智能變電站過程層報文詳解

智能變電站過程層報文GOOSE報文GOOSE傳輸機制SendGOOSEMessage通信服務(wù)映射使用一種特殊的重傳方案來獲得合適級別的可靠性。重傳序列中的每個報文都帶有允許生存時間參數(shù)，用于通知接收方等待下一次重傳的最長時間。如在該時間間隔內(nèi)沒有收到新報文，接收方將認為關(guān)聯(lián)丟失。事件傳輸時間如圖1-1所示。從事件發(fā)生時刻第一幀報文發(fā)出起，經(jīng)過兩次最短傳輸時間間隔T1重傳兩幀報文后，重傳間隔時間逐漸加長直至最大重傳間隔時間T0。標準沒有規(guī)定逐漸重傳時間間隔計算方法。事實上，重傳報文機制是網(wǎng)絡(luò)傳輸兼顧實時性、可靠性及網(wǎng)絡(luò)通信流量的最佳方案，而逐漸重傳報文已越來越不能滿足實時性要求，對重傳間隔時間已沒有必要規(guī)定。圖1-1GOOSE事件傳輸時間SendGOOSEMessage服務(wù)以主動無須確認的發(fā)布者/訂閱者組播方式發(fā)送變化信息，其發(fā)布者和訂閱者狀態(tài)機見圖1-2和圖1-3。圖1-2GOOSE服務(wù)發(fā)布者狀態(tài)機1） GoEna=True（GOOSE使能），發(fā)布者發(fā)送數(shù)據(jù)集當(dāng)前數(shù)據(jù)，事件計數(shù)器置1（StNum=1），報文計數(shù)器置1（SqNum=1）。2） 發(fā)送數(shù)據(jù)，SqNum=0，發(fā)布者啟動根據(jù)允許生存時間確定的重發(fā)計時器，重發(fā)計時器計時時間比允許生存時間短（通常為一半）。3） 重發(fā)計時器到時觸發(fā)GOOSE報文重發(fā)，SqNum加1。4） 重發(fā)后，開始下一個重發(fā)間隔，啟動重發(fā)計時器。重發(fā)間隔計算方法和重發(fā)之間的最大允許時間都由發(fā)布者確定。最大允許時間應(yīng)小于60秒。5） 當(dāng)數(shù)據(jù)集成員數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，發(fā)布者發(fā)送數(shù)據(jù)，StNum加1，SqNum=0。6） GoEna二False，所有的GOOSE變位和重發(fā)報文均停止發(fā)送。3）圖3）圖1-3GOOSE服務(wù)訂閱者狀態(tài)機1） 訂閱者收到GOOSE報文，啟動允許生存時間定時器。2） 允許生存時間定時器到時溢出。3） 收到有效GOOSE變位報文或重發(fā)報文，重啟允許生存時間定時器。圖1-4~8以某距離保護A相跳閘為例演示了保護跳閘信號從動作到返回過程中SendGOOSEMessage服務(wù)的報文時序。圖1-4保護動作前數(shù)據(jù)重發(fā)保護動作前，SendGOOSEMessage服務(wù)以最大重傳時間間隔T0（圖中為1024ms）重傳報文，讓接收方能檢測到關(guān)聯(lián)的存在，報文數(shù)據(jù)信息全部是0，即保護不動作。重傳報文時，事件計數(shù)器不變StNum，報文計數(shù)器SqNum加1。圖1-5保護動作時刻數(shù)據(jù)發(fā)送保護動作時刻，SendGOOSEMessage服務(wù)立即發(fā)送變位報文，事件計數(shù)器不變StNum加1，報文計數(shù)器SqNum清零。報文數(shù)據(jù)中距離保護總動作和A相動作信號為1；B相和C相動作信號為0，表明此刻距離保護動作，故障相別為A相。圖1-6保護動作過程中數(shù)據(jù)重發(fā)保護動作過程中，從事件發(fā)生時刻第一幀報文發(fā)出起，SendGOOSEMessage服務(wù)經(jīng)過兩次最短

傳輸時間間隔T1（圖中為1ms）重傳兩幀報文后，重傳間隔時間逐漸加長直至最大重傳間隔時間T0（圖中示例并未到T0，保護就返回了，啟動新的數(shù)據(jù)刷新報文），保證了動作信息傳遞的實時性、可靠性。保護程序判斷結(jié)果

距離I段動作，跳A相返回時間到GndPDISI.Op.general0GndPDIS1.Op.PhsA可靠性。保護程序判斷結(jié)果

