劉正高 袁拓來

(廣東電網公司有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

1 概述

從2018 年開始，南方電網發(fā)布了《智能變電站二次系統通用設計規(guī)范》《Secondary system general design specification in smart substation》[1]。此規(guī)范中，要求南方電網新建110kV～500kV 的智能變電站，其二次系統的設計和建設均按照規(guī)常規(guī)電纜的交流量采樣、GOOSE網絡跳閘模式。通過過程層網絡交換機傳輸GOOSE 報文，實現開關的跳閘和合閘以及開入量信息的傳輸。本文通過分析GOOSE 報文在過程網絡中傳輸的結構和特點，利用計算機網絡分析軟件MMS-Ethereal 抓取GOOSE 跳閘報文并對其機構解析，深入剖析GOOSE 報文的含義，作為智能站保護調試、故障排查的基礎。

2 GOOSE 網絡跳閘的技術特點

在南方電網試點運行的智能站中，過程層層網絡組網方案有采用直接采樣和直接跳閘的方案?！爸辈芍碧钡倪^程層網絡接線方案達到繼電保護迅速性、可靠性的要求，但是由于保護裝置和智能終端、合并單元采用光纜點對點連接，將造成光纜大量使用，過程層網絡信息沒有得到充分共享。和基于IEC-61850 協議的智能變電站信息共享、相互操作的設計初衷相去甚遠。因為合并單元SV 通信報文數據網絡流量很大，達到10Mbit/s 左右，不倫是對保護的網卡還是交換機都是很重的網絡負荷，在經過長時間運行后，采樣值交換機和合并單元的故障率上升，導致保護誤動或者拒動。南方電網規(guī)范采用的常規(guī)采樣則可避免此類不穩(wěn)定因素。

繼電保護GOOSE 網絡跳閘與直跳相比，主要有以下特點。在網絡跳閘的過程層組網模式下光纜接線簡潔，GOOSE 網絡報文充分共享訂閱。在保護檢修和運維時，只要采取正確的安全措施即可確保安全隔離。而點對點的組網模式光纜數量多，和常規(guī)變電站的電纜連接相比優(yōu)勢不明顯。

3 GOOSE 報文通信機制

GOOSE 報文傳輸是按照2-2-4-8 的規(guī)律進行的。如圖1 所示，其中T0=5 秒，表示心跳周期。IED 裝置正常在每個時間T0=間隔發(fā)送一次當前狀態(tài)，由于比較像有規(guī)律的心跳，故這種沒有變位且有規(guī)律的報文稱為心跳報文[2]。當IED 裝置中的DATASETS(數據集)中任何一個DA(數據屬性)的數值發(fā)生突變，IED 裝置立即發(fā)送DATASETS(數據集)的所有數據。

圖1 GOOSE 心跳機制

其中T1==2ms T2==4ms T3==8ms T0==5s (在SCD 文件中可以設置心跳間隔時間)，多次快速重復確保GOOSE 信號可靠傳輸。生存時間（TAL-time Allowed to Live），是指GOOSE 報文的允許生命周期，IEC-61850 標準建議接收方IED 發(fā)生關聯丟失標準為T0 的2 倍。表1 為利用MMS-Ethereal 軟件抓取有GOOSE 報文變位時刻。

表1 GOOSE 報文傳輸時間間隔（單位:S）

GOOSE 報文的StNum 和SqNum 的數值變化嚴格遵守既定規(guī)則進行計數。 StNum 表示數據集成員狀態(tài)的序號，數據集成員狀態(tài)發(fā)生翻轉時，則StNum 加1，SqNum 表示報文順序號，在正常發(fā)送報文幀的狀態(tài)下發(fā)出報文的幀數，IED 裝置每發(fā)出一幀報文，SqNum 自動加1，每當有GOOSE 數據發(fā)送狀態(tài)改變時，該值歸0，如果StNum 和SqNum 的序號中斷，則說明有報文丟失[3]。

表2 是表示的GOOSE 報文的StNum 和SqNum 變化規(guī)律，由表1 和表2 綜合分析可以知道，在序號為157344 的報文發(fā)生了狀態(tài)改變，由保護動作事件變位發(fā)生。其報文不再按照心跳報文的時間間隔傳送GOOSE 報文，StNum 由7 變?yōu)?，SqNum由82 變?yōu)?，表示狀態(tài)發(fā)送了改變。

表2 StNum 和SqNum 變化規(guī)律

4 GOOSE 報文實例解析

4.1 GOOSE 數據幀構成

GOOSE 在經過特定通信服務映射（SCSM）映射到具體的通信協議棧后，其詳細幀結構如圖2 所示。

圖2 GOOSE 數據幀構成

通過開通過程層交換機的鏡像端口的功能，圖3 為利用計算機網絡分析軟件MMS-Ethereal 抓取一則220kV 線路保護PCS-931GMM-D GOOSE 跳閘報文。

