基于南网标准的智能变电站GOOSE 网络跳闸报文解析及技术研究

刘正高 袁拓来

(广东电网公司有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)

1 概述

从2018 年开始，南方电网发布了《智能变电站二次系统通用设计规范》《Secondary system general design specification in smart substation》[1]。此规范中，要求南方电网新建110kV～500kV 的智能变电站，其二次系统的设计和建设均按照规常规电缆的交流量采样、GOOSE网络跳闸模式。通过过程层网络交换机传输GOOSE 报文，实现开关的跳闸和合闸以及开入量信息的传输。本文通过分析GOOSE 报文在过程网络中传输的结构和特点，利用计算机网络分析软件MMS-Ethereal 抓取GOOSE 跳闸报文并对其机构解析，深入剖析GOOSE 报文的含义，作为智能站保护调试、故障排查的基础。

2 GOOSE 网络跳闸的技术特点

在南方电网试点运行的智能站中，过程层层网络组网方案有采用直接采样和直接跳闸的方案。“直采直跳”的过程层网络接线方案达到继电保护迅速性、可靠性的要求，但是由于保护装置和智能终端、合并单元采用光缆点对点连接，将造成光缆大量使用，过程层网络信息没有得到充分共享。和基于IEC-61850 协议的智能变电站信息共享、相互操作的设计初衷相去甚远。因为合并单元SV 通信报文数据网络流量很大，达到10Mbit/s 左右，不伦是对保护的网卡还是交换机都是很重的网络负荷，在经过长时间运行后，采样值交换机和合并单元的故障率上升，导致保护误动或者拒动。南方电网规范采用的常规采样则可避免此类不稳定因素。

继电保护GOOSE 网络跳闸与直跳相比，主要有以下特点。在网络跳闸的过程层组网模式下光缆接线简洁，GOOSE 网络报文充分共享订阅。在保护检修和运维时，只要采取正确的安全措施即可确保安全隔离。而点对点的组网模式光缆数量多，和常规变电站的电缆连接相比优势不明显。

3 GOOSE 报文通信机制

GOOSE 报文传输是按照2-2-4-8 的规律进行的。如图1 所示，其中T0=5 秒，表示心跳周期。IED 装置正常在每个时间T0=间隔发送一次当前状态，由于比较像有规律的心跳，故这种没有变位且有规律的报文称为心跳报文[2]。当IED 装置中的DATASETS(数据集)中任何一个DA(数据属性)的数值发生突变，IED 装置立即发送DATASETS(数据集)的所有数据。

图1 GOOSE 心跳机制

其中T1==2ms T2==4ms T3==8ms T0==5s (在SCD 文件中可以设置心跳间隔时间)，多次快速重复确保GOOSE 信号可靠传输。生存时间（TAL-time Allowed to Live），是指GOOSE 报文的允许生命周期，IEC-61850 标准建议接收方IED 发生关联丢失标准为T0 的2 倍。表1 为利用MMS-Ethereal 软件抓取有GOOSE 报文变位时刻。

表1 GOOSE 报文传输时间间隔（单位:S）

GOOSE 报文的StNum 和SqNum 的数值变化严格遵守既定规则进行计数。 StNum 表示数据集成员状态的序号，数据集成员状态发生翻转时，则StNum 加1，SqNum 表示报文顺序号，在正常发送报文帧的状态下发出报文的帧数，IED 装置每发出一帧报文，SqNum 自动加1，每当有GOOSE 数据发送状态改变时，该值归0，如果StNum 和SqNum 的序号中断，则说明有报文丢失[3]。

表2 是表示的GOOSE 报文的StNum 和SqNum 变化规律，由表1 和表2 综合分析可以知道，在序号为157344 的报文发生了状态改变，由保护动作事件变位发生。其报文不再按照心跳报文的时间间隔传送GOOSE 报文，StNum 由7 变为8，SqNum由82 变为0，表示状态发送了改变。

表2 StNum 和SqNum 变化规律

4 GOOSE 报文实例解析

4.1 GOOSE 数据帧构成

GOOSE 在经过特定通信服务映射（SCSM）映射到具体的通信协议栈后，其详细帧结构如图2 所示。

图2 GOOSE 数据帧构成

通过开通过程层交换机的镜像端口的功能，图3 为利用计算机网络分析软件MMS-Ethereal 抓取一则220kV 线路保护PCS-931GMM-D GOOSE 跳闸报文。