距離I段動作，跳A相返回時間到GndPDISI.Op.general0GndPDIS1.Op.PhsA0GndPDIS1.Op.PhsB0GndPDIS1.Op.PhsC0保護程序：刷新數(shù)據(jù)一—一—一。-。一O-0-0■OSt5St5 St6St6St6St6St7Sq7Sq8 SqOSq1Sq2Sq3SqOtftftti - J—一1024ms Ilms1ms2ms|lms1ms2ms1024msst：事件計數(shù)器事件發(fā)生時刻事件發(fā)生時刻Sq：報文計數(shù)器St加1,Sq清零St加1,Sq清零圖1-7保護返回時刻數(shù)據(jù)發(fā)送保護返回時刻與保護動作時刻相似，SendGOOSEMessage服務(wù)立即發(fā)送變位報文，事件計數(shù)器不變StNum加1，報文計數(shù)器SqNum清零。報文數(shù)據(jù)全為0，表明此刻距離保護返回。圖1-8保護返回后數(shù)據(jù)重發(fā)保護返回后，從返回時刻第一幀報文發(fā)出起，SendGOOSEMessage服務(wù)經(jīng)過兩次最短傳輸時間間隔T1重傳兩幀報文后，重傳間隔時間逐漸加長直至最大重傳間隔時間T0。SendGOOSEMessage服務(wù)主要有以下特點：1） 基于發(fā)布者/訂閱者結(jié)構(gòu)的組播傳輸方式。發(fā)布者/訂閱者結(jié)構(gòu)支持多個通信節(jié)點之間的直接通信，與點對點通信結(jié)構(gòu)和客戶端/服務(wù)器通信結(jié)構(gòu)相比較，發(fā)布者/訂閱者通信結(jié)構(gòu)是一個數(shù)據(jù)源（即發(fā)布者）向多個接收者（即訂閱者）發(fā)送數(shù)據(jù)的最佳方式，尤其適合于數(shù)據(jù)流量大，實時性要求高，數(shù)據(jù)需要共享的數(shù)據(jù)通信，這一點非常適合于變電站內(nèi)自動化系統(tǒng)的IED之間數(shù)據(jù)交換與共享。發(fā)布者/訂閱者通信結(jié)構(gòu)符合GOOSE報文傳輸本質(zhì)，是事件驅(qū)動的。2） 逐漸加長間隔時間的重傳機制。為了提高可靠性，通常采用應(yīng)答方式確定接收者是否收到。如果在一定時間內(nèi)沒有收到應(yīng)答報文或收到接收錯誤的報文，發(fā)送者可以采取重發(fā)的方法彌補前一次通信失敗。但是，這種應(yīng)答方式難以滿足快速通信需求，尤其是在報文丟失的情況下，重發(fā)可能需要等待較長時間。無需應(yīng)答確認機制，直接逐漸加長間隔重傳報文的方法是網(wǎng)絡(luò)傳輸兼顧實時性、可靠性及網(wǎng)絡(luò)通信流量的最佳方案。3） GOOSE報文攜帶優(yōu)先級/VLAN標志。在數(shù)據(jù)鏈路層，為了提高速度，GOOSE報文采用VLAN標簽協(xié)議，在數(shù)據(jù)中增加表示優(yōu)先級的內(nèi)容，支持VLAN標簽協(xié)議的以太網(wǎng)交換機會根據(jù)優(yōu)先級進行實時處理，保證其實時特性。圖1-9是以太網(wǎng)交換機處理帶VLAN標簽幀的報文處理示意圖。圖1-9交換機優(yōu)先傳輸4） 應(yīng)用層經(jīng)表示層后，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層。基于通信功能分層的概念，OSI參考模型（ISO/IEC7498-1）給出了詳細的通信模型。為使通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，該模型規(guī)定了5-7層，并詳細給出了每層的功能要求。圖1-10OSI七層參考模型圖1-11為SendGOOSE服務(wù)的通信協(xié)議棧。從圖中可以看出，這一服務(wù)只用了國際標準化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)（ISO/OSI）中的4層，不經(jīng)過會話層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，其目的是提高可靠性和降低傳輸延時。圖1-11GOOSE通信協(xié)議棧5） 基于數(shù)據(jù)集傳輸。