1 面向通用對象的變電站事件模型GOOSE

在分布式的變電站自動化系統中，IED共同協助完成自動化功能的應用場合越來越多，如間隔層的設備之間的防誤閉鎖、分布式母線保護等，這些功能得以完成的重要前提條件是IED之間數據通信的可靠性和實時性。基於此，IEC61850中定義了通用變電站事件（Generic Substation Event，GSE）模型，該模型提供了在全系統範圍內快速可靠地輸入、輸出數據值的功能。

GSE分為兩種不同的控制類和報文結構：①面向通用對象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE），支持由數據集（Data-Set）組織的公共數據交換：②通用變電站狀態事件（Generic Substation State Event，GSSE），用於傳輸狀態變位信息（雙比特）。如果只從抽象通信服務模型控制塊（Control Block）的屬性和服務定義兩方面比較，GOOSE和GSSE差異不大，但實際上，兩者的報文傳輸內容和實現機制截然不同。GSSE報文傳輸服務均映射於OSI的7層協議堆棧中，一方面存在協議堆棧傳輸延時，另一方面，此報文仍基於傳統的以太網實現，不支持報文優先級和虛擬局域網、無特定的多播地址等。這使得當網絡負荷較重時，難以保證報文傳輸的實時性。GSSE目前較少使用。下面主要介紹應用最多的GOOSE的服務。

IEC61850中定義的面向通用對象的變電站事件（GOOSE）以快速的以太網多播報文傳輸為基礎，代替了傳統的智能電子設備IED之間的硬接線的通信方式，為邏輯節點間的通信提供了快速且高效可靠的方法。GOOSE服務主要用於傳輸變電站內保護跳閘、斷路器位置、測控聯鎖等實時性要求的數據，還可以傳輸如溫濕度等模擬量信息，甚至可以傳輸時間同步信息等。

2 GOOSE發送機制及其特點

GOOSE報文的發送采用心跳報文和變位報文快速重發相結合的機制，按圖2-5所示的規律執行。

其中T0又稱心跳時間，在GOOSE數據集中的數據沒有變化的情況下，裝置平均每隔T0時間發送一次當前狀態，即心跳報文，報文中的狀態序號stNum（StateNumber用於記錄GOOSE數據發生變位的總次數）不變，順序號sqNum（SequenceNumber用於記錄穩態情況下報文發出的幀數）遞增。

當裝置中有事件發生（如開關狀態變位）時，GOOSE數據集中的數據就發生變化，裝置立刻發送該數據集的所有數據，然後間隔T1發送第2幀及第3幀，間隔T2、T3發送第4、5幀，T2為2T1，T3為4T1，後續報文以此類推，發送間隔以2倍的規律逐漸增加，直到增加到T0，報文再次成為心跳報文。當數據變位後的第1幀報文中stNum增加1，sqNum從零開始，隨後報文中stNum不變，sqNum遞增。

工程應用中，T0設為5s，T1設為2ms。GOOSE狀態變位過程共發5幀數據，即以2ms—2ms—4ms—8ms的時間間隔重發GOOSE報文，連續發5幀後便以5s時間間隔變成心跳報文。

GOOSE接收可以根據報文允許存活時間來檢測鏈路中斷，定義報文允許存活時間為2T0，接收方若超過2倍允許存活時間沒有收到GOOSE報文即判為中斷，發GOOSE斷鏈報警信號。由此，通過GOOSE通信機制也實現了裝置間二次回路狀態在線監測。

圖1 GOOSE報文傳輸時間

T0—穩定條件下，心跳報文傳輸間隔；（T0）—穩定條件下，心跳報文傳輸可能被事件打斷；T1—事件發生後，最短的重傳間隔；T2、T3一直至獲得穩定條件的重傳間隔。

GOOSE報文的傳輸過程與普通的網絡報文不同，它是從應用層經過表示層ASN.1編碼後，直接映射到底層的數據鏈路層和物理層（如圖2-6所示），而不經TCP/IP協議，即不經網絡層和傳輸層。這種映射方式避免了通信堆棧造成的傳輸延時，從而保證了報文傳輸的快速性。其中，ASN.1基本編碼規則采用的編碼結構由標記（Tag）、長度（Length）以及內容（Value）三個部分組成。

GOOSE采用發布者/訂閱者通信結構，此通信結構支持多個通信節點之間的對等直接通信。與點對點通信結構和客戶/服務器通信結構相比，發布者/訂閱者通信結構是一個或多個數據源（即發布者）向多個接收者（即訂閱者）發送數據的最佳解決方案，尤其適合數據流量大且實時性要求高的數據通信。發布者/訂閱者通信結構符合GOOSE報文傳輸本質，是事件驅動的。

圖2 GOOSE報文傳輸過程

3 GOOSE接收機制

3.1 GOOSE單網接收機制

裝置的單網GOOSE接收機制，如圖3 所示，裝置的GOOSE接收緩沖區接收到新的GOOSE報文，接收方嚴格檢查GOOSE報文的相關參數後，首先比較新接收幀和上一幀GOOSE報文中的StNum（狀態號）參數是否相等。若兩幀GOOSE報文的StNum相等，繼續比較兩幀GOOSE報文的SqNum（順序號）的大小關系，若新接收GOOSE幀的SqNum大於上一幀的SqNum，丟棄此報文，否則更新接收方的數據。若兩幀GOOSE報文的StNum不相等，更新接收方的數據。

