智能變電站GOOSE通信異常分類(lèi)研究及影響分析

王進(jìn)虎，王 娜

(1.天津送變電工程有限公司，天津 300000；2.天津市電子信息技師學(xué)院，天津 300350)

GOOSE是用報(bào)文方式表示的一種面向通用對(duì)象的變電站事件是IEC61850中規(guī)定的一種對(duì)快速報(bào)文進(jìn)行可靠傳輸?shù)臋C(jī)制，也采用“發(fā)布-訂閱”的模式。與SV通信服務(wù)不同之處在于SV通信服務(wù)是對(duì)采樣值進(jìn)行傳輸，GOOSE通信服務(wù)主要是用于各種事件傳輸，如智能變電站內(nèi)各種IED設(shè)備相互之間的實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸。GOOSE報(bào)文實(shí)時(shí)傳輸?shù)男畔ǎ罕Ｗo(hù)裝置到智能終端的跳、合閘命令、遙控命令；各種保護(hù)裝置間的信息，如線路保護(hù)到母差保護(hù)的分相啟動(dòng)失靈開(kāi)入、閉鎖重合閘、遠(yuǎn)跳等；一次斷路器隔離開(kāi)關(guān)設(shè)備的遙信信號(hào)，包括斷路器隔離開(kāi)關(guān)分合位、低氣壓告警、壓力低閉鎖跳合閘等；間隔層的聯(lián)閉鎖信息等[1]。基于GOOSE傳輸信息的重要性，GOOSE通信狀態(tài)對(duì)智能變電站的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

1 GOOSE通信技術(shù)

在常規(guī)變電站中各裝置之間的信號(hào)傳輸是通過(guò)電纜硬接線實(shí)現(xiàn)，每根電纜線芯只能傳輸一個(gè)信號(hào)的狀態(tài)。在智能變電站中采用了GOOSE通信服務(wù)利用網(wǎng)絡(luò)傳輸代替了常規(guī)的電纜，不僅大大減少了電纜的使用，節(jié)省了投資造價(jià)，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜線芯的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。GOOSE通信服務(wù)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)通信鏈路是否正常，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置之間二次回路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于開(kāi)展運(yùn)維工作，并且由于二次電纜使用減少，也大大減少了智能變電站內(nèi)直流接地、絕緣破壞等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

IEC61850-7-2定義的GOOSE服務(wù)模型使輸入、輸出數(shù)據(jù)值在整個(gè)智能變電站系統(tǒng)范圍內(nèi)快速、可靠地傳輸成為可能。目前智能變電站工程應(yīng)用中GOOSE報(bào)文的發(fā)送機(jī)制如圖1所示。其中T0為心跳時(shí)間，其意義是發(fā)送端在裝置正常的情況下，無(wú)狀態(tài)變位時(shí)，每隔T0時(shí)間裝置會(huì)發(fā)送1幀報(bào)文，用于傳輸當(dāng)前各通道狀態(tài)，該報(bào)文又稱為心跳報(bào)文。正常運(yùn)行時(shí)，GOOSE報(bào)文以T0時(shí)間間隔循環(huán)發(fā)送，每幀GOOSE報(bào)文的信息相同。當(dāng)數(shù)據(jù)集中的任意一個(gè)數(shù)據(jù)成員狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，裝置會(huì)立刻停止心跳報(bào)文發(fā)送，立即發(fā)送整個(gè)數(shù)據(jù)集的事件變化報(bào)文，此時(shí)發(fā)送間隔被縮短T1。變化后的GOOSE報(bào)文發(fā)送完成1次后，GOOSE服務(wù)器將以最短時(shí)間T1再次發(fā)送1幀相同的報(bào)文，通過(guò)這種方式將變化的GOOSE報(bào)文快速重傳2次。在3次快速傳輸完成后，GOOSE報(bào)文的發(fā)送間隔將再次拉長(zhǎng)，分別以T2、T3時(shí)間間隔各發(fā)送1次GOOSE報(bào)文，最后又將進(jìn)入穩(wěn)態(tài)傳輸過(guò)程，以T0時(shí)間間隔循環(huán)發(fā)送心跳報(bào)文[2]。