图3 MMS-Ethereal 抓取的GOOSE 跳闸报文

4.1.1 目的地址：对应报文中的Dst，由于GOOSE 报文采用的是组播通讯模式，不是一对一的单播模式。所以目的MAC 逻辑地址就是区分GOOSE 报文的唯一地址。IEC-61680 通讯协议集规定，对于GOOSE 目的地址前三字节为“01-0C-CD”，表示网络组播模式。第4 字节使用“01”表示GOOSE 报文类型，第5 和第6 字节 在“00-00”-“3F-FF”取值。

IED 装置MAC 过滤算法计算判断GOOSE 报文是否为该组成员。如是则IED 装置CPU 进行处理，否则丢弃报文。

4.1.2 源地址:本例中00:10:00:00:01:03 为GOOSE 报文打包时分配的地址，由每个装置自动分配，不是实际的网卡地址，源地址满足Mac 地址规则，实际应用不作业务判断。

4.1.3 VLAN 和用户优先级：Vlan 优先级共分为0～7 共8 个等级，其中0 优先级最低，7 优先级最高。由于GOOSE 跳闸报文优先级最高，需要快速发送，如果划分Vland 推荐设置为7，不划分Vland 则设置为0。

4.1.4 APPID：应用标识APPID 对应IOS 通讯协议栈的应用层，应用程序判断网卡收到的数据帧并解析APPID 的数值。如果APPID 和保护装置中CID 配置好的APPID 一致，则解析报文，否则不作解析。需要确保GOID、APPID、MAC-Address 参数的唯一性。APPID 第1 字节由MAC-Address 的倒数第3、第2 字节的后一个字符组合而成，APPID 第2 字节取MAC-Address 的 最 后1 个 字 节， 例 如：MAC-Address 地 址 为0x01-0C-CD-01-02-34，则APPID 为0x1234，这样约定是便于故障排查。本次获取的GOOSE 跳闸报文中MAC 地址为01:0c:cd:01:01:03，其APPID 为1103。

4.1.5 长度（PDU Length）：本例中PDU 长度为174 个字节，它通过两个字节来表示。是计算从APPID 开始到PDU 结束的字节长度。

4.1.6 保留字段：在南网标准中则用在SV 报文中表示交换机延时累加值（ART）[5]。

4.2 PDU 中各参数的含义

4.2.1 Time Allowed to Live :表示GOOSE 报文生存允许时间，为10000 毫秒，如果接收端IED 在4T0即20 秒 内没有收报文，则接收端的IED 判断为GOOSE 通信链路中断。判断中断后，接收端IED 会发出GOOSE 断链告警，但是发送端的IDE 不会发断链告警。

4.2.2 GOOSEID：该参数是每个GOOSE 消息的唯一标识，属于常规字符串类型，长度不能超过65 字节。

4.2.3 TEST：检修标志，表示IED 装置的检修压板投入，IED设备传送的GOOSE 报文中的TEST 标志=TRUE[4]。保护装置严格遵守检修机制，当只有两侧的IED 装置的TEST 标志相同时，保护才动作出口。

4.2.4 Config Revision：版本配置号是一个计数器，IED 在接收GOOSE 报文时严格检查Config Revision 是否匹配，否则丢弃报文。

4.2.5 Number DataSet Entries：数据集成员的个数，本例GOOSE 报文中表中值为“19”，表示GOOSE 数据集包含19 个成员。表3 中列出PCS-931GMM-D 中数据集成员的定义，从中可以清晰的知道是保护B 相动作，并启动B 失灵。

表3 PCS-931GMM-D 中数据集成员动作情况解析

5 结论

南方电网在新建的变电站中均为智能变电站，且按照“模采网跳”组网方案实施[1]，在南方电网进入大规模智能电网建设时代之际，由于智能变电站技术和传统变电站有很大的差别，对于继电保护的运行维护和故障查找定位不可能像常规变电站一样采用万用表去测量控制回路的开入和开出电位，本文通过介绍通过利用计算机网络分析软件MMS-Ethereal 从网络低层研究GOOSE 网络报文的通信机制和技术原理，对GOOSE 网络报文有更深入剖析和理解，为日后的智能变电站继电保护的验收，调试和故障定位和排除提供帮助。