站的智能化，使得传统电缆二次回路已不存在，所有信息全部隐含在光缆中，带来了信息难以查阅的问题。为此，文献[2]设计了一种SCD(Substation Configuration Description)智能比对软件，将SCD与虚端子表文件中各虚端子信息进行一一比对，检查正确性。文献[3]给出了一种变电站配置描述，其描述部分包括SCD文件和光缆清册。文献[4]采用提出了一种虚端子的表格统计方式，可以完整反映虚端子间的信息输送和连接。但上述方法都较为繁琐，信息重复的可能性大，容易出现错误。文献[5]改变了现有的设计观念，初次提出了保护装置GOOSE“虚端子”概念和GOOSE虚端子设计方式。但事实上，智能变电站中的每个GOOSE信息仍须通过大量的描述文件来进行一一比对配置。

基于文献[6]的设计方法，研究GOOSE虚端子的设计方法，在GOOSE信息流图、逻辑连线图、虚端子图、虚端子逻辑联系表等方面进行改进，实现了装置间的信息交互、共享以及点对点连接的效果。同时，针对智能变电站给出了一种GOOSE虚端子的设计方法，即GOOSE虚端子施工图智能设计软件，在设计环节中真正实现智能变电站的“数字平台、信息共享”的优越性。

1虚回路体系架构

针对智能变电站不再有硬电缆回路的这个概念，提出基于局域网络信息传递的快速性，实现站内信息通用共享的虚回路架构体系。进行的工作思路方法是对传统变电站基于闭合电回路网络归档而展开的，建立起智能变电站可供设计人员参阅调试的整套虚回路体系。该体系的主要研究内容包括：(1)建立起可表达虚回路间关联的，并且合适于系统和装置的SCL的标准体系；(2)创建切合于信息共享要求的自动化网络配置方法；(3)分析智能变电站所必需的种种器件，开展基于所需器件的工作流程和工作分工。智能变电站的虚回路体系以SCL虚回路标准体系和站内局域网络的自动分配装置为基础管理工具，以设计和系统集成器件、IED设备的配置器件、调试诊断器件为方法，在虚回路信息中，以包括全变电站配置描述虚回路信息的文件为中心，进一步达成站内IED设备和交换机基于统一站内局域网分享的信息库进行自动化配置的手段，包涵了智能变电站中从设计到施工调试，再到运行修护的各个环节，为智能变电站的全寿命期限提供服务[5]。虚回路各基本单元组成的虚回路系统框架如图1所示。

图1　虚回路体系架构

2GOOSE报文机制

GOOSE网络报文机制是一种描述面向通用对象的变电站事件的网络报文，这个概念与传统变电站中的开关量和开闭锁信号的意义相接近。GOOSE是一种由事件的发生而受到触发的报文，一般的通信情况下采用发布者/订阅者机制。为防止网络负荷过大的情况下可能会丢失GOOSE报文，同一个GOOSE报文会重复发送多次，而且报文重发的时间间隔并不是一直保持一致的，其时间隔断会逐渐增加，当重发时间隔断增大到最大值的时候，GOOSE报文将会不停地以最大时间隔断重发该报文，一直到有新的事件产生继而转发新的GOOSE报文。其中，T0为无事件发生的状况下，报文重新发送时间隔断(一般是1 024 ms)；(T0)为从稳态情况过渡到有突发事件的情况下，报文重新发送时间隔断(时间会因为有新的事件的产生会缩短)；T1为有新事件发生时，最短的报文重发时间隔断；T2和T3是重新达到稳态情况即无新事件发生的情况前的报文重发时间隔断(T1

图2　GOOSE报文传输机制原理图

GOOSE虚端子是指用于收发配置GOOSE信息的，在智能变电站的建设基础上，保护设备间的虚端子信号信息需要通过GOOSE报文来进行数据传递，通过导入描述配置文件，将上述GOOSE信号返回过程层中的其它IED装置，实现保护装置的信息交换。

3虚端子设计方案

GOOSE信息流图是在继电保护原理以及电气主接线图的基础上所建立起的，可体现其中某一间隔中的各保护装置间的逻辑关联原理结构，反应了装置之间的GOOSE信息数据流向，对变电站的二次部分GOOSE虚端子的设计起指导性作用。智能变电站典型间隔的保护GOOSE信息流图如图3所示。

3.2GOOSE虚端子图

GOOSE虚端子是文献[6]在基于设计方法的基础上，提出的一种虚拟端子，并不真实存在，它可以直观地反映各保护装置间的GOOSE信息输入输出信号，是在站内局域网络上传递通报GOOSE信号的起始位置或终端位置。

图3　母联间隔保护GOOSE信息流图

保护装置的GOOSE虚端子图反映了该保护装置的所有GOOSE虚端子信息。GOOSE虚端子可分为接入虚端子和接出虚端子两类，它的构成由3项组成，涵括了中文名称和虚端子号以及内部数据的属性。保护装置的开入逻辑1～i可界定为接入虚端子In11～Ini，开出逻辑1～j可界定为接出虚端子Out1～Outj.中文名称即该GOOSE信号的含义标注；内部的数据属性按照IED的应用模型来体现。

