GOOSE協議分析及其在工業過程控制中的應用

臧　峰　徐衛峰　吳　波　牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京　211102)

GOOSE協議分析及其在工業過程控制中的應用

臧峰徐衛峰吳波牛洪海

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211102)

摘要：面向通用對象的變電站事件(GOOSE)是IEC 61850規約的一個嶄新應用，其采用點對點(P2P)通信模式。P2P模式消除了主/從通信方式和串行通信方式存在的缺陷，可以快速、可靠地傳輸數據。對GOOSE通信協議進行了分析，并使用GOOSE協議開發了一種工業過程控制器。該控制器取得了良好的應用效果。

關鍵詞：面向通用對象的變電站事件(GOOSE)IEC 61850P2P通信協議數據傳輸數字化工業過程控制器變電站

IndustrialprocesscontrollerSubstation

0引言

面向通用對象的變電站事件(genericobjectorientedsubstationevent,GOOSE)是IEC61850系列標準中定義的一種通用變電站事件模型[1]。GOOSE在符合IEC61850的數字化變電站中得到了廣泛的應用。目前基于GOOSE協議的分布式母線保護、分布式備自投和分布式低周減載等功能已經在工程中應用，并投入商業運行[2]。文獻[3]設計了一種計算機數字控制器(computernumericalcontroller,CNC)，實現了一主多從、主從問答的控制，但是這種控制無法實現突發數據的上送，如果有突發數據只能等待主機輪詢才能上送。文獻[4]提出了一種基于ControlNet的控制器，但ControlNet的最大有效報文長度不能超過510B[5]。文獻[6]提出了一種基于DeviceNet控制器，但是由于DeviceNet采用短幀結構，不適用于大量數據傳輸。因此，本文設計了一種基于GOOSE協議的控制器，GOOSE協議支持突發報文上送，并且最大有效上送數據可達1 518B，彌補了文獻[3]～文獻[6]提出的控制器缺陷。

1系統總體方案

本文設計的工業過程控制器采用主備冗余的方案，I/O單元采用A/B網冗余方案。主備控制器通過I/OA/B冗余網絡與I/O站進行通信，但僅主控制器通過A/B網對I/O站發送控制命令，備控制器通過A/B網絡與I/O站發送心跳數據，以判斷鏈路的通斷。當備控制器升級為主控制器后，原主控制器不再發送控制報文，由新升級的主控制器來發送。

主控制器的A/B網絡同時向I/O站發送心跳報文，I/O站接收到報文后需要判斷是A網心跳還是B網心跳，然后分別進行心跳回應。主控制器的A/B網絡同時向I/O站發送GOOSE控制報文，I/O站接收到控制報文后需要判斷是否執行此報文。

系統結構如圖1所示。

2GOOSE報文機制

2.1GOOSE報文介紹

IEC61850-7-2標準定義的GOOSE服務模型可快速輸入、輸出數據，并采用一種特殊的重傳機制，以保證傳輸數據的可靠性和實時性[7-9]。GOOSE是一種實時應用，為保證GOOSE報文傳輸的可靠性與實時性，IEC61850規定GOOSE通信協議棧如圖2所示[9]。

圖1　系統結構圖

圖2　GOOSE通信協議棧

GOOSE通信協議棧具有以下特點。

①GOOSE通信協議只使用了國際標準化組織開放系統互聯(ISO/OSI)中的4層，可以顯著提高數據傳輸的可靠性，并有效降低傳輸延遲。

②GOOSE協議在數據鏈路層采用IEEE802.1Q協議，保證了報文的優先傳輸，而且提高了GOOSE網絡的安全性。

③GOOSE通信協議以點對點(peer-to-peer,P2P)通信為基礎，有效降低了設備的維護成本。

④GOOSE應用層協議中包含了數據的有效性檢測和GOOSE報文的丟失和重發機制，保證了報文的可靠傳輸。

⑤GOOSE采用以太網雙絞線或光纖傳輸，傳輸速率可達到100MB/1 000MB，完全滿足工業過程控制器對數據傳輸速率的要求。

2.2ASN.1編碼

GOOSE傳輸協議在表示層使用ASN.1的BER規則編碼，省略了傳輸層和網絡層，可直接在鏈路層上收發數據，從而最大限度地節省了協議處理時間[2]。BER編碼規則采用T-L-V格式進行編碼。其中，T表示標簽，L表示長度，V表示數據。數據V也可以是T-L-V組合[10]。具體格式如圖3所示。

圖3　T-L-V格式

根據BER的編碼規則，數據的長度與其數值的大小相關。由GOOSE報文發送的相同數據，會由于其數值的變化而導致每幀報文的長度發生變化。相應地，在數據解碼的時候也需要根據數據長度進行判斷。因此，在編碼時，由于事先不知道數據字節的長度，導致長度字節也不能確定。所以在本文設計通信協議編碼時，需采用倒敘的方式，從后往前進行編碼。

