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智能变电站过程层报文详解

智能变电站过程层报文

1. GOOSE报文
1.1. GOOSE传输机制
SendGOOSEMessage通信服务映射使用一种特殊的重传方案来获得合适级别的可靠性。重传序列中的每个报文都带有允许生存时间参数，用于通知接收方等待下一次重传的最长时间。如在该时间间隔内没有收到新报文，接收方将认为关联丢失。事件传输时间如图1-1所示。从事件发生时刻第一帧报文发出起，经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。标准没有规定逐渐重传时间间隔计算方法。事实上，重传报文机制是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案，而逐渐重传报文已越来越不能满足实时性要求，对重传间隔时间已没有必要规定。

图1-1 GOOSE事件传输时间
SendGOOSEMessage服务以主动无须确认的发布者/订阅者组播方式发送变化信息，其发布者和订阅者状态机见图1-2和图1-3。
不存在
发送数据
重发等待
重发
1）
2）
3）
4）
5）
6）

图1-2 GOOSE服务发布者状态机
1) GoEna=True（GOOSE使能），发布者发送数据集当前数据，事件计数器置1（StNum=1），报文计数器置1（SqNum=1）。
2) 发送数据，SqNum=0，发布者启动根据允许生存时间确定的重发计时器，重发计时器计时时间比允许生存时间短（通常为一半）。
3) 重发计时器到时触发GOOSE报文重发，SqNum加1。
4) 重发后，开始下一个重发间隔，启动重发计时器。重发间隔计算方法和重发之间的最大允许时间都由发布者确定。最大允许时间应小于60秒。
5) 当数据集成员数据发生变化时，发布者发送数据，StNum加1，SqNum=0。
6) GoEna=False，所有的GOOSE变位和重发报文均停止发送。
不存在
有效
关联中断
1）
2）
3）
1）

图1-3 GOOSE服务订阅者状态机
1) 订阅者收到GOOSE报文，启动允许生存时间定时器。
2) 允许生存时间定时器到时溢出。
3) 收到有效GOOSE变位报文或重发报文，重启允许生存时间定时器。
图1-4~8以某距离保护A相跳闸为例演示了保护跳闸信号从动作到返回过程中SendGOOSEMessage服务的报文时序。

图1-4 保护动作前数据重发
保护动作前，SendGOOSEMessage服务以最大重传时间间隔T0（图中为1024ms）重传报文，让接收方能检测到关联的存在，报文数据信息全部是0，即保护不动作。重传报文时，事件计数器不变StNum，报文计数器SqNum加1。

图1-5 保护动作时刻数据发送
保护动作时刻，SendGOOSEMessage服务立即发送变位报文，事件计数器不变StNum加1，报文计数器SqNum清零。报文数据中距离保护总动作和A相动作信号为1；B相和C相动作信号为0，表明此刻距离保护动作，故障相别为A相。

图1-6 保护动作过程中数据重发
保护动作过程中，从事件发生时刻第一帧报文发出起，SendGOOSEMessage服务经过两次最短传输时间间隔T1（图中为1ms）重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0（图中示例并未到T0，保护就返回了，启动新的数据刷新报文），保证了动作信息传递的实时性、可靠性。
图1-7 保护返回时刻数据发送
保护返回时刻及保护动作时刻相似，SendGOOSEMessage服务立即发送变位报文，事件计数器不变StNum加1，报文计数器SqNum清零。报文数据全为0，表明此刻距离保护返回。

