智能化水電廠中GOOSE通信的應(yīng)用研究

姜 鑫

（南瑞集團(tuán)公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京 210003）

水電廠是發(fā)電行業(yè)的重要組成部分，隨著國(guó)家電網(wǎng)公司提出 “發(fā)展以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，以信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征，自主創(chuàng)新、國(guó)際領(lǐng)先的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”，智能化水電廠已明確成為水電廠自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的主流方向，未來(lái)水電廠建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。智能化水電廠的實(shí)現(xiàn)，依靠建立全廠統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)對(duì)象模型。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊平臺(tái)的電力自動(dòng)化系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，已在智能變電站中廣泛應(yīng)用并取得了很好的成效。針對(duì)水電自動(dòng)化領(lǐng)域，IEC已經(jīng)正式發(fā)布了水電廠監(jiān)控通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-410和水電廠建模思想與導(dǎo)則標(biāo)準(zhǔn)IEC61850-7-510，這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)為智能化水電廠的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 GOOSE簡(jiǎn)介

面向通用對(duì)象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）， 是 IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)中用于滿足變電站自動(dòng)化系統(tǒng)快速報(bào)文需求的機(jī)制。它主要用于實(shí)現(xiàn)在多IED之間的信息傳遞，包括傳輸跳合閘信號(hào)（命令），具有高傳輸成功概率。智能化水電廠智能硬件設(shè)備采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線實(shí)現(xiàn)開關(guān)位置、閉鎖信號(hào)和跳閘命令等實(shí)時(shí)信息的可靠傳輸。

1.1GOOSE的通訊機(jī)制

GOOSE報(bào)文的發(fā)送并不是按固定時(shí)間間隔來(lái)發(fā)送的。在沒(méi)有GOOSE事件發(fā)生時(shí)，GOOSE報(bào)文的發(fā)送按一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間周期傳送數(shù)據(jù)，但是在發(fā)生事件時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，發(fā)送時(shí)間間隔就會(huì)以較快的速度重復(fù)發(fā)送3次。在此階段，發(fā)送時(shí)間間隔會(huì)逐漸增大，直到事件狀態(tài)穩(wěn)定，GOOSE報(bào)文的發(fā)送又變?yōu)楣潭ㄩL(zhǎng)時(shí)間間隔。

如圖1所示，穩(wěn)定狀態(tài)下的較長(zhǎng)傳送間隔為T0（一般叫心跳間隔），當(dāng)發(fā)生了數(shù)據(jù)變化時(shí)不管上一次何時(shí)傳送，都立刻進(jìn)行新數(shù)據(jù)的快速重復(fù)發(fā)送（T1為最快重傳間隔，發(fā)送2次）。心跳間隔T0和最快重傳間隔T1可自行定義；T2和T3為從突發(fā)到穩(wěn)定傳輸?shù)倪^(guò)渡重傳時(shí)間，對(duì)T2和T3的取值標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有任何規(guī)定，工程應(yīng)用中很多廠商采用了指數(shù)增加主次翻倍的算法，即T3=2T2=4T1。

圖1 事件傳輸機(jī)制示意Fig.1 Event transfer mechanism diagra m

2 GOOSE在智能化水電廠的應(yīng)用

智能化水電廠是以先進(jìn)、可靠、集成、環(huán)保的智能電子設(shè)備為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、全廠數(shù)據(jù)共享互動(dòng)化，完成全廠信息采集、傳輸、分析、處理的統(tǒng)一信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水電廠的自動(dòng)運(yùn)行控制、智能分析決策等高級(jí)應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化。

圖2 智能化水電廠總體架構(gòu)Fig.2 Overall structure of smart hydropower station

結(jié)合水電廠的生產(chǎn)現(xiàn)狀，提出智能水電廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，如圖2所示。智能水電廠硬件設(shè)備的對(duì)外通訊按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)備與廠站層上位機(jī)系統(tǒng)之間采用MMS協(xié)議通訊；間隔層和過(guò)程層中智能終端之間交互信息采用GOOSE協(xié)議通訊。

