智能变电站过程层报文详解

1、智能变电站过程层报文1. GOOS报文1.1. GOOS传输机制Se ndGOOSEMessa通信服务映射使用一种特殊的重传方案来获得合适级别的可靠 性。重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收方等待下一次重传 的最长时间。如在该时间间隔没有收到新报文，接收方将认为关联丢失。事件传输时间 如图1-1所示。从事件发生时刻第一帧报文发出起，经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间 TO。标准没有规定逐渐重 传时间间隔计算方法。事实上，重传报文机制是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通 信流量的最佳方案，而逐渐重传报文已越来越不能满足实时性要

2、求，对重传间隔时间已 没有必要规定。M时间J h5 11 «间无申忡）T塑fS怛运条料下的豪怙町腱癡事朴晡昭：T-車霁发生洁.电输対何；珀，贞到快梅柚定铸件的章愴时河图1-1 GOOSE事件传输时间SendGOOSEMessa服务以主动无须确认的发布者/订阅者组播方式发送变化信息,其发布者和订阅者状态机见图1-2和图1-31）GoEna=True （ GOOSES能），发布者发送数据集当前数据，事件计数器置 1（StNum=1，报文计数器置 1 （ SqNum=）。2）发送数据，SqNum=p发布者启动根据允许生存时间确定的重发计时器，重发计时器计时时间比允许生存时间短（通常为一半）

3、。3）重发计时器到时触发GOOS报文重发，SqNun加1。4）重发后，开始下一个重发间隔，启动重发计时器。重发间隔计算方法和重发之间的最大允许时间都由发布者确定。最大允许时间应小于60秒。5）当数据集成员数据发生变化时，发布者发送数据，StNum加1，SqNum=06）GoEna=False所有的GOOS变位和重发报文均停止发送。1）订阅者收到GOOS报文，启动允许生存时间定时器。2）允许生存时间定时器到时溢出。3）收到有效GOOS变位报文或重发报文，重启允许生存时间定时器。图1-48以某距离保护 A相跳闸为例演示了保护跳闸信号从动作到返回过程中Sen dGOOSEMessa服务的报文时序。保

4、护程序；刷新数据GndPDtBl Op.genrrt)0GndPDIBLOp.PhsA0GndPDl&l.Op.PrisB0GndPDI51.0p.PhsC0StsStsSq7Sqfl* * .T . 4 亠T1fl24msjlmsl ms 2ms|lrins1ms2mis 1024msSt；事件计数器Sq：报文计数裾图1-4保护动作前数据重发保护动作前，SendGOOSEMessa服务以最大重传时间间隔 TO （图中为1024mS重传报文，让接收方能检测到关联的存在，报文数据信息全部是0,即保护不动作。重传报文时，事件计数器不变 StNum报文计数器SqNun加1。保护程序：刷新数据

5、保护程序判斷结果跖离I段动作，跳A相GnelPDlSl Op.ge-nerail0GndPDI81.0p.FhtA0GiridPDISI-Qp-PhW0GndPDlSKOp.PhsC0St5Sq71"cTTT000SISStSSqflSqO1024m«11 mtl ms 2mspms1 ms 2ms 1024msSt；事件计数鬍事件览生时刻Sq：报文计数器$谕仏sq淸毒图1-5保护动作时刻数据发送保护动作时刻，Sen dGOOSEMessa服务立即发送变位报文，事件计数器不变 StNum加1,报文计数器SqNum清零。报文数据中距离保护总动作和 A相动作信号为1； B相和

6、C相动作信号为0,表明此刻距离保护动作，故障相别为 A相。保护程序；刷新数据保护程序利断结果距离I段动作.跳岛相GndPDisi .Op.t-nerai0GndPDI&I.OpPhtA0GndPDlSl qp PMB0QridPDisl.Qp.Phic0L StS St6S?DSqlSq2t r1 1 t T1IG24m«11rTii£lrri5 1pmslms ?ms1024mssts Sq?St：事件计数器Sqt摧文计数器事件览生时刻SUni. Wq 清零图1-6保护动作过程中数据重发保护动作过程中，从事件发生时刻第一帧报文发出起，SendGOOSEMessag