數(shù)據(jù)集是有序的功能約束數(shù)據(jù)或功能約束數(shù)據(jù)屬性集合?？蛻舳?服務(wù)器或發(fā)布者/訂閱者雙邊均知道數(shù)據(jù)集的成員和順序，因此基于數(shù)據(jù)集的通信僅需要傳輸數(shù)據(jù)集名及其引用的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)屬性當(dāng)前值，這將有效利用通信帶寬。另外，經(jīng)過會話層的標準編碼，數(shù)據(jù)集可以傳輸標準規(guī)定的各種數(shù)據(jù)類型，包括模擬量、時標、品質(zhì)等。GOOSE報文幀結(jié)構(gòu)根據(jù)IEC61850標準，GOOSE報文在數(shù)據(jù)鏈路層上采用ISO/IEC8802.3協(xié)議（即以太網(wǎng)協(xié)議），其以太網(wǎng)報文幀格式如圖1-1所示。圖1-1GOOSE報文以太網(wǎng)幀格式字節(jié)87654321TPID0x8100（依據(jù)802.1Q）TCIPriorityCFVIDVID圖1-2優(yōu)先級/VLAN標簽GOOSE報文不同于普通以太網(wǎng)報文，在標準的以太網(wǎng)報文頭加入了VLAN標簽，標簽中包含了12bit的虛擬局域網(wǎng)標識碼（VLAN標簽）和3bit的報文優(yōu)先級碼（流量優(yōu)先權(quán)），可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)VLAN隔離和優(yōu)先傳輸（交換機須支持），優(yōu)先級/VLAN標志幀格式見圖1-1。GOOSE報文解析見下圖1-3：圖1-3GOOSE報文解析MAC地址域：為了傳輸GOOSE報文，必須配置符合ISO/IEC8802-3的多播目的地址。其中：1） Destination:01:0c:cd:01:22:02為發(fā)送裝置實際發(fā)送GOOSE報文的目標MAC地址。此地址作為接收裝置的識別標識之一。2） Source:00:79:77:74:10:52為發(fā)送裝置網(wǎng)卡的物理地址，MAC芯片出廠時已確定，不隨程序及應(yīng)用發(fā)生改變。TPID（標志協(xié)議標識）域：表示為VLAN標簽以太網(wǎng)編碼幀的以太網(wǎng)類型，該值為0x8100。TCI（標志控制信息）域：Priority（用戶優(yōu)先級），用戶優(yōu)先級值由配置設(shè)定，用于將采樣值和對時間要求苛刻的保護相關(guān)GOOSE報文與低優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)負荷分開°VLAN標簽允許帶有優(yōu)先級的實現(xiàn)，長度為3bit（0?7），高優(yōu)先級的幀應(yīng)具有優(yōu)先級4-7,低優(yōu)先級具有1-3。值1是無標志幀的優(yōu)先級，0應(yīng)避免使用，對于正常網(wǎng)絡(luò)流量，可能引起不可預(yù)測的延遲。CFI（標準格式指示位），一個一位長度標識值。CFI值為0說明是規(guī)范格式，1為非規(guī)范格式，GOOSE報文是標準格式，因此值應(yīng)為0。VID（虛擬LAN標識），長度為12bit（0~4095），0表示不屬于任何VLAN，VID為可由系統(tǒng)配置設(shè)置。EtherType（以太網(wǎng)報文類型）域：基于ISO/IEC8802-3MAC子層的以太網(wǎng)類型被IEEE權(quán)威機構(gòu)注冊。GOOSE直接映射到保留的以太網(wǎng)類型和以太網(wǎng)類型協(xié)議數(shù)據(jù)單元，分配值為0x88B8。APPID（應(yīng)用標識）域：APPID用于選擇含有GSE管理和GOOSE報文的ISO/IEC8802-3幀并能夠區(qū)分應(yīng)用關(guān)聯(lián)。GOOSE的APPID預(yù)留值范圍是0x0000到0x3fff。如APPID未配置，其缺省值為0x0000。缺省值用于表示缺乏配置。Length（長度）域：長度字節(jié)數(shù)包含從APPID開始以太網(wǎng)PDU和應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的長度。