圖3 MMS-Ethereal 抓取的GOOSE 跳閘報文

4.1.1 目的地址：對應報文中的Dst，由于GOOSE 報文采用的是組播通訊模式，不是一對一的單播模式。所以目的MAC 邏輯地址就是區(qū)分GOOSE 報文的唯一地址。IEC-61680 通訊協議集規(guī)定，對于GOOSE 目的地址前三字節(jié)為“01-0C-CD”，表示網絡組播模式。第4 字節(jié)使用“01”表示GOOSE 報文類型，第5 和第6 字節(jié) 在“00-00”-“3F-FF”取值。

IED 裝置MAC 過濾算法計算判斷GOOSE 報文是否為該組成員。如是則IED 裝置CPU 進行處理，否則丟棄報文。

4.1.2 源地址:本例中00:10:00:00:01:03 為GOOSE 報文打包時分配的地址，由每個裝置自動分配，不是實際的網卡地址，源地址滿足Mac 地址規(guī)則，實際應用不作業(yè)務判斷。

4.1.3 VLAN 和用戶優(yōu)先級：Vlan 優(yōu)先級共分為0～7 共8 個等級，其中0 優(yōu)先級最低，7 優(yōu)先級最高。由于GOOSE 跳閘報文優(yōu)先級最高，需要快速發(fā)送，如果劃分Vland 推薦設置為7，不劃分Vland 則設置為0。

4.1.4 APPID：應用標識APPID 對應IOS 通訊協議棧的應用層，應用程序判斷網卡收到的數據幀并解析APPID 的數值。如果APPID 和保護裝置中CID 配置好的APPID 一致，則解析報文，否則不作解析。需要確保GOID、APPID、MAC-Address 參數的唯一性。APPID 第1 字節(jié)由MAC-Address 的倒數第3、第2 字節(jié)的后一個字符組合而成，APPID 第2 字節(jié)取MAC-Address 的 最 后1 個 字 節(jié)， 例 如：MAC-Address 地 址 為0x01-0C-CD-01-02-34，則APPID 為0x1234，這樣約定是便于故障排查。本次獲取的GOOSE 跳閘報文中MAC 地址為01:0c:cd:01:01:03，其APPID 為1103。

4.1.5 長度（PDU Length）：本例中PDU 長度為174 個字節(jié)，它通過兩個字節(jié)來表示。是計算從APPID 開始到PDU 結束的字節(jié)長度。

4.1.6 保留字段：在南網標準中則用在SV 報文中表示交換機延時累加值（ART）[5]。

4.2 PDU 中各參數的含義

4.2.1 Time Allowed to Live :表示GOOSE 報文生存允許時間，為10000 毫秒，如果接收端IED 在4T0即20 秒 內沒有收報文，則接收端的IED 判斷為GOOSE 通信鏈路中斷。判斷中斷后，接收端IED 會發(fā)出GOOSE 斷鏈告警，但是發(fā)送端的IDE 不會發(fā)斷鏈告警。

4.2.2 GOOSEID：該參數是每個GOOSE 消息的唯一標識，屬于常規(guī)字符串類型，長度不能超過65 字節(jié)。

4.2.3 TEST：檢修標志，表示IED 裝置的檢修壓板投入，IED設備傳送的GOOSE 報文中的TEST 標志=TRUE[4]。保護裝置嚴格遵守檢修機制，當只有兩側的IED 裝置的TEST 標志相同時，保護才動作出口。

4.2.4 Config Revision：版本配置號是一個計數器，IED 在接收GOOSE 報文時嚴格檢查Config Revision 是否匹配，否則丟棄報文。

4.2.5 Number DataSet Entries：數據集成員的個數，本例GOOSE 報文中表中值為“19”，表示GOOSE 數據集包含19 個成員。表3 中列出PCS-931GMM-D 中數據集成員的定義，從中可以清晰的知道是保護B 相動作，并啟動B 失靈。

表3 PCS-931GMM-D 中數據集成員動作情況解析

5 結論

南方電網在新建的變電站中均為智能變電站，且按照“模采網跳”組網方案實施[1]，在南方電網進入大規(guī)模智能電網建設時代之際，由于智能變電站技術和傳統變電站有很大的差別，對于繼電保護的運行維護和故障查找定位不可能像常規(guī)變電站一樣采用萬用表去測量控制回路的開入和開出電位，本文通過介紹通過利用計算機網絡分析軟件MMS-Ethereal 從網絡低層研究GOOSE 網絡報文的通信機制和技術原理，對GOOSE 網絡報文有更深入剖析和理解，為日后的智能變電站繼電保護的驗收，調試和故障定位和排除提供幫助。