3軟件設計

3.1GOOSE報文發送機制設計

本文設計的GOOSE通信協議采用單個板卡作為一個數據集進行數據傳輸，即控制器下發控制指令和板卡上送采集數據時，都是以整塊板卡的數據作為一個通信單元。GOOSE通信采用訂閱/發布式機制，不同于請求/響應式機制，這樣設計的出發點是基于傳輸速率和網絡資源的考慮[11]。為了防止網絡負荷過重而造成GOOSE報文的丟失，采用GOOSE報文重發的機制，以保證數據傳輸的可靠性。在GOOSE報文傳輸時，采用0ms、1ms、2ms、4ms、8ms的間隔連續發送5次。如果此變量在接下來的時間內沒有變化，再以5s為間隔，周期性地發送數據；如果有變化，重新以0ms、1ms、2ms、4ms、8ms的間隔發送。在GOOSE報文中，StateNumber序號代表傳輸數據的更新，SequenceNumber代表相同報文的重傳次數[12]，報文發送流程圖如圖4所示。

圖4　GOOSE雙網冗余發送流程圖

3.2GOOSE報文接收機制設計

由于本文設計的工業過程控制器與I/O單元之間是通過A/B雙網進行通信的，所以當控制器或I/O單元接收到數據后，必須判斷是A網接收的數據還是B網接收的數據，并且需要判斷此數據是否重復接收。基于上述要求，本文對GOOSE協議的保留字段(Reserved1)進行了修改，代表發送報文的序號。當控制器或I/O單元接收到GOOSE報文后，把這個字段數據與本地保存的數據進行比較，如果接收數據不等于本地數據就進行數據更新，否則就代表是重復接收。根據GOOSE報文的發送機制可知，GOOSE采用了重傳機制防止報文丟失。因此，又利用StateNumber和SequenceNumber，對接收數據進行二重校驗。GOOSE報文的接收流程如圖5所示。

圖5　GOOSE雙網冗余接收流程圖

4性能分析

4.1實時性分析

IEC61850標準定義了報文傳輸延時，其定義如圖6所示。圖6中：Ta為報文發送延時，Tb為網絡傳輸延時，Tc為報文接收延時[12-13]。

圖6　傳輸時間定義示意圖

報文的發送延時和接收延時與通信處理器的處理能力相關，本文不作討論。

網絡傳輸延時由以下5部分組成。

①交換機存儲轉發延時Ts f。

現在的交換機都是基于存儲轉發原理實現的，因此一臺交換機的存儲轉發延時等于轉發報文長度除以傳輸速率。以100MB的交換機為例，傳輸最大GOOSE報文1 518B所需要的交換機存儲轉發延時為122μs。

②交換機的交換延時Tsw。

交換機的交換延時取決于交換機芯片的處理能力，一般工業級100MB以太網交換機的交換延時不超過10μs。

③光纜傳輸延時Twl。

光纜的傳輸延時和光纜的長度有關，一般以光纜長度除以光纜光速(約為光速的2/3)作為光纜傳輸延時。以1km光纜為例，其傳輸延時約為5μs。

④交換機報文排隊延時Tq。

交換機報文傳輸發生沖突時,采用先進先出的隊列方式進行傳輸。分別考慮最不利的情況和最優情況下的報文傳輸延時。在最不利的情況下，當前報文需要等待交換機其他網口全部發送完數據后才能發送數據，即延時時間為(K-1)×Tsf，其中K代表交換機網口數量。最優情況不需要等待，立即發送，即等待時間為0。平均等待時間(K-1)×Tsf/2 。

經分析，通過一臺24口交換機時的總延時為：

Tb=Tsf+Tsw+Twl+Tq=

122+10+5+(24-1)×122/2=

1 540 μs=1.54 ms

文獻[14]通過網絡實測，得出GOOSE報文的最大延時是1.5 ms，最小延時是0.9 ms，平均延時是1.17 ms，與本文理論分析吻合。

4.2可靠性分析

本文設計的控制器采用雙網冗余的方式實現數據的傳輸，即使控制器與I/O單元之間有一條網絡通信中斷，仍能夠正常工作。GOOSE雙網是同時工作而非主備工作，這就減少了網絡切換帶來的時間差。

5結束語

采用基于GOOSE協議的工業過程控制器，能夠快速、可靠地實現數據傳輸，極大地提高了控制系統的穩

定性與可靠性。GOOSE協議在電力系統繼電保護中已經得到廣泛的應用，但是在工業過程控制中還沒有先例。本文設計的工業過程控制系統在實際應用中性能優良，能夠可靠地實現控制指令的下發和采集數據的上傳。

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GOOSEProtocolAnalysisandApplicationinIndustrialProcessControl

Abstract：As an innovative application of IEC61850 standard, generic object oriented substation event (GOOSE) adopts the communication mode of peer-to-peer(P2P).P2P mode eliminates the defects in the master / slave communication mode and the serial communication mode, which can transfer data quickly and reliably.The GOOSE communication protocol is analyzed, and a kind of industrial process controller is developed using GOOSE protocol, which achieves good application effect.

Keywords:Generic object oriented substation event(GOOSE)IEC 61850P2PCommunication protocolData transmissionDigitization

中圖分類號：TH701;TP368

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606013

修改稿收到日期：2015-09-01。

第一作者臧峰(1983-)，男，2011年畢業于清華大學自動化專業，獲碩士學位，工程師；主要從事電力系統自動化產品的研發工作。