長度應(yīng)是8+m，其中m是APDU的長度，且m<1492。與此不一致的幀或非法長度域的幀將被丟棄。Reserved1和Reserved2（保留1和保留2）域：為未來標準化的應(yīng)用而保留（在IEC61850標準第二版已部分定義用于測試設(shè)備標記和根據(jù)IEC62351標準定義的加密域），缺省值為0。APDU（報文內(nèi)容）域：使用抽象語法標記（ASN.1），描述APDU的構(gòu)成，包含以下數(shù)據(jù)內(nèi)容：1） GoCBReference，可視字符串，GOOSE控制塊引用名；2） TimeAllowedtoLive，32位無符號整形數(shù)，允許生存時間；工程應(yīng)用中一般為2T0=10S。3） DataSet，可視字符串，數(shù)據(jù)集引用名；4） GoID，可視字符串，GOOSE標識符；5） T，Utc時間，狀態(tài)號StNum加1時的時間；6） StNum，32位無符號整形數(shù)，狀態(tài)號計數(shù)器，數(shù)據(jù)集成員值發(fā)生變化發(fā)送GOOSE報文時該序號加1；7） SqNum，32位無符號整形數(shù)，順序號計數(shù)器，每重發(fā)一次GOOSE報文，該序號加1，每次狀態(tài)號加1時，該序號清零；8） TEST，布爾量，檢修位，該參數(shù)為TRUE時表示報文的值不得用于運行；9） ConfRev，32位無符號整形數(shù)，配置版本號，無符號整形數(shù)，GOOSE數(shù)據(jù)集引用成員發(fā)生變化或重新排序時，版本號加1;NdsCom，布爾量，需要重新配置標識，如果數(shù)據(jù)集屬性為空或數(shù)據(jù)大小超出SCSM規(guī)定的最大值，則NdsCom應(yīng)設(shè)置TRUE；NumDatSetEntries，32位無符號整形數(shù)，數(shù)據(jù)集成員個數(shù)；AllData，所有引用數(shù)據(jù)；SV報文2.1.SV傳輸機制SendMSVMessage通信服務(wù)映射使用帶采樣計數(shù)器SmpCnt和采樣同步標識SmpSynch的方式，按一定采樣率同步采樣的數(shù)據(jù)定期傳送。當(dāng)采樣速率較高時，SendMSVMessage通信服務(wù)映射應(yīng)提供在應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU被遞交到傳輸緩沖區(qū)前，將若干應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU連接成一個應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的性能。一個應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元個數(shù)是可以配置的，并與采樣速率有關(guān)，但為了減少實現(xiàn)的復(fù)雜性，應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元配置不是動態(tài)的。當(dāng)若干應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元連接成一幀時，帶有最早采樣值的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元是幀中的第一個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元。如圖1-1所示。圖1-1多個ASDU連接成一個APDU每個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元都攜帶有采樣計數(shù)器SmpCnt和采樣同步標識SmpSynch。當(dāng)取得新采樣值時，采樣計數(shù)器加1；當(dāng)采樣被時鐘信號同步時并在同步時刻，采樣計數(shù)器清零。