图1-8 保护返回后数据重发
保护返回后，从返回时刻第一帧报文发出起，SendGOOSEMessage服务经过两次最短传输时间间隔T1重传两帧报文后，重传间隔时间逐渐加长直至最大重传间隔时间T0。
SendGOOSEMessage服务主要有以下特点：
1) 基于发布者/订阅者结构的组播传输方式。
发布者/订阅者结构支持多个通信节点之间的直接通信，及点对点通信结构和客户端/服务器通信结构相比较，发布者/订阅者通信结构是一个数据源（即发布者）向多个接收者（即订阅者）发送数据的最佳方式，尤其适合于数据流量大，实时性要求高，数据需要共享的数据通信，这一点非常适合于变电站内自动化系统的IED之间数据交换及共享。发布者/订阅者通信结构符合GOOSE报文传输本质，是事件驱动的。
2) 逐渐加长间隔时间的重传机制。
为了提高可靠性，通常采用应答方式确定接收者是否收到。如果在一定时间内没有收到应答报文或收到接收错误的报文，发送者可以采取重发的方法弥补前一次通信失败。但是，这种应答方式难以满足快速通信需求，尤其是在报文丢失的情况下，重发可能需要等待较长时间。无需应答确认机制，直接逐渐加长间隔重传报文的方法是网络传输兼顾实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案。
3) GOOSE报文携带优先级/VLAN标志。
在数据链路层，为了提高速度，GOOSE报文采用VLAN标签协议，在数据中增加表示优先级的内容，支持VLAN标签协议的以太网交换机会根据优先级进行实时处理，保证其实时特性。图1-9是以太网交换机处理带VLAN标签帧的报文处理示意图。

图1-9 交换机优先传输
4) 应用层经表示层后，直接映射到数据链路层。
基于通信功能分层的概念，OSI参考模型（ISO/IEC7498-1）给出了详细的通信模型。为使通信系统稳定可靠，该模型规定了5-7层，并详细给出了每层的功能要求。

图1-10 OSI七层参考模型
图1-11为SendGOOSE服务的通信协议栈。从图中可以看出，这一服务只用了国际标准化组织开放系统互联（ISO/OSI）中的4层，不经过会话层、网络层和传输层，其目的是提高可靠性和降低传输延时。

图1-11 GOOSE通信协议栈
5) 基于数据集传输。
数据集是有序的功能约束数据或功能约束数据属性集合。客户端/服务器或发布者/订阅者双边均知道数据集的成员和顺序，因此基于数据集的通信仅需要传输数据集名及其引用的数据或数据属性当前值，这将有效利用通信带宽。另外，经过会话层的标准编码，数据集可以传输标准规定的各种数据类型，包括模拟量、时标、品质等。
1.2. GOOSE报文帧结构
根据IEC 61850标准，GOOSE报文在数据链路层上采用ISO/IEC 8802.3协议（即以太网协议），其以太网报文帧格式如图1-1所示。

图1-1 GOOSE报文以太网帧格式
字节
8
7
6
5
4
3
2
1
0
TPID

0x8100（依据802.1Q）

1

2
TCI
Priority
CFI
VID
3
VID
图1-2 优先级/VLAN标签
GOOSE报文不同于普通以太网报文，在标准的以太网报文头加入了VLAN标签，标签中包含了12 bit的虚拟局域网标识码（VLAN标签）和3 bit的报文优先级码（流量优先权），可实现网络VLAN隔离和优先传输（交换机须支持），优先级/VLAN标志帧格式见图1-1。
GOOSE报文解析见下图1-3：

