变电事业部智能变电站过程层报文培训

1、变电事业部智能变电站培训变电事业工程服务部变电事业工程服务部主讲人：沙亮 2012.7 1：GOOSE信息IEC61850 中提供了面向通用对象事件（Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE）模型，可在系统范围内快速且可靠的传输数据值。GOOSE 使用ASN.1 编码的基本编码规则（BER），不经过TCP/IP 协议，直接映射的以太网链路层上进行传输，采用了发布者/订阅者模式，逻辑链路控制（LLC）协议的单向无确认机制，具有以下特点：1）信息按内容标识；2）点对多点传输；3）事件驱动。与点对点通信结构和客户/服务器通信结构模式相比，发布者/订

2、阅者模式可用来实现站内快速、可靠的发送输入和输出信号量，可利用重传机制保证通信的可靠性。发布者/订阅者通信结构模式是一个数据源（发布者）向多个接收者（订阅者）发送数据的最佳方案，尤其适用于数据流量大且实时性要求高的数据通信。GOOSE 报文传输利用组播服务，从而有效地保证了向多个物理设备同时传输同一个通用变电站事件信息。GOOSE 报文可以快速可靠的传输实时性要求非常高的跳闸命令，也可同时向多个设备传输开关位置等信息。 GOOSE 信息交换方式如图2-9 所示，发布者将值写入发送侧的当地缓冲区；订阅者从接收侧的当地缓冲区读数据；通信系统负责刷新订阅者的当地缓冲区；发布者的通用变电站事件控制类用

3、以控制这个过程GOOSE 报文发送采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制。当IEC61850-7-2 中有定义过的事件发生后，GOOSE 服务器生成一个发送GOOSE 命令的请求，该数据包将按照GOOSE 的信息格式组成并用组播包方式发送。为保证可靠性一般重传相同的数据包若干次，在顺序传送的每帧信息中包含一个“允许存活时间”的参数，它提示接收端接收下一帧重传数据的最大等待时间。如果在约定时间内没有收到相应的包，接收端认为连接丢失。在GOOSE传输机制中，有两个重要参数StateNumber和SequenceNumber，StateNumber（04294967295）反映出GOOSE报文中

4、数据值与上一帧报文数据值是否有变化，SequenceNumber（04294967295）反映出在无变化事件情况下，GOOSE报文发送的次数如图2-2 所示，在GOOSE 数据集中的数据没有变化的情况下，发送时间间隔为T0的心跳报文，报文中状态号（stnum）不变，顺序号（sqnum）递增。当GOOSE数据集中的数据发生变化情况下，发送一帧变位报文后，以时间间隔T1，T1，T2，T3（T1、T2、T3 时间依次增加，但比T0 要短）进行变位报文快速重发。数据变位后的第一帧报文中stnum 增加1， sqnum 从零开始，随后的报文中stnum 不变，sqnum 递增。GOOSE 接收可以根据G

5、OOSE 报文中的允许生存时间TATL（TimeAllowtoLive）来检测链路是否中断。GOOSE传输的可靠性(1)快速重发机制，当数据集成员 发生变位后，装置会迪克发出第一帧GOOSE的变位报文，随后在很短的时间的内，装置会补发第二帧的，第二帧的报文。这样即使第一帧的报文发出丢失，也会有第二帧报文即使抵达接收端，从而保证了GOOSE传输的可靠性另外出于可靠性的考虑，报文的重发时间间隔逐渐被拉长，有效的避免了网络负载过重，打到了可靠性和网络流量的平衡(2)链路通断的自检。GOOSE报文中带有“TimeAllowedToLive”(报文的存活时间)参数。如前文所述，如果接受的端的TimeAl

6、lowedToLive时间内未收到任何的报文，则接受端判断报文丢失;在TimeAllowedToLive的2倍时间内没有接受到任何的下一帧GOOSE报文，即判断为通信中断。一次在通信的工程中，GOOSE实际上是不断地进行链路通断的自检，由此提高了变电站二次回路的可靠性。(3)SqNum 和Stnum的变化严格遵循规律。GOOSE接受方通过StNum和SqNum的变化规律，能够判断报文是否丢帧，是否有错序，是否有重复等。例如GOOSE接受方能够通过StNum和SqNum变化的连续性判断GOOSE报文是否丢帧。如果StNum和SqNum不连续，说明报文有丢帧 GOOSE报文的错序是只由于受网络传输