圖1 GOOSE報(bào)文發(fā)送機(jī)制

在國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用中，根據(jù)相關(guān)的規(guī)范，GOOSE報(bào)文的心跳時(shí)間T0一般設(shè)置為5000 ms，2倍的GOOSE報(bào)文心跳時(shí)間即2T0稱為GOOSE報(bào)文允許生存時(shí)間。T1一般設(shè)置為2 ms，T2一般設(shè)置為4 ms，T3一般設(shè)置為8 ms。在接收裝置一端如果接收?qǐng)?bào)文的時(shí)間超過(guò)2T0仍未接收到下一幀GOOSE報(bào)文，裝置報(bào)出告警信號(hào)，以此判斷為GOOSE通信中斷，從而監(jiān)視通信狀態(tài)是否正常，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。這樣就能夠克服傳統(tǒng)的電纜連接方式無(wú)法對(duì)電纜線芯進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的弊端，能夠大大提高智能變電站二次回路的可靠性。

2 GOOSE通信異常分類(lèi)及影響分析

在智能變電站中GOOSE通信的實(shí)現(xiàn)需要在ICD文件中預(yù)先定義GOOSE控制塊，配置好GOID、APPID等參數(shù)，在設(shè)置過(guò)程中保證全站的唯一性，根據(jù)SCD文件的通信配置具體實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的GOOSE功能。虛端子模型也同樣適用于GOOSE通信，并且只允許一對(duì)一或者一對(duì)多的連接方式，不支持多對(duì)一[3]。當(dāng)報(bào)文出現(xiàn)配置文件不一致時(shí)，接收方送出告警信號(hào)，具體判斷依據(jù)是配置版本號(hào)及DA類(lèi)型不匹配。當(dāng)GOOSE通信中斷時(shí)應(yīng)送出告警信號(hào)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)斷鏈告警。GOOSE斷鏈不是斷鏈后立即發(fā)出的，而是在2倍心跳報(bào)文的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到下一幀報(bào)文才發(fā)出斷鏈告警，雙網(wǎng)通信時(shí)需要分別設(shè)置雙網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)斷鏈告警。

發(fā)送方智能設(shè)備GOOSE報(bào)文發(fā)送實(shí)施過(guò)程是當(dāng)裝置啟動(dòng)完成后，GOOSE控制塊會(huì)自動(dòng)使能，當(dāng)數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)均完成初始化后，智能設(shè)備會(huì)將數(shù)據(jù)集變位情況統(tǒng)一發(fā)送1次，將GOOSE數(shù)據(jù)集內(nèi)的信息初始狀態(tài)迅速告知接收方智能設(shè)備。對(duì)于220 kV及以上電壓等級(jí)的智能變電站，由于保護(hù)裝置需要雙重化配置，對(duì)于組網(wǎng)方式的通信，GOOSE通信需要采用A、B雙網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，使2套保護(hù)裝置間完全隔離。采用直接跳閘方式的所有GOOSE網(wǎng)口同一組報(bào)文應(yīng)同時(shí)發(fā)送，除源MAC地址外，報(bào)文內(nèi)容應(yīng)完全一致，系統(tǒng)配置時(shí)不必體現(xiàn)物理網(wǎng)口差異[4]。

接收方的智能設(shè)備具有相應(yīng)的GOOSE接收機(jī)制來(lái)保證通信的正常進(jìn)行。在智能變電站中接收方的智能設(shè)備在收到GOOSE報(bào)文時(shí)，要對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，確保報(bào)文的格式和內(nèi)容符合相應(yīng)的規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求。檢查的具體內(nèi)容主要包括AppID、GOID、GOCBRef、DataSet、ConfRev 等參數(shù)是否與接收方智能設(shè)備的配置文件內(nèi)容一致。接收方接收GOOSE報(bào)文過(guò)程中要判斷通信是否中斷或者發(fā)送方裝置是否出現(xiàn)故障。當(dāng)檢測(cè)到通信中斷或發(fā)送方配置版本不一致時(shí)，接收方的裝置處理方式是保持GOOSE接收信息與中斷前一致，只有個(gè)別的如啟動(dòng)失靈開(kāi)入等要清零處理。間隔層裝置虛端子通常不關(guān)聯(lián)時(shí)標(biāo)采用本裝置時(shí)標(biāo)。GOOSE報(bào)文無(wú)論是直接傳輸還是經(jīng)過(guò)交換機(jī)組網(wǎng)傳輸，接收方收到報(bào)文的時(shí)刻都不是真正變位的時(shí)刻，因此，智能終端要在發(fā)出該報(bào)文時(shí)帶UTC時(shí)標(biāo)信息，用來(lái)標(biāo)注發(fā)生變位的絕對(duì)時(shí)間，以便其他智能設(shè)備使用該GOOSE報(bào)文能夠獲取具體的變位時(shí)刻[5-6]。