7、务经过 两次最短传输时间间隔T1 （图中为1mS重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至 最大重传间隔时间TO （图中示例并未到TO,保护就返回了，启动新的数据刷新报文）， 保证了动作信息传递的实时性、可靠性。保护程序：刷新数据保护程序利新结果距离I段动作、逑A相返回肘间到Gn dPDI S1 .Opgenral0GndlPDI91.Op.?ri«A0GndPDlS1.Op.PhsB0GntJPDiSi Op.PhsC0&te sre&te sts SqC$q1Sq2 Sq3 f L fStTSqOSts StsSqfi1024nn5st事件计数器 Sq：報文计数器p

8、msImsSms 1024ms寧件发生吋刻 事件炭生时刻 St加仁Sq漬零 5功口仁Sq清零图1-7保护返回时刻数据发送保护返回时刻与保护动作时刻相似，Sen dGOOSEMessag务立即发送变位报文，事件计数器不变StNum加1,报文计数器SqNum青零。报文数据全为0,表明此刻距离保 护返回。保护程序判断结果距离I段动作*跳A相返回时间到GrtdFDIS1-bp-g4het«l0GndPDJSkOp Ph5AaGndPDlSI.Op PhtBaGndPDIS1.0p.PhsC：0保护程序；刷新数据0TTT"000000C00C00-O -0-0 -O -StsStsS

9、fl?seSt6St6St5 316S-q9&qlSq2 SqSt |*1024msImslms 2m»St7 Str St7 St?St7SqDSq! Sq2 Sq3Sq4* t *11T-1hmslms 2ms 1024msSt：事件计数器 Sq：报文计数器事件发生时刻 寧件发生时劇St加1, $q清零Stflnl. Sq清爭图1-8保护返回后数据重发保护返回后，从返回时刻第一帧报文发出起，SendGOOSEMessa服务经过两次最短 传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。Se ndGOOSEMessa服务主要有以下特点：1）基于发

10、布者/订阅者结构的组播传输方式。发布者/订阅者结构支持多个通信节点之间的直接通信，与点对点通信结构和客户 端/服务器通信结构相比较，发布者/订阅者通信结构是一个数据源（即发布者）向多个 接收者（即订阅者）发送数据的最佳方式，尤其适合于数据流量大，实时性要求高，数 据需要共享的数据通信，这一点非常适合于变电站自动化系统的IED之间数据交换与共 享。发布者/订阅者通信结构符合GOOS报文传输本质，是事件驱动的。2）逐渐加长间隔时间的重传机制。为了提高可靠性，通常采用应答方式确定接收者是否收到。如果在一定时间没有收 到应答报文或收到接收错误的报文，发送者可以采取重发的方法弥补前一次通信失败。 但是，

11、这种应答方式难以满足快速通信需求，尤其是在报文丢失的情况下，重发可能需 要等待较长时间。无需应答确认机制，直接逐渐加长间隔重传报文的方法是网络传输兼 顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案。3）GOOS报文携带优先级/VLAN标志。在数据链路层，为了提高速度，GOOS报文采用VLAN标签协议，在数据中增加表示 优先级的容，支持 VLAN标签协议的以太网交换机会根据优先级进行实时处理，保证其 实时特性。图1-9是以太网交换机处理带 VLAN标签帧的报文处理示意图。报文缰冲区(FIFO)图1-9交换机优先传输OOOSE以太网交换机4) 应用层经表示层后，直接映射到数据链路层。基于通信功能分层的概