當(dāng)采樣時鐘信號失去且經(jīng)過一段時間裝置自身時鐘已不再精確時，采樣同步標識應(yīng)為“False”，這樣訂閱者可根據(jù)采樣計數(shù)器和采樣同步標識便可準確知道采樣值報文是否同步以及相應(yīng)的同步時刻。SendMSVMessage服務(wù)與SendGOOSEMessage服務(wù)都是基于數(shù)據(jù)集DATASET傳輸數(shù)據(jù)，都可以快速傳輸任何標準規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，包括布爾量、整形數(shù)、浮點數(shù)、品質(zhì)、位串等等。不同的是，SendGOOSEMessage服務(wù)是在數(shù)據(jù)集成員數(shù)據(jù)變化時傳輸，并通過逐漸加長直至最大重傳間隔時間重傳數(shù)據(jù)提高可靠性；SendMSVMessage報文是快速連續(xù)傳輸?shù)模瑐鬏數(shù)臄?shù)據(jù)需要同步采樣。正常情況下，采樣值傳輸數(shù)據(jù)流量遠遠大于GOOSE報文傳輸數(shù)據(jù)流量，可以將多個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元ASDU合并到一個應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元統(tǒng)一傳輸，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。SendMSVMessage服務(wù)主要有以下特點：1） 基于發(fā)布者/訂閱者結(jié)構(gòu)的組播傳輸方式。2） 同步數(shù)據(jù)采樣。SV報文數(shù)據(jù)嚴格按時鐘同步采樣，并保持采樣頻率、次數(shù)和順序恒定。3） 應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元可合并。為減少采樣值傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，可將多個應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元合并到一個應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元一同發(fā)送。4） SV報文攜帶優(yōu)先級/VLAN標志。與GOOSE報文相同，SV報文采用VLAN標簽協(xié)議，在數(shù)據(jù)中增加表示優(yōu)先級的內(nèi)容，支持流量優(yōu)先權(quán)控制協(xié)議的以太網(wǎng)交換機會根據(jù)優(yōu)先級進行實時處理，保證其實時特性。5） 應(yīng)用層經(jīng)表示層后，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層。與SendGOOSEMessage服務(wù)的通信協(xié)議棧相同。SengMSVMessage服務(wù)也只用了國際標準化組織開放系統(tǒng)互聯(lián)（ISO/OSI）中的4層，不經(jīng)過會話層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，其目的是提高可靠性和降低傳輸延時，降低實現(xiàn)的復(fù)雜性。6） 基于數(shù)據(jù)集傳輸。SV報文幀結(jié)構(gòu)根據(jù)IEC61850-9-2標準，SV報文在數(shù)據(jù)鏈路層上采用ISO/IEC8802.3協(xié)議（即以太網(wǎng)協(xié)議），其以太網(wǎng)報文幀格式如圖1-1所示。與GOOSE報文相同，9-2SV報文在標準的以太網(wǎng)報文頭加入了VLAN標簽與優(yōu)先級Tag，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)VLAN隔離和優(yōu)先傳輸（交換機須支持）。GOOSE報文解析示意圖如圖1-2所示：圖1-2-GOOSE報文解析示意圖MAC地址域：必須配置符合ISO/IEC8802-3的多播目的地址。TPID（標志協(xié)議標識）域：表示為VLAN標簽以太網(wǎng)編碼幀的以太網(wǎng)類型。