图1-3 GOOSE报文解析
1 MAC地址域：
为了传输GOOSE 报文，必须配置符合ISO/IEC 8802-3的多播目的地址。
其中：
1) Destination: 01:0c:cd:01:22:02为发送装置实际发送GOOSE报文的目标MAC地址。此地址作为接收装置的识别标识之一。
2) Source: 00:79:77:74:10:52 为发送装置网卡的物理地址，MAC芯片出厂时已确定，不随程序及应用发生改变。
2 TPID（标志协议标识）域：
表示为VLAN标签以太网编码帧的以太网类型，该值为0x8100。
3 TCI（标志控制信息）域：
Priority（用户优先级），用户优先级值由配置设定，用于将采样值和对时间要求苛刻的保护相关GOOSE报文及低优先级的网络负荷分开。VLAN标签允许带有优先级的实现，长度为3bit（0~7），高优先级的帧应具有优先级4-7，低优先级具有1-3。值1是无标志帧的优先级，0应避免使用，对于正常网络流量，可能引起不可预测的延迟。
CFI（标准格式指示位），一个一位长度标识值。CFI 值为0 说明是规范格式，1为非规范格式，GOOSE报文是标准格式，因此值应为0。
VID（虚拟LAN标识），长度为12bit（0~4095），0表示不属于任何VLAN，VID为可由系统配置设置。
4 EtherType（以太网报文类型）域：
基于ISO/IEC8802-3MAC子层的以太网类型被IEEE权威机构注册。GOOSE直接映射到保留的以太网类型和以太网类型协议数据单元，分配值为0x88B8。
5 APPID（应用标识）域：
APPID用于选择含有GSE管理和GOOSE报文的ISO/IEC 8802-3帧并能够区分应用关联。GOOSE的APPID预留值范围是0x0000到0x3fff。如APPID未配置，其缺省值为0x0000。缺省值用于表示缺乏配置。
6 Length（长度）域：
长度字节数包含从APPID开始以太网PDU和应用协议数据单元APDU的长度。长度应是8+m，其中m是APDU的长度，且m<1492。及此不一致的帧或非法长度域的帧将被丢弃。
7 Reserved1和Reserved2（保留1和保留2）域：
为未来标准化的应用而保留（在IEC 61850标准第二版已部分定义用于测试设备标记和根据IEC 62351标准定义的加密域），缺省值为0。
8 APDU（报文内容）域：
使用抽象语法标记（ASN.1），描述APDU的构成，包含以下数据内容：
1) GoCBReference，可视字符串，GOOSE控制块引用名；
2) TimeAllowedtoLive，32位无符号整形数，允许生存时间；工程应用中一般为2T0=10S。
3) DataSet，可视字符串，数据集引用名；
4) GoID，可视字符串，GOOSE标识符；
5) T，Utc时间，状态号StNum加1时的时间；
6) StNum，32位无符号整形数，状态号计数器，数据集成员值发生变化发送GOOSE报文时该序号加1；
7) SqNum，32位无符号整形数，顺序号计数器，每重发一次GOOSE报文，该序号加1，每次状态号加1时，该序号清零；
8) TEST，布尔量，检修位，该参数为TRUE时表示报文的值不得用于运行；
9) ConfRev，32位无符号整形数，配置版本号，无符号整形数，GOOSE数据集引用成员发生变化或重新排序时，版本号加1；
10) NdsCom，布尔量，需要重新配置标识，如果数据集属性为空或数据大小超出SCSM规定的最大值，则NdsCom应设置TRUE；
11) NumDatSetEntries，32位无符号整形数，数据集成员个数；
12) AllData，所有引用数据；
2. SV报文
2.1. SV传输机制
SendMSVMessage通信服务映射使用带采样计数器SmpCnt和采样同步标识SmpSynch的方式，按一定采样率同步采样的数据定期传送。当采样速率较高时，SendMSVMessage通信服务映射应提供在应用协议数据单元APDU被递交到传输缓冲区前，将若干应用服务数据单元ASDU连接成一个应用协议数据单元的性能。一个应用协议数据单元的应用服务数据单元个数是可以配置的，并及采样速率有关，但为了减少实现的复杂性，应用服务数据单元配置不是动态的。当若干应用服务数据单元连接成一帧时，带有最早采样值的应用服务数据单元是帧中的第一个应用服务数据单元。如图1-1所示。

