智能變電站過程層報文詳解

GOOSE報文GOOSE傳輸機制SendGOOSEMessage通信服務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。如在該時間間隔內沒有收到新報文，接收方將認為關聯(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)絡傳輸兼顧實時性、可靠性及網(wǎng)絡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。不存在不存在發(fā)送數(shù)據(jù)重發(fā)等待重發(fā)1）2）3）4）5）6）圖1-2GOOSE服務發(fā)布者狀態(tài)機GoEna=True（GOOSE使能），發(fā)布者發(fā)送數(shù)據(jù)集當前數(shù)據(jù)，事件計數(shù)器置1（StNum=1），報文計數(shù)器置1（SqNum=1）。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）。重發(fā)計時器到時觸發(fā)GOOSE報文重發(fā)，SqNum加1。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。最大允許時間應小于60秒。當數(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。GoEna=False，所有的GOOSE變位和重發(fā)報文均停止發(fā)送。不存在不存在有效關聯(lián)中斷1）2）3）1）圖1-3GOOSE服務訂閱者狀態(tài)機訂閱者收到GOOSE報文，啟動允許生存時間定時器。允許生存時間定時器到時溢出。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。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服務主要有以下特點：基于發(fā)布者/訂閱者結構的組播傳輸方式。發(fā)布者/訂閱者結構支持多個通信節(jié)點之間的直接通信，與點對點通信結構和客戶端/服務器通信結構相比較，發(fā)布者/訂閱者通信結構是一個數(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/訂閱者通信結構符合GOOSE報文傳輸本質，是事件驅動的。逐漸加長間隔時間的重傳機制。為了提高可靠性，通常采用應答方式確定接收者是否收到。如果在一定時間內沒有收到應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。無需應答確認機制，直接逐漸加長間隔重傳報文的方法是網(wǎng)絡傳輸兼顧實時性、可靠性及網(wǎng)絡通信流量的最佳方案。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)先傳輸應用層經(jīng)表示層后，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層?；谕ㄐ殴δ芊謱拥母拍睿琌SI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服務的通信協(xié)議棧。從圖中可以看出，這一服務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?；跀?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、品質等。GOOSE報文幀結構根據(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）TCIPriorityCFIVIDVID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），可實現(xiàn)網(wǎng)絡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：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。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)先級值由配置設定，用于將采樣值和對時間要求苛刻的保護相關GOOSE報文與低優(yōu)先級的網(wǎng)絡負荷分開。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應避免使用，對于正常網(wǎng)絡流量，可能引起不可預測的延遲。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權威機構注冊。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)分應用關聯(lián)。GOOSE的APPID預留值范圍是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和應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的長度。長度應是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：為未來標準化的應用而保留（在IEC61850標準第二版已部分定義用于測試設備標記和根據(jù)IEC62351標準定義的加密域），缺省值為0。APDU（報文內容）域：使用抽象語法標記（ASN.1），描述APDU的構成，包含以下數(shù)據(jù)內容：GoCBReference，可視字符串，GOOSE控制塊引用名；TimeAllowedtoLive，32位無符號整形數(shù)，允許生存時間；工程應用中一般為2T0=10S。DataSet，可視字符串，數(shù)據(jù)集引用名；GoID，可視字符串，GOOSE標識符；T，Utc時間，狀態(tài)號StNum加1時的時間；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；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；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；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應設置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SV傳輸機制SendMSVMessage通信服務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。當采樣速率較高時，SendMSVMessage通信服務映射應提供在應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU被遞交到傳輸緩沖區(qū)前，將若干應用服務數(shù)據(jù)單元ASDU連接成一個應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的性能。一個應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元的應用服務數(shù)據(jù)單元個數(shù)是可以配置的，并與采樣速率有關，但為了減少實現(xiàn)的復雜性，應用服務數(shù)據(jù)單元配置不是動態(tài)的。當若干應用服務數(shù)據(jù)單元連接成一幀時，帶有最早采樣值的應用服務數(shù)據(jù)單元是幀中的第一個應用服務數(shù)據(jù)單元。如圖1-1所示。圖1-1多個ASDU連接成一個APDU每個應用服務數(shù)據(jù)單元都攜帶有采樣計數(shù)器SmpCnt和采樣同步標識SmpSynch。當取得新采樣值時，采樣計數(shù)器加1；當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的同步時刻。SendMSVMessage服務與SendGOOSEMessage服務都是基于數(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、位串等等。不同的是，SendGOOSEMessage服務是在數(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)?，傳輸?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，可以將多個應用服務數(shù)據(jù)單元ASDU合并到一個應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元統(tǒng)一傳輸，減少網(wǎng)絡帶寬占用。SendMSVMessage服務主要有以下特點：基于發(fā)布者/訂閱者結構的組播傳輸方式。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。應用服務數(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)絡傳輸效率，可將多個應用服務數(shù)據(jù)單元合并到一個應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元一同發(fā)送。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)先級的內容，支持流量優(yōu)先權控制協(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。應用層經(jīng)表示層后，直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層。與SendGOOSEMessage服務的通信協(xié)議棧相同。SengMSVMessage服務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)的復雜性?；跀?shù)據(jù)集傳輸。SV報文幀結構根據(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)先級值由配置設定，用于將采樣值與低優(yōu)先級的網(wǎng)絡負荷分開。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應避免使用，對于正常網(wǎng)絡流量，可能引起不可預測的延遲。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權威機構注冊。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（應用標識）域：APPID用于選擇采樣值信息并能夠區(qū)分應用關聯(lián)。9-2SV的APPID值預留值范圍是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和應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的長度（見圖2-1）。故長度應是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：為未來標準化的應用而保留（在IEC61850標準第二版已部分定義用于測試設備標記和根據(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TagLengthASDU數(shù)目n（u16）ASDU1ASDU2…………ASDUn采用與基本編碼規(guī)則(BER)相關的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可以構造為T-L-V組合本身。表1-2IEC61850-9-2采樣值報文APDU結構內容說明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INT16USequenceofASDUtagASDU序列標記（=0xA2）SequenceofASDUlengthSequenceofASDU長度ASDUASDU內容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n≤127時Length只有一個字節(jié)，值為n；當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)，第二個字節(jié)開始給出n，基于256，高位優(yōu)先。表1-3IEC61850-9-2采樣值報文ASDU結構內容說明AS