12、念，OSI参考模型(ISO/IEC7498-1 )给出了详细的通信模型 为使通信系统稳定可靠，该模型规定了 5-7层，并详细给出了每层的功能要求。I 1握用出述鼻FrallleJr-Pmfile图1-10 OSI七层参考模型图1-11为SendGOOS服务的通信协议栈。从图中可以看出，这一服务只用了国际 标准化组织开放系统互联(ISO/OSI)中的4层，不经过会话层、网络层和传输层，其 目的是提高可靠性和降低传输延时。GOO 寵1应用展IEC 618501表示层ASN I/BER会话层传输层数据链踣层W±M/1ECSO2 1Q物理层图1-11 GOOSE通信协议栈5) 基于数据集传输

13、。数据集是有序的功能约束数据或功能约束数据属性集合。客户端/服务器或发布者/订阅者双边均知道数据集的成员和顺序， 因此基于数据集的通信仅需要传输数据集名及其引用的数据或数据属性当前值，这将有效利用通信带宽。另外，经过会话层的标准编 码，数据集可以传输标准规定的各种数据类型，包括模拟量、时标、品质等。12 GOOS报文帧结构根据IEC 61850标准，GOOSfi文在数据链路层上采用ISO/IEC 8802.3协议（即以太网协议），其以太网报文帧格式如图1-1所示。1 IIFC S8L)2->GOOF 牯构0抽总谄旅标id ASN I,荊EiAFTFI的构城.甫盲査艾，平台无戈一 目标MA

14、C -由Ether Type=1騷扎 FT ID20L«ngLhini-8*一knoxtxll24fSmrvcdd-茁nr”1 Pad byles ifJ1521F rame checkJE3tl)ICItimcAllnwedtoVE 眇IDslNum sqKtini T ctmlRev lldkCcxmnins nHIDuii：i Miui iiy禅MAC地址imPi.iCh visihi r siHiNCn囲I1*110 rmIMPLICIT I MFI JCTT IMPI.KTI IMPUCH IMPL lul IMPLICIT IMPLICIT IMPI ICI r IMPI

15、 IHT IMPLIGT IMPLECIT ANYiNTEGIk.VlSIRTSTRIMi.VS|HI-F4)PTrClNAI.TUlcTirrttJ.IMHjIK.IM IEbkt<.tJkkAlJi.T(NTE«R»ROOI1-AN DFFAl Jl.T FMJOLtlv（如何将如上标记输換为I-风诜制码->,| ：Ol .l bCl OE |)atJ.OPTIOHAI.M octM片 MLdJGWLLIW阳 xbO”Tag QxWl 伍度 OsHlBYTEr 231值:斗D 4C 32 32 3D0 C T R L23TagglhValue图1-1 GOO

16、SE报文以太网帧格式字节876543210TPID0x8100 (依据 802.1Q)12TCIPriorityCFIVID3VID图1-2优先级/VLAN标签GOOS报文不同于普通以太网报文，在标准的以太网报文头加入了 VLANS签，标签 中包含了 12 bit的虚拟局域网标识码（VLAN标签）和3 bit的报文优先级码（流量优 先权），可实现网络VLAN隔离和优先传输（交换机须支持），优先级/VLAN标志帧格式见 图 1-1。GOOS报文解析见下图1-3 :id Frans 4 (1B& byt琵 on "rd,byr孚 zaptursd iB Ethtrnei: ：IF

17、 5tc： 00:7:77:74 :10: T2 SO:为：芦：【4:1D：比工 03t: 01:0c :td:01:22 ：02 CD1 0c :： DI ： ?2 ： D2j旧 ecYrUTit inn: Cl: jcTicdi JI :2 :O2cd:Cl:22"CJ ； i冃Her:6):利汀了；酬竝卫7T1口刃Type： B02.IQ VI -tuil L负五k£1 诡p 2-Priority: 1 H H II F 0Typss IEC GIBS0/5003(0x88bS _； t = up c 匸 u-i jubSlA f-r-plD*； 51F： PDJ L