7、延时影响，后发的报文比先发出的报文先到接受端装置.GOOSE接受方能够依据StNum和SqNum一次递增的特点，检查GOOSE报文是否错序，以此判断网络是否异常 GOOSE报文重复是指接受方连续发送两帧StNum和SqNum序号完全相同的报文。GOOSE接受方会通过检查两帧报文的序号是否相同，能够判断出报文是否重复。IEC61850 建议采用以太网作为变电站通信网络，以太网属于LAN 协议体系（IEEE 802系列）。同大多数通信协议一样，LAN 协议建立在OSI 标准模型的基础上，但是作为底层协议，它只对应了OSI 模型中的物理层和数据链路层，同时它又将数据链路层划分为逻辑链路控制（Logi

8、c Link Control，LLC）和介质访问控制（Media Access Control，MAC）2 个子层。LLC 层接近网络层，负责向上层协议提供标准的OSI 数据链路层服务，通过服务访问点建立1 个或多个与上层协议间的逻辑接口，使上层协议（如TCP/IP）能够运行于以太网上；MAC 层则靠近物理层，负责以太网帧的封装（发送时将LLC 层的数据封装成帧，接收时将帧拆封后给LLC 层），包括帧前同步信号的产生，源/目的地址的编码及对物理介质传输差错进行检测等，并实现以太网介质访问控制方法和冲突退避机制。划分LLC 和MAC子层的目的在于：如果要改变网络传输介质或访问控制方法，只需要改动

9、与介质相关的MAC层协议，而无需改动与介质无关的LLC 层协议，从而使LAN 协议具有广泛的适用性。EC61850 规范了过程层的SV 和GOOSE 采用以太网进行传输，通信协议栈以ISO 标准模型为基础，链路层遵循ISO/IEC8802-3，如图4-13 所示。从图中可以看出，过程层通信协议栈中应用层数据直接映射到数据链路层的MAC子层，然后传递给物理层发送，而表示层、会话层、传输层和网络层都为空。这样使协议栈得到简化，过程层数据传输时减少了协议栈的处理过程，增强数据的实时性，符合过程层传输的实时性要求普通的以太网帧格式如上图所示，可以分为：MAC 层的地址用户数据及校验序列。其中，帧前同步

10、信号属于物理层的信息，其余都是链路层中MAC 子层的数据。帧中各部分内容具体如下：目的地址（DA）：数据接收方的MAC 地址，用6 个字节表示。若由全部“1”组成，则表示广播地址，以太网帧会发给网络中所有的设备；若第一个字节为“01”，则表示组播地址，可以使以太网帧发送给特定的设备组；若第一个字节为“00”，则表示单播地址，将使以太网帧发给某一个特定的设备。SV 报文和GOOSE 报文所用的多播地址（6 个字节）有以下结构：前三个字节被IEEE 定为01-0C-CD；第四个字节为01 则为GOOSE；第四个字节为04 则为SV；最后两个字节为独立地址其范围可参考表4-1。根据工程应用情况，最后

11、两个字节也可对表4-1 的地址进行扩充。源地址（SA），自己的MAC 地址，也用6 个字节表示。SA 可以自己定义，当使用交换机时必须使用唯一的以太网源地址；不使用交换机时，数据包以广播或点对点形式传输，并不要求这一地址具有唯一性。帧校验序列（FCS）：32 位的帧数据校验码，由除了帧前同步信号和自身以外的所有内容计算得的循环冗余校验码（CRC）。这部分由发送方计算填充，接收方收到帧后用相同的方式重新计算CRC，并与这部分内容比较，以校验帧在网络传输过程中是否出错。帧数据（PDU）：以太网型协议数据单元，是以太网帧的数据区，它又可分解为类型 （Ethertype）、应用标识（APPID）、长度

12、（Length）、应用协议数据单元（APDU）和保留区5 部分。 Ethertype：2 个字节的以太网帧类型标识，不同的以太网类型都有唯一的标识码。基于ISO/IEC8802-3 的MAC 子层以太网类型由IEEE 著作权注册机构进行注册，对于SV，所注册的以太网类型为0 x88-BA（16 进制）；对于GOOSE，所注册的以太网类型为0 x88-B8（16 进制）。 APPID（Application ID）：2 个字节的应用信息标识码，用于选择包含模拟量采样值的信息和用于区别应用关联， IEC61850 标准为采样值保留的值范围0 x40000 x7FFF（16 进制）。GOOSE保留的

13、值范围0 x00000 x3FFF（16 进制） Length：协议数据单元的长度，包括从APPID 开始的以太网型PDU 的8 位位组数目，用2 个字节表示，其值=APPID+长度+保留1+保留2+APDU）。 APDU（Application Protocol Data Unit）：应用数据，由应用协议控制信息（APCI）和应用服务数据单元（ASDU）组成，长度根据应用服务数据的长度而改变，这部分内容将具体包含SV 采样值信息或GOOSE 信息。 保留区：Reserved1/Reserved2，IEC61850 预留了这4 个字节的空间，用于将来标准化应用。以太网基于载波多路访问和冲突检测