圖3 單網GOOSE接收示意圖

3.2 GOOSE雙網接收機制

裝置的GOOSE雙網通信方法如圖4 所示，接受方和發送方都采用自動信息處理裝置並通過雙網相連，兩個網絡同時工作，裝置的GOOSE接收緩沖區接收到新的GOOSE報文，接收方嚴格檢查GOOSE報文的相關參數後，首先比較新接收幀和上一幀GOOSE報文中的StNum。若StNum大於上一幀報文，則判斷為新數據，更新老數據。若StNum等於上一幀報文，再將SqNum與上一幀進行比較，如果SqNum大於等於上一幀，則判斷是重傳報文而丟棄，如果SqNum小於上一幀，則判斷發送方是否重啟裝置，是則更新數據，否則丟棄數據。若StNum小於上一幀報文，則判斷發送方是否重啟裝置，是則更新數據，否則丟棄報文。在丟棄報文的情況下，判斷該網絡故障，通過網絡切換裝置切換到備用網絡進行傳輸。這種方法采用雙網同時工作的模式，保證了傳輸的快速性，由接收方判別是否通信中斷並決定是否更新數據，當接收到重傳或因某一網絡故障而傳輸的錯誤信息時，並不會更新數據，從而保證了數據的可靠性。

圖4 雙網GOOSE接收示意圖

4 GOOSE報文幀結構

根據IEC61850標準，GOOSE報文在數據鏈路層上采用ISO/IEC 8802-3以太網協議，GOOSE報文由報文頭和協議數據單元PDU兩部分組成，報文頭部分如圖5 所示，協議數據單元PDU部分如圖6 所示。

圖5 GOOSE報文頭部分

圖6 GOOSE PDU部分

GOOSE報文頭各參數含義如下：

（1）6個字節的目的地址“01 0c cd 01 00 33”和6個字節的源地址“00 10 00 00 00 33”。對於GOOSE報文的目的地址，前三個字節固定為“01-0C-CD”，第四個字節為“01”時代表GOOSE。IEC61850規定GOOSE報文目的地址取值範圍為01-0C-CD-01-00-00~01-0C-CD-01-01-ff。

（2）地址字段後面是4個字節的Tag標簽頭信息“81 00 80 00”。“81 00”是TPID的固定值；“8000”換算成二進制數為“1000000000000000”，它包括三個部分的內容，用戶優先級占據前三個Bit位“100”，CFI占第四個Bit位“0”，VLAN ID占最後十二個Bit位“000000000000”，換算成十進制數後可以看出優先級為4，VLAN ID為0。

（3）Tag標簽頭後是以太網類型值“88 b8”，代表該數據幀是一個GOOSE報文。IEC 61850中各種報文的以太網類型已經由IEEE的著作權註冊機構進行了註冊，是獨一無二的，GOOSE報文的以太網類型值是0x88B8。

（4）緊接著是應用標識APPID“00 33”，該值全站唯一。

（5）APPID後面是長度字段“00 b6”，換算成十進制數為182，表示數據幀從APPID開始到應用協議數據單元APDU結束的部分共有182個字節。

（6）保留位1和保留位2共占有4個字節，默認值為“00 00 00 00”。

GOOSE 協議數據單元PDU各參數含義如下：

（1）gocbRef：即GOOSE控制塊引用，由分層模型中的邏輯設備名、邏輯節點名、功能約束和控制塊名級聯而成。

（2）Time Allowed to Live：即報文允許生存時間，該參數值一般為心跳時間T0值的2倍，如果接收端超過2T0時間內沒有收到報文則判斷報文丟失，在4T0時間內沒有收到下一幀報文即判斷為GOOSE通信中斷，判出中斷後裝置會發出GOOSE斷鏈報警。

（3）dataset：即GOOSE控制塊所對應的GOOSE數據集引用名，由邏輯設備名、邏輯節點名和數據集名級聯而成。報文中Data部分傳輸的就是該數據集的成員值。

（4）goID：該參數是每個GOOSE報文的唯一性標識，該參數的作用和目的地址、APPID的作用類似。接收方通過對目的地址、APPID和goID等參數進行檢查，判斷是否是其所訂閱的報文。

（5）t：即Event TimeStamp，事件時標，其值為GOOSE數據發生變位的時間，即狀態號stNum加1的時間。

（6）stNum：即StateNumber，狀態序號，用於記錄GOOSE數據發生變位的總次數。

（7）sqNum：即SequenceNumber，順序號SqNum，用於記錄穩態情況下報文發出的幀數，裝置每發出一幀GOOSE報文，SqNum應加1；當有GOOSE數據變化時，該值歸0，從頭開始重新計數。

（8）test：檢修標識，用於表示發出該GOOSE報文的裝置是否處於檢修狀態。當檢修壓板投入時，test標識應為True。

（9）confRev：配置版本號，Config Revision是一個計數器，代表GOOSE數據集配置被改變的次數。當對GOOSE數據集成員進行重新排序、刪除等操作時，GOOSE數據集配置被改變。配置每改變一次，版本號應加1。

（10）ndsCom：即Needs Commissioning，該參數是一個布爾型變量，用於指示GOOSE是否需要進一步配置。

（11）NumDataSetEntries：即數據集條目數，圖中其值為“19”，代表該GOOSE數據集中含有19個成員，相應地報文Data部分含有19個數據條目。

（12）Data：該部分是GOOSE報文所傳輸的數據當前值。Data部分各個條目的含義、先後次序和所屬的數據類型都是由配置文件中的GOOSE數據集定義的。

引用自：http://www.pinlue.com/article/2017/06/0602/072485561456.html

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