18、enctVjfte、曰 z txl J. ; L1，竝苦=_ ”'-_aa“r v edr *:.业ndM-1厂BTCU、lV _ 1EC GO兰'Fl 8D ”QT"i r*T；a I Lsf Ml.control Hlaclt Refertnct*: tflsT?-lPz/Li RiQ$Qa$gocbo T-'Tine Allcwed to Live frsecJ: LOCI00 3- 2ar aser Refer fine p*:pg 丸 39 了 tpi/1 i H&frlswri rrrlngl R-iQQ9SEID*:TGHPLATEP匚/

19、LLNflEQOSgocbC 8 7E/ent rinjstarnp； 2044-01-10 15 : ClO, 3. )13 DOO Tine quality： 0a 3-5 StarENuuibir*:4StUUsriLe xlumb*?r:2 S-7Test* :TRUC 8-3Config R?7l5l' nw:0 S_9Maeds QomiiTssianlng*:-alse 3-1QNunoer oaiet Entries; li ：£fi-1?BDQL3M：匚曲 L'G &XLEAM： TRUEBCK；L£Ahl： "L瓯图1-

20、3 GOOSE报文解析1 MAC地址域：为了传输GOOS报文，必须配置符合ISO/IEC 8802-3的多播目的地址。其中：1）Destination: 01:0c:cd:01:22:02 为发送装置实际发送 GOOS报文的目标 MAC地址。此地址作为接收装置的识别标识之一。2）Source: 00:79:77:74:10:52 为发送装置网卡的物理地址，MAC芯片出厂时已确定，不随程序及应用发生改变。2 TPID （标志协议标识）域：表示为VLAN标签以太网编码帧的以太网类型，该值为 0x8100。3 TCI （标志控制信息）域：Priority （用户优先级），用户优先级值由配置设定，用于

21、将采样值和对时间要求苛刻的保护相关GOOS报文与低优先级的网络负荷分开。VLAN标签允许带有优先级的实 现，长度为3bit （07），高优先级的帧应具有优先级4-7，低优先级具有1-3。值1是 无标志帧的优先级，0应避免使用，对于正常网络流量，可能引起不可预测的延迟。CFI （标准格式指示位），一个一位长度标识值。CFI值为0说明是规格式，1为非 规格式，GOOS报文是标准格式，因此值应为 0。VID （虚拟LAN标识）,长度为12bit （04095）, 0表示不属于任何 VLAN| VID为可 由系统配置设置。4 EtherType （以太网报文类型）域：基于ISO/IEC8802-3MA

22、C子层的以太网类型被IEEE权威机构注册。GOOS直接映射 到保留的以太网类型和以太网类型协议数据单元，分配值为0x88B &5 APPID（应用标识）域：APPID用于选择含有GSE管理和GOOS报文的ISO/IEC 8802-3帧并能够区分应用关 联。GOOS的APPID预留值围是0x0000到0x3fff。如APPID未配置，其缺省值为0x0000。 缺省值用于表示缺乏配置。6 Length （长度）域：长度字节数包含从APPID开始以太网PDU和应用协议数据单元APDC的长度。长度 应是8+m其中m是APDU勺长度，且m<1492与此不一致的帧或非法长度域的帧将被 丢弃。

23、7 Reserved1 和 Reserved2 （保留 1 和保留 2）域：为未来标准化的应用而保留（在IEC 61850标准第二版已部分定义用于测试设备标 记和根据IEC 62351标准定义的加密域），缺省值为0。8 APDU（报文容）域：使用抽象语法标记（ASN.1）,描述APDU勺构成，包含以下数据容：1）GoCBReferenee可视字符串，GOOS控制块引用名；2）TimeAllowedtoLive ，32位无符号整形数，允许生存时间；工程应用中一般为 2T0=10S3）DataSet，可视字符串，数据集引用名；4）GolD,可视字符串，GOOS标识符；5）T，Ute时间，状态号St