另外，GOOSE虚端子图还表示了保护装置的GOOSE软压板设置，便于调试、运维人员对GOOSE报文发送或接收的控制操作。

3.3GOOSE逻辑连线图

GOOSE逻辑连线是以保护装置的虚端子和GOOSE信息流图作为基础，依据继电保护的原理，对各GOOSE配置所表示的保护装置用连线的方式加以表达。GOOSE逻辑连线图是以间隔为单元进行设计，可以直观地反映各间隔内不同保护装置间GOOSE信号联络的全部内容，可供保护专业人员的调试和参阅。

翻转课堂在教学过程中的应用能够给教学带来新的教学资源，也能够带来新的教学理念，教师在教学过程中不再是主体，学生才是自身学习的主体。翻转课堂适应学生认知的特点、小学英语课堂教学的特点，从而能够很好地适应教学过程。翻转课堂的应用并不是一朝一夕的事情，还需要教师在教学过程中不断探索其应用的方法，以便提升其教学效果。翻转课堂是一种新兴的、以任务为主要学习形式的教学模式，为此，在小学英语教学阶段给学生明确提出预习的任务、设计自主学习的任务单是教学过程中重要的组成部分。在教学过程中任务设计的是否明确、清晰以及学生对任务的具体可操作性等内容都有其重要的作用。

例如，某一间隔的GOOSE逻辑连线1～k分别定义为LL1～LLk.GOOSE逻辑连线的起始位置是用某一保护装置的接出虚端子Outj来表示，而终端位置则可以用另一个保护装置的接入虚端子Ini来表现，一条GOOSE逻辑连线LLk可以表示不同保护装置间一个具体的逻辑连接关系，用编号的形式来表现，保护装置的输入虚端子号以特定的顺序来进行编号从而加以编排[6]。

3.4虚端子逻辑联系表

虚端子逻辑联系表是依据逻辑连线，即以虚端子的逻辑连线为根本，对各保护装置间的GOOSE信息配置以列表的方式予以整理，最终以表格形式表示。

虚端子逻辑连线及其对应的起点、终点构成了虚端子逻辑联系表，其中逻辑连线是由逻辑连线的名称和逻辑连线的编号LLk两项构成，逻辑连线的起始位置包含了起始位置的保护装置名称、虚端子Outj以及虚端子内部的数据属性三项，逻辑连线的终端位置涵括了终点的保护装置名称、虚端子Ini以及虚端子的内部数据属性三项[7]。虚端子关系如表1所示。

表1　虚端子关系表

虚端子逻辑联系表将有关于虚端子逻辑连线的全部相关信息系统化地予以整理，可以成为施工调试时的图纸依据。

4虚端子设计智能软件

4.1设计原理

GOOSE虚端子施工图设计智能软件应专门针对工程设计中电气控制系统设计的需求，建立以数据库为核心的计算机辅助设计软件。软件具有开放的图形及数据库平台，符合工程设计习惯，可以在网络环境下共享数据库，共享工程并实时更新，软件允许多个用户在同一时间工作于同一工程，同时具有开放的编程接口，可实现与管理软件及其他专业软件的无缝连接，真正实现设计管理的一体化。

GOOSE虚端子施工图设计智能软件应根据保护厂家提供的包含GOOSE装置信息的Excel文件，将Excel中罗列的GOOSE装置的虚端子号、虚端子信号的中文名称、虚端子信号在智能装置中的内部数据属性等信息导入到软件的数据库中，通过数据库的关联处理，自动提取数据库中的逻辑信息生成GOOSE装置的接线图。软件以逻辑电气原理为设计基础，用户在相关联的智能装置GOOSE配置两端各放一个电气线引线符号，软件自动识别将两装置关联，生成逻辑连线，并将此关联信息存储于数据库中，从而达到图库统一，最终可从数据库中提取关联信息自动统计光缆清册，显示光缆的电缆号、连接信息等。

4.2设计步骤

(1)读取Excel文件

厂家提供装置GOOSE相关的Excel表，在Excel表中罗列出GOOSE装置的虚端子号、虚端子信号的中文名称以及虚端子信号在智能装置中的内部数据属性等，软件将此Excel文件导入到数据库后，识别虚端子的信息以及其关联信息，并进行图表关联；软件将装置以及装置中的GOOSE虚端子等信息做为模板，实现图纸绘制的标准化。Excel的格式用户自定，软件具有标准开放的API接口，可读取不同格式的设计数据。

(2)生成GOOSE虚端子图

从数据库中读取虚端子的关联连接信息，并从图库中读取相应的模板，自动生成正确的GOOSE虚端子图。

图4　虚端子设计流程图

(3)生成逻辑连线图

在需要进行信号关联的智能装置的两端分别置放一个电气线引线符号(电气线引线符号是该软件的特殊功能属性。在电气线的两端放置同一电气线引线符号，则两电气线就会自动关联)，当电气线两端放置相同的电气线引线符号后，软件自动生成逻辑连线编号，逻辑连线编号为设定的电气线引线符号编号。