2.1 IEC61850建模簡(jiǎn)介

IEC61850提供了基于XML的變電站配置語(yǔ)言（SCL），標(biāo)準(zhǔn)化了變電站系統(tǒng)和裝置配置的描述方法。邏輯節(jié)點(diǎn)中的可選項(xiàng)、公共數(shù)據(jù)類、各種控制塊等都可以使用該語(yǔ)言進(jìn)行靈活配置。

IEC61850-7規(guī)范了數(shù)據(jù)模型、服務(wù)及建模方法[1]。IEC61850采用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷雽?duì)設(shè)備進(jìn)行建模，滿足應(yīng)用開放性的操作需求；IEC61850面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)自描述方法，是各廠家裝置互操作的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)接收方訂閱的數(shù)據(jù)都帶有數(shù)據(jù)自我說(shuō)明，不需要工程重新對(duì)應(yīng)或轉(zhuǎn)換。

IEC61850建模的總體規(guī)則需要滿足同一個(gè)功能對(duì)象相關(guān)的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)屬性，應(yīng)建模在該功能對(duì)象中；同多個(gè)功能相關(guān)或同全系統(tǒng)功能相關(guān)的數(shù)據(jù)，應(yīng)建模在公共的邏輯節(jié)點(diǎn)或者邏輯設(shè)備中[2]。圖3所示為IEC61850的建模過(guò)程。

圖3 61850建模過(guò)程示意Fig.3 61850 modeling process diagram

2.2GOOSE通訊建模

1）發(fā)布方裝置通過(guò)定義GOOSE發(fā)送數(shù)據(jù)集（dataset）和GOOSE控制塊，用于定義發(fā)送的數(shù)據(jù)。

2）訂閱方裝置通過(guò)定義INPUTS用于定義其GOOSE輸入。

訂閱方根據(jù)發(fā)布者icd文件，配置自身inputs的 ExRef部分。Inputs由外部ExtRef和intAddr構(gòu)成，將發(fā)布方與接收方進(jìn)行連接，相當(dāng)于將內(nèi)部信號(hào)與發(fā)布信號(hào)的關(guān)聯(lián)。通過(guò)Inputs可以知道關(guān)聯(lián)信息的級(jí)別是DO還是DA，如果屬性daName為空，則關(guān)聯(lián)級(jí)別為數(shù)據(jù)對(duì)象DO。

2.3 GOOSE報(bào)文結(jié)構(gòu)

GOOSE報(bào)文中主要分為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、GOOSE參數(shù)和GOOSE數(shù)據(jù)，GOOSE數(shù)據(jù)如圖4。

圖4 Goose報(bào)文結(jié)構(gòu)Fig.4 GOOSE message structure

2.3.1 GOOSE網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

MAC目的地址正確的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)是GOOSE報(bào)文正確通信的基礎(chǔ)條件。其中的組播MAC地址必須保證唯一，接收方根據(jù)該MAC地址，判斷是否是訂閱的報(bào)文。GOOSE規(guī)約建議組播MAC地址的取值范圍為01-0C-CD-01-00-00到01-0C-CD-01-01-FF。

MAC源地址裝置板卡的物理地址。

2.3.2 GOOSE參數(shù)

802.1q的TAG標(biāo)簽即goose優(yōu)先級(jí)TAG由報(bào)文類型標(biāo)識(shí)碼TPID（0x8100）和TCI組成。TCI中的虛擬局域網(wǎng)ID（VID）默認(rèn)為0，默認(rèn)優(yōu)先級(jí)為4，在基于優(yōu)先級(jí)傳輸報(bào)文時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文優(yōu)先被傳輸。

Ethertype0x88B8表示GOOSE以太網(wǎng)報(bào)文類型。

APPID應(yīng)用標(biāo)識(shí)GOOSE APPID取值范圍為0～0x3FFF；IEC61850建議每1個(gè)GOOSE控制塊的APPID值應(yīng)全站唯一。當(dāng)網(wǎng)卡接收數(shù)據(jù)幀時(shí)，應(yīng)用程序首先會(huì)判斷APPID的值，如果其與配置文件中預(yù)先配置的值一致才繼續(xù)解析報(bào)文，否則丟棄報(bào)文。