24、Num加1时的时间；6）StNum 32位无符号整形数，状态号计数器，数据集成员值发生变化发送 GOOS报文时该序号加1；7）SqNum 32位无符号整形数，顺序号计数器，每重发一次 GOOS报文，该序 号加1,每次状态号加1时，该序号清零；8）TEST布尔量，检修位，该参数为 TRUE寸表示报文的值不得用于运行；9) ConfRev, 32位无符号整形数，配置版本号，无符号整形数，GOOS数据集引用成员发生变化或重新排序时，版本号加1;10) NdsCom，布尔量，需要重新配置标识，如果数据集属性为空或数据大小超出SCSM规定的最大值，贝U NdsCon应设置TRUE11) NumDatSe

25、tEntries，32位无符号整形数，数据集成员个数；12) AllData，所有引用数据；2. SV报文2.1. SV传输机制SendMSVMessag通信服务映射使用带采样计数器 SmpCn和采样同步标识SmpSynch的方式，按一定采样率同步采样的数据定期传送。当采样速率较高时，Sen dMSVMessage通信服务映射应提供在应用协议数据单元 APDU被递交到传输缓冲区前，将若干应用服 务数据单元ASDU连接成一个应用协议数据单元的性能。一个应用协议数据单元的应用 服务数据单元个数是可以配置的，并与采样速率有关，但为了减少实现的复杂性，应用 服务数据单元配置不是动态的。当若干应用服务数

26、据单元连接成一帧时，带有最早采样 值的应用服务数据单元是帧中的第一个应用服务数据单元。如图1-1所示。APCl协谏控削倍理l AS1>U （应用脱外散粧敏丘）/ J 一标记长度ASDLr fit H « CUtli)ASDU,Al'DU “屯用检谊散据“礼）图1-1多个ASDI连接成一个APDU每个应用服务数据单元都携带有采样计数器 SmpCnt和采样同步标识SmpSynch当 取得新采样值时，采样计数器加1;当采样被时钟信号同步时并在同步时刻，采样计数 器清零。当采样时钟信号失去且经过一段时间装置自身时钟已不再精确时，采样同步标 识应为“ False ”，这样订阅者可

27、根据采样计数器和采样同步标识便可准确知道采样值报 文是否同步以及相应的同步时刻。SendMSVMessage务与SendGOOSEMessa服务都是基于数据集DATASE传输数据，都可以快速传输任何标准规的数据格式，包括布尔量、整形数、浮点数、品质、位串等 等。不同的是，SendGOOSEMessa服务是在数据集成员数据变化时传输， 并通过逐渐加 长直至最大重传间隔时间重传数据提高可靠性；Sen dMSVMessag报文是快速连续传输的，传输的数据需要同步采样。正常情况下，采样值传输数据流量远远大于GOOS报文传输数据流量，可以将多个应用服务数据单元ASDU合并到一个应用协议数据单元统一传输，

28、减少网络带宽占用。Sen dMSVMessag®务主要有以下特点：1）基于发布者/订阅者结构的组播传输方式。2）同步数据采样。SV报文数据严格按时钟同步采样，并保持采样频率、次数和顺序恒定。3）应用服务数据单元可合并。为减少采样值传输的数据流量，提高网络传输效率，可将多个应用服务数据单元合 并到一个应用协议数据单元一同发送。4）SV报文携带优先级/VLAN标志。与GOOS报文相同，SV报文采用VLAN标签协议，在数据中增加表示优先级的容， 支持流量优先权控制协议的以太网交换机会根据优先级进行实时处理，保证其实时特 性。5）应用层经表示层后，直接映射到数据链路层。与SendGOOSEM