(4)生成GOOSE配置表

软件通过读取数据库中GOOSE装置的连接信息，自动生成GOOSE配置表，并进一步自动生成初步的光缆清册包括光缆编号、名称、输入输出信息等。软件的报表编辑器可供用户自定义清册模板，报表编辑器可供用户自定义清册模板，生成Excel、pdf、dwg等多种格式。

(5)基于数据库的及时更新

在数据库的支撑下，当输入条件变更时，可刷新生成的GOOSE虚端子相关的系列图，保证数据传递的正确和唯一性。

GOOSE虚端子施工图设计智能软件流程框图如图4所示。

4.3基于SCD的虚端子连接图形化展示方法

基于SCD虚端子构建的图形化展示系统支持各个厂家的SCD文件导入、解析、校验和展示，虚端子连接图形化展示方法支持设备连接图和端子排图两种展示方式。包括三个核心模块：SCD解析模块、SCD语法和语义校验模块及图形化展示模块，如图5所示。

SCD解析模块负责从SCD文件中提取出用以描述单个IED装置虚端子连接配置信息。SCD语法和语义校验模块负责上传的智能变电站SCD文件的完整性检查，同时基于CRC等校验算法再对提交的系统配置文件的语法、语义进行校验。图形化展示模块用直观表达的图形对SCD文件的连接关系进行展示[8-10]。

图5　智能变电站虚端子设计思路

5结论

本文针对智能变电站GOOSE虚端子技术的在110 kV新一代智能变电站的设计中，设计人员利用该套设计方法及智能设计软件对二次部分进行了设计。该套设计方法弥补了传统方法中设计人员需要进行的烦琐的手工配线工作；通过对GOOSE信息数据功能检测设备间通信连接的正确性；对于数字化变电站因光缆数量增多带来的问题，也可通过软件对光缆配线联接、信息流等信息进行汇总。随着国内新一代智能变电站工程的推广，该套设计方法将更加成熟可靠[11]。

参考文献：

[1]葛遗莉，葛慧，鲁大勇.数字化变电站设计运行中面临的问题[J].电力自动化设备，2010，30(12)：113-116.

[2]郑永康，陈吉，童晓阳，等.智能变电站SCD智能比对软件的设计与实现[J].四川电力技术，2014，37(5)：34-41.

[3]孙一民，裘愉涛，杨庆伟.智能变电站设计配置一体化技术及方案[J].电力系统自动化，2013，37(14)：70-74.

[4]孟正华.智能变电站虚端子设计初探[J].科技情报开发与经济，2012，22(7)：138-140.

[5]胡道徐，沃建栋.基于IEC61850的智能变电站虚回路体系架构[J].电力系统自动化，2010，34(17)：78-82.

[6]高亚栋，朱炳铨，李慧.数字化变电站的虚端子设计方法应用研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(5)：91-94.

[7]宋杰，高亮，鲍伟，等.基于协同测试系统的智能变电站GOOSE虚端子关联检测研究[J].电力系统保护与控制，2012，40(24)：138-142.

[8]刘曦，奚洪磊，钱碧甫.基于智能变电站SCD文件的虚端子图形化展示方法.电气应用建筑电气，2015，34(2)：97-100.

[9]蒲伟，马泽菊.智能变电站二次设计探讨[J].科技创新导报，2011，34：21-25.

[10]王秀梅.容城110 kV智能变电站的二次系统方案及实施研究[D].河北保定：华北电力大学，2012.

[11]曹楠，李刚，王冬青.智能变电站关键技术及其构建方式的探讨[J].电力系统保护与控制，2011(5)：63-68.

Design Method for GOOSE Virtual Terminal in Intelligent Substation

LU Xiang-yuan1，ZHAO Zhi-cheng1，ZHANG Hong-lian2，YAN Chong-yang2

(1.School of Electronics and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Yuncheng Electric Power Design Institute of Shanxi Province，Yuncheng 044000，China)

Abstract：Aiming at sharing information network for intelligent substation features，an entirely new design method of GOOSE virtual terminal is studied.Through the analysis of virtual circuit architecture and GOOSE message mechanisms，a method which includes virtual terminal，the logical link diagram，GOOSE configuration tables，etc.，is proposed.The design method can visually reflect GOOSE configuration of protection device，GOOSE connections between the protection device，etc..The problem that GOOSE information of protection devices in the digital substation has no link，no terminals，no contact and no wiring is solved，which directly reflects the information of SV and GOOSE for different professionals to read.

Key words：digital substation，virtual terminal，GOOSE，logic link

收稿日期：2015-08-26

作者简介：吕相沅(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为智能变电站在智能电网中的设计；通讯作者：赵志诚，教授，E-mail：zhzhich@126.com

文章编号：1673-2057(2016)04-0281-06

中图分类号：TM76

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.007