GOOSE通信異常時(shí)發(fā)出的告警信息主要有接收?qǐng)?bào)文的配置不一致和GOOSE通信鏈路中斷告警。同時(shí)GOOSE通信告警與SV通信告警也有相似之處，引起原因也主要分為智能電子設(shè)備配置文件和通信鏈路物理連接兩大類(lèi)。GOOSE報(bào)文中的AppID、GOID、GOCBRef、DataSet、ConfRev等參數(shù)正確與否會(huì)直接影響GOOSE通信的狀態(tài)。

a.配置文件異常對(duì)GOOSE通信的影響

在配置版本ConfRev、配置的數(shù)據(jù)集數(shù)目、數(shù)據(jù)集對(duì)應(yīng)位置的數(shù)據(jù)類(lèi)型不一致時(shí)接收方裝置會(huì)報(bào)出配置文件出錯(cuò)或者不一致等告警信息。例如：在GOOSE數(shù)據(jù)集中跳閘命令的數(shù)據(jù)屬性為BOOL，各種隔離開(kāi)關(guān)、斷路器分合位置的數(shù)據(jù)屬性為Bstring，電流電壓交流采樣值的數(shù)據(jù)屬性為P，標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)屬性為Utctime，額定延時(shí)的數(shù)據(jù)屬性為C等。各種不同的數(shù)據(jù)成員都對(duì)應(yīng)于自己的數(shù)據(jù)屬性，當(dāng)數(shù)據(jù)成員的屬性不正確時(shí)，接收方的智能電子設(shè)備就會(huì)報(bào)出裝置配置文件出錯(cuò)的告警。配置版本ConfRev在數(shù)據(jù)集成員刪除、類(lèi)型改變、順序變化時(shí)相應(yīng)的配置版本會(huì)發(fā)生變化，如果發(fā)送方與接收方的配置版本不一致會(huì)導(dǎo)致兩者無(wú)法正常的通信。如果發(fā)送方與接收方中配置文件中的數(shù)據(jù)集條目數(shù)參數(shù)不同也會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的告警的信息出現(xiàn)。需要指出的是對(duì)于發(fā)送方的裝置，數(shù)據(jù)集條目數(shù)參數(shù)不能為0，否則相應(yīng)的數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)成員將無(wú)法發(fā)送。上述的情況會(huì)導(dǎo)致GOOSE通信異常，接收方的裝置將無(wú)法正常接收到相應(yīng)的信息，從而導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

接收方的裝置也會(huì)嚴(yán)格校驗(yàn)所收到的GOOSE報(bào)文的MAC目標(biāo)地址、VLAN和優(yōu)先級(jí)信息、APPID、GOID等參數(shù)與自身的配置參數(shù)是否一致。如果相關(guān)參數(shù)不一致會(huì)直接導(dǎo)致GOOSE通信鏈路中斷，接收方裝置會(huì)報(bào)出GOOSE鏈路中斷的告警。需要注意的是接收方的裝置在檢查相應(yīng)的MAC目標(biāo)地址、VLAN和優(yōu)先級(jí)信息、APPID、GOID等參數(shù)時(shí)會(huì)嚴(yán)格區(qū)分英文字母的大小寫(xiě)格式是否一致，因此需要特別注意。

b.物理鏈路異常對(duì)GOOSE通信的影響

物理鏈路異常對(duì)GOOSE通信影響至關(guān)重要，通信鏈路中斷的原因是由于通信鏈路中硬件設(shè)備損壞使得物理連接出現(xiàn)中斷。造成物理鏈路異常的原因包括智能設(shè)備裝置的光模塊端口損壞、光模塊端口衰耗過(guò)大、光纖衰耗過(guò)大、彎折損壞、光纖配線架中的光口法蘭損壞或衰耗過(guò)大、光纜與光纖配線架的熔接工藝不好導(dǎo)致衰耗過(guò)大等。此時(shí)由于物理鏈路已經(jīng)中斷，所以接收方的裝置將會(huì)發(fā)出GOOSE告警信息，同時(shí)裝置會(huì)閉鎖相關(guān)的裝置功能。