29、essa服务的通信协议栈相同。 SengMSVMessag服务也只用了国际 标准化组织开放系统互联（ISO/OSI）中的4层，不经过会话层、网络层和传输层，其 目的是提高可靠性和降低传输延时，降低实现的复杂性。6）基于数据集传输。2.2. SV报文帧结构根据IEC 61850-9-2标准，SV报文在数据链路层上采用ISO/IEC 8802.3协议（即 以太网协议），其以太网报文帧格式如图1-1所示。与GOOS报文相同，9-2 SV报文在 标准的以太网报文头加入了 VLAN标签与优先级Tag,可实现网络VLAN隔离和优先传输 （交换机须支持）。GOOS报文解析示意图如图1-2所示:E Rrdrf

30、p 2 17S byLt-s 口“ wire,丄78 匕ytes caprur图1-2-GOOSE报文解析示意图 MAC地址域：必须配置符合ISO/IEC 8802-3的多播目的地址。 TPID （标志协议标识）域：表示为VLAN标签以太网编码帧的以太网类型。该值为 0x8100 edat：ac:cd:C4:40:52 (<jL：ac:cd:0£!40i5：ii匚匚thfirnnrrv Crc: 00: 79:77:74 :3O:S2 (00:7£7174-:J r5L)eSTlnax1l：ri： 0L：0C；Cd：C4 ：40：<01 ：0c：<d：04

31、 ：40： 5?2-13SDUier-e0 ;科；齐：加仝门叮?廿R；p: 74 :2Type；吕O2RF0itLial L刖 g旳顶7匸a 7 so zi-v+rrI i_an -_*Z1D0- Prlari'ty: 4'9_ x =_些上乂J 3.兀0心 OCMOID： 0Typa； te匚 tiifl5D/sv fanipled ,ii up rransro 11 Lirraisabi- Jri i疔丘二 _gF a 节d卯 r:二J?start af asdusE IEC 6L8£0SIT/_ 岬戸卩片；Cx4_4=圧£3诧血百！ (jjcUdg f

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33、不可预测的延迟。CFI （标准格式指示位），一个一位长度标识值。CFI值为0说明是规格式，1为非 规格式，SV报文是标准格式，因此值应为0。VID （虚拟LAN标识），长度为12bit （ 04095）, 0表示不属于任何 VLAN VID为可 由系统配置设置。4 EtherType （以太网报文类型）域：基于ISO/IEC 8802-3MAC子层的以太网类型被IEEE权威机构注册。9-2 SV直接映射到保留的以太网类型和以太网类型协议数据单元，分配值为0X88BA5 APPID（应用标识）域：APPID用于选择采样值信息并能够区分应用关联。9-2 SV的APPID值预留值围是0x4000到0

34、x7fff。如APPID未配置，其缺省值为0x4000。缺省值用于表示缺乏配置。6 Length （长度）域：长度字节数包含从APPID开始以太网类型PDI和应用协议数据单元APDU勺长度（见 图2-1 ）。故长度应是8+m其中m是 APDU勺长度，且m<1492与此不一致的帧或非法 长度域的帧将被丢弃。7 Reserved1 和 Reserved2 （保留 1 和保留 2）域：为未来标准化的应用而保留（在IEC 61850标准第二版已部分定义用于测试设备标 记和根据IEC62351标准定义的加密域），缺省值为0。8 APDU（报文容）域：一个APDI可以由多个ASDI而成。表1-1 I

35、EC 61850-9-2采样值报文 APD U部分Tag LengthASDI数目 n （u16）ASDU1 ASDU2 ASDUn采用与基本编码规则（BER）相关的ASN.1语法对通过ISO/IEC 8802-3传输的采样值 信息进行编码。基本编码规则的转换语法具有 T-L-V（类型-长度-值Type-Length-Value）或者是（标 记-长度-值Tag-Length-Value）三个一组的格式.所有域（T、L或V）都是一系列的8位 位组。值V可以构造为T-L-V组合本身。表1-2 IEC 61850-9-2采样值报文 APD U结构容说明savPdu tagAPDU 标记（=0x60）savPdu lengthAPDU长度（从noASDU tag开始）noASDU tagASDI数目 标记（=0x80）noASDU lengthASDU数目长度noASDU valueASDI数目 值（=1）