2.3.3 GOOSE數(shù)據(jù)

關(guān)于GOOSE PDU中的有效時(shí)間t：對(duì)于一個(gè)重發(fā)的GOOSE報(bào)文，會(huì)在報(bào)文中附帶1個(gè)y有效時(shí)間t的參數(shù)。該參數(shù)告知接收方等待下一個(gè)重發(fā)的GOOSE報(bào)文的最長(zhǎng)時(shí)間，如果在該時(shí)間內(nèi)，接收方?jīng)]有收到重發(fā)的報(bào)文，就可以認(rèn)為是發(fā)生了通訊中斷。一般地t=2T0，t主要用于GOOSE斷鏈的判斷，在2倍的t時(shí)間內(nèi)未收到下一幀報(bào)文，接收方即發(fā)出GOOSE斷鏈告警。

2.4 GOOSE傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性分析

GOOSE通信采用的是發(fā)布/訂閱模式，發(fā)布者和訂閱者之間報(bào)文傳輸通信關(guān)系的重要特征是緩沖型工作方式[3]。即最近產(chǎn)生的事件覆蓋已在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖录?/p>

GOOSE報(bào)文為多播報(bào)文，多播報(bào)文在交換機(jī)中如果不進(jìn)行任何處理，就是廣播轉(zhuǎn)發(fā)。這可能引起網(wǎng)絡(luò)符合瞬時(shí)過(guò)重而丟失報(bào)文?？紤]到通信的緩沖型工作方式，交換機(jī)選擇存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式交換機(jī)，交換機(jī)最好采用帶有優(yōu)先級(jí)的，可以減少報(bào)文在交換機(jī)中的傳輸?shù)却龝r(shí)間[4]。

由于在過(guò)程層與單元層中僅有部分智能設(shè)備IED之間有GOOSE報(bào)文交換，因此可以把這些IED劃為同一個(gè)VLAN，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行VLAN劃分，可以使其成為一個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)。由于VLAN之間相互隔離，每個(gè)VLAN內(nèi)部的廣播報(bào)文不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)到其他VLAN中，因此每一個(gè)VLAN成為一個(gè)獨(dú)立的廣播域，從而有效地解決了過(guò)程層大量廣播報(bào)文帶來(lái)的帶寬消耗和廣播風(fēng)暴的問(wèn)題，減輕了設(shè)備的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，保證了GOOSE報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

2.5 GOOSE通訊配置流程

模型建立結(jié)束后，各IED廠家根據(jù)拿到的模型文件導(dǎo)出相應(yīng)配置文件供裝置進(jìn)行測(cè)點(diǎn)映射實(shí)現(xiàn)通訊服務(wù)。GOOSE通訊配置流程如圖5所示。

圖5GOOSE通訊配置流程Fig.5 GOOSE communication configuration process

3 結(jié)語(yǔ)

IEC61850作為智能化水電廠通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了“一個(gè)世界、一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”的工業(yè)控制通信目標(biāo)。GOOSE作為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)報(bào)文傳輸時(shí)間和可靠性要求較高的通訊協(xié)議，能夠完成了智能化水電廠中智能設(shè)備之間、智能設(shè)備與主智能測(cè)控裝置之間的通訊。結(jié)合實(shí)際，較完整地描述了GOOSE在智能化水電廠設(shè)備建模過(guò)程，給出了GOOSE協(xié)議在智能設(shè)備中通信流程，為今后的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)提供參考價(jià)值。

[1]彭志強(qiáng)，朱辰.IEC61850在智能水電廠應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)[J].水電廠自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2011，35（4）：6-9.

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[4]王聰，張毅，文正國(guó).水電站監(jiān)控系統(tǒng)中MMS通信協(xié)議的應(yīng)用研究[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2013，36（3）：9-11.