GOOSE異常通信或通信鏈路中斷會(huì)嚴(yán)重影響到相關(guān)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)，例如：當(dāng)智能終端裝置接收保護(hù)裝置跳閘命令的數(shù)據(jù)集出現(xiàn)上述問(wèn)題，保護(hù)裝置會(huì)正確動(dòng)作，智能終端無(wú)法接收到相應(yīng)的跳閘命令，從而導(dǎo)致跳閘失敗。當(dāng)母差保護(hù)接收線路保護(hù)裝置的啟動(dòng)失靈命令時(shí)，鏈路異常或中斷，將導(dǎo)致線路保護(hù)動(dòng)作后雖然發(fā)出了啟動(dòng)母差失靈的命令，但母差裝置無(wú)法正常接收到相應(yīng)信息的情形，使得母差失靈保護(hù)功能無(wú)法啟動(dòng)，造成母差失靈保護(hù)拒動(dòng)的嚴(yán)重后果。其他情況也是如此，當(dāng)相應(yīng)的鏈路出現(xiàn)異常或中斷時(shí)，會(huì)影響到與之相關(guān)的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致保護(hù)裝置無(wú)法動(dòng)作或引起智能終端無(wú)法接收命令等問(wèn)題。

3 檢修機(jī)制對(duì)通信狀態(tài)影響

在智能變電站中通信技術(shù)方案中無(wú)論是SV通信還是GOOSE通信都存在檢修機(jī)制問(wèn)題。為了便于每一設(shè)備單體檢修測(cè)試，減少對(duì)運(yùn)行監(jiān)控人員的干擾，智能變電站中合并單元、智能終端、保護(hù)測(cè)控裝置上均配置了“裝置檢修”硬壓板。智能變電站中保護(hù)裝置、合并單元、智能終端的檢修狀態(tài)切換是通過(guò)裝置檢修硬壓板開(kāi)入實(shí)現(xiàn)的。檢修硬壓板不能遠(yuǎn)方控制，只能就地操作，當(dāng)檢修硬壓板投入時(shí)，表示裝置處于檢修狀態(tài)。裝置應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞教嵝堰\(yùn)維人員該裝置處于檢修狀態(tài)。智能變電站檢修硬壓板配置的目的與常規(guī)變電站相同，但由于智能變電站保護(hù)裝置的發(fā)展、數(shù)據(jù)傳輸方式的變化使得檢修機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式及對(duì)其他設(shè)備的影響有很大不同。智能二次設(shè)備的信息主要是以SV、GOOSE、MMS報(bào)文方式傳輸，檢修機(jī)制會(huì)對(duì)其產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

GOOSE報(bào)文檢修處理機(jī)制主要用于各種開(kāi)關(guān)量傳輸。當(dāng)某一個(gè)裝置處于檢修狀態(tài)時(shí)，該裝置所發(fā)送的GOOSE報(bào)文中的品質(zhì)位會(huì)置檢修位。接收方會(huì)將報(bào)文檢修位與自身裝置檢修狀態(tài)對(duì)比，當(dāng)兩者一致時(shí)才將報(bào)文數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算。測(cè)控裝置則不同，當(dāng)測(cè)控裝置檢修硬壓板投入或接收到的GOOSE報(bào)文中的檢修位任意一種情況發(fā)生時(shí)，裝置GOOSE報(bào)文中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)品質(zhì)位會(huì)置檢修位。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以天津范莊村220 kV新一代智能變電站為例，基于新一代智能變電站三層兩網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，詳細(xì)研究了GOOSE通信的要求和技術(shù)方案，提出了GOOSE通信異常的分類(lèi)方式，分別分析了配置文件異常、物理鏈路異常對(duì)GOOSE通信的影響，檢修機(jī)制對(duì)GOOSE通信狀態(tài)影響,并通過(guò)工程實(shí)踐加以驗(yàn)證，闡明了智能變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及運(yùn)行過(guò)程中針對(duì)GOOSE通信異常需注意的關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作有較好的指導(dǎo)作用。