智能化水电厂中GOOSE通信的应用研究

姜 鑫

（南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京 210003）

水电厂是发电行业的重要组成部分，随着国家电网公司提出 “发展以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，以信息化、自动化、互动化为特征，自主创新、国际领先的坚强智能电网”，智能化水电厂已明确成为水电厂自动化领域发展的主流方向，未来水电厂建设的标准。智能化水电厂的实现，依靠建立全厂统一的通信标准和统一的数据对象模型。

IEC61850标准是基于计算机网络通讯平台的电力自动化系统与网络系统国际标准，已在智能变电站中广泛应用并取得了很好的成效。针对水电自动化领域，IEC已经正式发布了水电厂监控通信标准IEC61850-7-410和水电厂建模思想与导则标准IEC61850-7-510，这2个标准的出台为智能化水电厂的建设奠定了坚实的基础。

1 GOOSE简介

面向通用对象的变电站事件GOOSE（generic object oriented substation event）， 是 IEC 61850 标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的机制。它主要用于实现在多IED之间的信息传递，包括传输跳合闸信号（命令），具有高传输成功概率。智能化水电厂智能硬件设备采用GOOSE网络传输代替传统的硬接线实现开关位置、闭锁信号和跳闸命令等实时信息的可靠传输。

1.1GOOSE的通讯机制

GOOSE报文的发送并不是按固定时间间隔来发送的。在没有GOOSE事件发生时，GOOSE报文的发送按一个较长的时间周期传送数据，但是在发生事件时，数据发生了变化，发送时间间隔就会以较快的速度重复发送3次。在此阶段，发送时间间隔会逐渐增大，直到事件状态稳定，GOOSE报文的发送又变为固定长时间间隔。

如图1所示，稳定状态下的较长传送间隔为T0（一般叫心跳间隔），当发生了数据变化时不管上一次何时传送，都立刻进行新数据的快速重复发送（T1为最快重传间隔，发送2次）。心跳间隔T0和最快重传间隔T1可自行定义；T2和T3为从突发到稳定传输的过渡重传时间，对T2和T3的取值标准并没有任何规定，工程应用中很多厂商采用了指数增加主次翻倍的算法，即T3=2T2=4T1。

图1 事件传输机制示意Fig.1 Event transfer mechanism diagra m

2 GOOSE在智能化水电厂的应用

智能化水电厂是以先进、可靠、集成、环保的智能电子设备为基础，实现一次设备智能化、二次设备网络化、全厂数据共享互动化，完成全厂信息采集、传输、分析、处理的统一信息平台，实现水电厂的自动运行控制、智能分析决策等高级应用功能，实现信息化、自动化、互动化。

图2 智能化水电厂总体架构Fig.2 Overall structure of smart hydropower station

结合水电厂的生产现状，提出智能水电厂系统结构框架，如图2所示。智能水电厂硬件设备的对外通讯按照IEC61850标准设计，设备与厂站层上位机系统之间采用MMS协议通讯；间隔层和过程层中智能终端之间交互信息采用GOOSE协议通讯。

2.1 IEC61850建模简介

IEC61850提供了基于XML的变电站配置语言（SCL），标准化了变电站系统和装置配置的描述方法。逻辑节点中的可选项、公共数据类、各种控制块等都可以使用该语言进行灵活配置。

IEC61850-7规范了数据模型、服务及建模方法[1]。IEC61850采用面向对象的建模思想对设备进行建模，满足应用开放性的操作需求；IEC61850面向对象的数据自描述方法，是各厂家装置互操作的基础，数据接收方订阅的数据都带有数据自我说明，不需要工程重新对应或转换。

IEC61850建模的总体规则需要满足同一个功能对象相关的数据以及数据属性，应建模在该功能对象中；同多个功能相关或同全系统功能相关的数据，应建模在公共的逻辑节点或者逻辑设备中[2]。图3所示为IEC61850的建模过程。

图3 61850建模过程示意Fig.3 61850 modeling process diagram

2.2GOOSE通讯建模

1）发布方装置通过定义GOOSE发送数据集（dataset）和GOOSE控制块，用于定义发送的数据。

2）订阅方装置通过定义INPUTS用于定义其GOOSE输入。

订阅方根据发布者icd文件，配置自身inputs的 ExRef部分。Inputs由外部ExtRef和intAddr构成，将发布方与接收方进行连接，相当于将内部信号与发布信号的关联。通过Inputs可以知道关联信息的级别是DO还是DA，如果属性daName为空，则关联级别为数据对象DO。