該值為0x8100。圖1-19-2SV報文以太網(wǎng)幀格式TCI（標志控制信息）域：Priority（用戶優(yōu)先級），用戶優(yōu)先級值由配置設(shè)定，用于將采樣值與低優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)負荷分開。VLAN標簽允許帶有優(yōu)先級的實現(xiàn)，長度為3bit（0?7），高優(yōu)先級的幀應(yīng)具有優(yōu)先級4-7,低優(yōu)先級具有1-3。值1是無標志幀的優(yōu)先級，0應(yīng)避免使用，對于正常網(wǎng)絡(luò)流量，可能引起不可預(yù)測的延遲。CFI（標準格式指示位），一個一位長度標識值。CFI值為0說明是規(guī)范格式，1為非規(guī)范格式，SV報文是標準格式，因此值應(yīng)為0。VID（虛擬LAN標識），長度為12bit（0~4095），0表示不屬于任何VLAN,VID為可由系統(tǒng)配置設(shè)置。EtherType（以太網(wǎng)報文類型）域：基于ISO/IEC8802-3MAC子層的以太網(wǎng)類型被IEEE權(quán)威機構(gòu)注冊。9-2SV直接映射到保留的以太網(wǎng)類型和以太網(wǎng)類型協(xié)議數(shù)據(jù)單元，分配值為0x88BA。APPID（應(yīng)用標識）域：APPID用于選擇采樣值信息并能夠區(qū)分應(yīng)用關(guān)聯(lián)。9-2SV的APPID值預(yù)留值范圍是0x4000到0x7fff。如APPID未配置，其缺省值為0x4000。缺省值用于表示缺乏配置。Length（長度）域：長度字節(jié)數(shù)包含從APPID開始以太網(wǎng)類型PDU和應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的長度（見圖2-1）。故長度應(yīng)是8+m，其中m是APDU的長度，且m<1492。與此不一致的幀或非法長度域的幀將被丟棄。Reserved1和Reserved2（保留1和保留2）域：為未來標準化的應(yīng)用而保留（在IEC61850標準第二版已部分定義用于測試設(shè)備標記和根據(jù)IEC62351標準定義的加密域），缺省值為0。APDU（報文內(nèi)容）域：一個APDU可以由多個ASDU鏈接而成。表1-1IEC61850-9-2采樣值報文APDU部分Tag|一Length|ASDU數(shù)目n（u16）|ASDU1|ASDU2| | ASDUn|采用與基本編碼規(guī)則（BER）相關(guān)的ASN.1語法對通過ISO/IEC8802-3傳輸?shù)牟蓸又敌畔⑦M行編碼?；揪幋a規(guī)則的轉(zhuǎn)換語法具有T-L-V（類型-長度-值Type-Length-Value）或者是（標記-長度-值Tag-Length-Value）三個一組的格式.所有域（T、L或V）都是一系列的8位位組。值V可以構(gòu)造為T-L-V組合本身。表1-2IEC61850-9-2采樣值報文APDU結(jié)構(gòu)內(nèi)容說明savPdutagAPDU標記（=0x60）savPdulengthAPDU長度（從noASDUtag開始）noASDUtagASDU數(shù)目標記（=0x80）

noASDUlengthASDU數(shù)目長度noASDUvalueASDU數(shù)目值（=1）類型INT16U編碼為asn.1整型編碼SequenceofASDUtagASDU序列標記（=0xA2）SequenceofASDUlengthSequenceofASDU長度 ASDU ASDU內(nèi)容APDU的Length表示數(shù)據(jù)域的長度。假定數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)為n。按ASN.1的編碼規(guī)則，當(dāng)nW127時Length只有一個字節(jié)，值為n；當(dāng)n>127時，Length有2?127字節(jié)，第一個字節(jié)的Bit7為1,Bit0?6為Length總字節(jié)數(shù)，第