14、（CSMA/CD）机制，任何网络中的通信设备都会在发送数据之前侦听网络是否空闲，如果网络上有数据传输，则欲发送数据的设备会退回向网络发送的数据，等待一定延时后再侦听网络是否空闲，直至网络空闲才发送数据。这样，实时数据和非实时数据在同一个网络中传输时，容易发生竞争服务资源的情况。优先级技术通过IEEE 802.1Q 优先级标签使网络中具有高优先级的数据帧获得更快的响应速度。智能变电站过程总网络中负载的种类较多，且不同信息的实时性要求也不相同，为了区分SV 报文、GOOSE 报文和总线上的低优先级负载，IEC 61850 标准采用了符合IEEE 802.1Q 的优先级标签，使过程层能够实现实时数据

15、的快速可靠传输。随着网中设备的增多，网络中的信息量也逐步增加，信息量达到网络25%以上，网络性能就会下降。虚拟局域网（VLAN）是一种利用现代交换技术，将局域网内的设备逻辑地、而非物理地划分成多个网段的技术。这样，智能变电站过程层的设备可以在物理上组成个庞大的网络，但是从逻辑上将需要交互信息的设备划分在同一个VLAN 中，一个物理网络可以划分成多个VLAN，从而可靠控制了网络信息的传输途径，有效保证了重要网段的安全性。网络中的信息通过报文中VLAN 标识符（VID）来决定处于哪个虚拟局域网内。交换机接收到带有VID 的报文后，只会将该报文转发到属于该VLAN 的端口上，而不是所有的端口上，因此

16、可有效的限制广播报文，节省带宽。具有优先级和VLAN 功能的以太网数据帧比普通的以太网帧多了4 个字节的标记，如下图所示，标记在源地址之后，用以标识数据优先权以及虚拟局域网的网络号。1. TPID (Tag Protocol Identifier，也就是EtherType)是IEEE定义的新的类型，表明这是一个加了802.1Q标签的帧。TPID包含了一个固定的值0 x8100。2. TCI (Tag Control Information) 包括用户优先级(User Priority)、规范格式指示器(Canonical Format Indicator)和 VLAN ID。 User Pri

17、ority：该字段为3-bit，用于定义用户优先级，总共有8个优先级别。IEEE 802.1P 为3比特的用户优先级位定义了操作。最高优先级为7，9-2GOOSE和采样值报文报文默认优先级为4，其他为1，从而保证在过程层网络上GOOSE和采样值报文能够优先传输CFI：CFI值为0说明是规范格式，1为非规范格式。它被用在令牌环/源路由FDDI介质访问方法中来指示封装帧中所带地址的比特次序信息。VID：该字段为12-bit， VLAN ID 是对 VLAN 的识别字段，在标准 802.1Q 中常被使用。支持4096 VLAN 的识别。在4096可能的VID 中，VID0 用于只识别帧优先级。 40

18、95(FFF)作为预留值，所以 VLAN 配置的最大可能值为4094。 所以有效的VLAN ID范围一般为1-4094，GOOSE和采样值报文默认为0GOOSE服务器传输GOOSE报文，都是以数据集形式发送，一帧报文对应一个数据集，一次发送，将整个数据集中所有数据值同时发送。GOOSE跳闸、遥控、遥信采集、遥测采集报文传输过程完全一致 2：采样值服务SVIEC61850 中提供了采样值（Sampled Value，SV）相关的模型对象和服务，以及这些模型对象和服务到ISO/IEC8802-3 帧之间的映射。SV 采样值服务同GOOSE一样也是基于发布/订阅机制，在发送侧发布者将值写入发送缓冲区；并利用SendMSVMessage服务将采样数据发出，在接收侧订阅者从当地缓冲区读值。在值上加上时标，订阅者可以校验值是否及时刷新，通信系统负责刷新订阅者的当地缓冲区。发布者按规定的采样率对输入电流/电压进行采样，由内部或者通过网络实现采样的同步，采样存入传输缓冲区，网络嵌入式调度程序将缓冲区的内容通过网络向订阅者发送。其中，采样率为映射特定参数。采样值存入订阅者的接收缓冲区，一组新的采样值到达了接收缓冲区就通知应用功能。SV 采样值传输过程如图2-3不同的是，GOOSE只能采用组播的方式传输，而采样值为了满足不同的应