2.3 GOOSE报文结构

GOOSE报文中主要分为网络参数、GOOSE参数和GOOSE数据，GOOSE数据如图4。

图4 Goose报文结构Fig.4 GOOSE message structure

2.3.1 GOOSE网络参数

MAC目的地址正确的网络配置参数是GOOSE报文正确通信的基础条件。其中的组播MAC地址必须保证唯一，接收方根据该MAC地址，判断是否是订阅的报文。GOOSE规约建议组播MAC地址的取值范围为01-0C-CD-01-00-00到01-0C-CD-01-01-FF。

MAC源地址装置板卡的物理地址。

2.3.2 GOOSE参数

802.1q的TAG标签即goose优先级TAG由报文类型标识码TPID（0x8100）和TCI组成。TCI中的虚拟局域网ID（VID）默认为0，默认优先级为4，在基于优先级传输报文时，优先级高的报文优先被传输。

Ethertype0x88B8表示GOOSE以太网报文类型。

APPID应用标识GOOSE APPID取值范围为0～0x3FFF；IEC61850建议每1个GOOSE控制块的APPID值应全站唯一。当网卡接收数据帧时，应用程序首先会判断APPID的值，如果其与配置文件中预先配置的值一致才继续解析报文，否则丢弃报文。

2.3.3 GOOSE数据

关于GOOSE PDU中的有效时间t：对于一个重发的GOOSE报文，会在报文中附带1个y有效时间t的参数。该参数告知接收方等待下一个重发的GOOSE报文的最长时间，如果在该时间内，接收方没有收到重发的报文，就可以认为是发生了通讯中断。一般地t=2T0，t主要用于GOOSE断链的判断，在2倍的t时间内未收到下一帧报文，接收方即发出GOOSE断链告警。

2.4 GOOSE传输可靠性和实时性分析

GOOSE通信采用的是发布/订阅模式，发布者和订阅者之间报文传输通信关系的重要特征是缓冲型工作方式[3]。即最近产生的事件覆盖已在网络上传输的事件。

GOOSE报文为多播报文，多播报文在交换机中如果不进行任何处理，就是广播转发。这可能引起网络符合瞬时过重而丢失报文。考虑到通信的缓冲型工作方式，交换机选择存储转发式交换机，交换机最好采用带有优先级的，可以减少报文在交换机中的传输等待时间[4]。

由于在过程层与单元层中仅有部分智能设备IED之间有GOOSE报文交换，因此可以把这些IED划为同一个VLAN，通过对其进行VLAN划分，可以使其成为一个独立的子网。由于VLAN之间相互隔离，每个VLAN内部的广播报文不会转发到其他VLAN中，因此每一个VLAN成为一个独立的广播域，从而有效地解决了过程层大量广播报文带来的带宽消耗和广播风暴的问题，减轻了设备的数据处理负担，保证了GOOSE报文传输的实时性和可靠性。

2.5 GOOSE通讯配置流程

模型建立结束后，各IED厂家根据拿到的模型文件导出相应配置文件供装置进行测点映射实现通讯服务。GOOSE通讯配置流程如图5所示。

图5GOOSE通讯配置流程Fig.5 GOOSE communication configuration process

3 结语

IEC61850作为智能化水电厂通信国际标准，实现了“一个世界、一种技术、一个标准”的工业控制通信目标。GOOSE作为IEC61850标准中对报文传输时间和可靠性要求较高的通讯协议，能够完成了智能化水电厂中智能设备之间、智能设备与主智能测控装置之间的通讯。结合实际，较完整地描述了GOOSE在智能化水电厂设备建模过程，给出了GOOSE协议在智能设备中通信流程，为今后的开发和实现提供参考价值。

[1]彭志强，朱辰.IEC61850在智能水电厂应用的相关技术[J].水电厂自动化与大坝监测，2011，35（4）：6-9.

[2]IEC61850-7 Communication Networks and Systems in Substations：Part 7-1 Basic communication structure for substations and feeder equipment-principles and models[s].IEEE，2003.

[3]张利.IEC61850标准GOOSE技术在配电自动化中的应用和实现研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[4]王聪，张毅，文正国.水电站监控系统中MMS通信协议的应用研究[J].水电站机电技术，2013，36（3）：9-11.