图1-1多个ASDU连接成一个APDU
每个应用服务数据单元都携带有采样计数器SmpCnt和采样同步标识SmpSynch。当取得新采样值时，采样计数器加1；当采样被时钟信号同步时并在同步时刻，采样计数器清零。当采样时钟信号失去且经过一段时间装置自身时钟已不再精确时，采样同步标识应为“False”，这样订阅者可根据采样计数器和采样同步标识便可准确知道采样值报文是否同步以及相应的同步时刻。
SendMSVMessage服务及SendGOOSEMessage服务都是基于数据集DATASET传输数据，都可以快速传输任何标准规范的数据格式，包括布尔量、整形数、浮点数、品质、位串等等。不同的是，SendGOOSEMessage服务是在数据集成员数据变化时传输，并通过逐渐加长直至最大重传间隔时间重传数据提高可靠性；SendMSVMessage报文是快速连续传输的，传输的数据需要同步采样。正常情况下，采样值传输数据流量远远大于GOOSE报文传输数据流量，可以将多个应用服务数据单元ASDU合并到一个应用协议数据单元统一传输，减少网络带宽占用。
SendMSVMessage服务主要有以下特点：
1) 基于发布者/订阅者结构的组播传输方式。
2) 同步数据采样。
SV报文数据严格按时钟同步采样，并保持采样频率、次数和顺序恒定。
3) 应用服务数据单元可合并。
为减少采样值传输的数据流量，提高网络传输效率，可将多个应用服务数据单元合并到一个应用协议数据单元一同发送。
4) SV报文携带优先级/VLAN标志。
及GOOSE报文相同，SV报文采用VLAN标签协议，在数据中增加表示优先级的内容，支持流量优先权控制协议的以太网交换机会根据优先级进行实时处理，保证其实时特性。
5) 应用层经表示层后，直接映射到数据链路层。
及SendGOOSEMessage服务的通信协议栈相同。SengMSVMessage服务也只用了国际标准化组织开放系统互联（ISO/OSI）中的4层，不经过会话层、网络层和传输层，其目的是提高可靠性和降低传输延时，降低实现的复杂性。
6) 基于数据集传输。
2.2. SV报文帧结构
根据IEC 61850-9-2标准，SV报文在数据链路层上采用ISO/IEC 8802.3协议（即以太网协议），其以太网报文帧格式如图1-1所示。及GOOSE报文相同，9-2 SV报文在标准的以太网报文头加入了VLAN标签及优先级Tag，可实现网络VLAN隔离和优先传输（交换机须支持）。
GOOSE报文解析示意图如图 1-2所示：

图 1-2-GOOSE报文解析示意图
1 MAC地址域：
必须配置符合ISO/IEC 8802-3的多播目的地址。
2 TPID（标志协议标识）域：
表示为VLAN标签以太网编码帧的以太网类型。该值为0x8100。

图1-1 9-2 SV报文以太网帧格式
3 TCI（标志控制信息）域：
Priority（用户优先级），用户优先级值由配置设定，用于将采样值及低优先级的网络负荷分开。VLAN标签允许带有优先级的实现，长度为3bit（0~7），高优先级的帧应具有优先级4-7，低优先级具有1-3。值1是无标志帧的优先级，0应避免使用，对于正常网络流量，可能引起不可预测的延迟。
CFI（标准格式指示位），一个一位长度标识值。CFI 值为0 说明是规范格式，1为非规范格式，SV报文是标准格式，因此值应为0。
VID（虚拟LAN标识），长度为12bit（0~4095），0表示不属于任何VLAN，VID为可由系统配置设置。
4 EtherType（以太网报文类型）域：
基于ISO/IEC 8802-3MAC子层的以太网类型被IEEE权威机构注册。9-2 SV直接映射到保留的以太网类型和以太网类型协议数据单元，分配值为0x88BA。
5 APPID（应用标识）域：
APPID用于选择采样值信息并能够区分应用关联。9-2 SV的APPID值预留值范围是0x4000到0x7fff。如APPID未配置，其缺省值为0x4000。缺省值用于表示缺乏配置。
6 Length（长度）域：
长度字节数包含从APPID开始以太网类型PDU和应用协议数据单元APDU的长度（见图2-1）。故长度应是8+m，其中m是APDU的长度，且m<1492。及此不一致的帧或非法长度域的帧将被丢弃。
7 Reserved1和Reserved2（保留1和保留2）域：
为未来标准化的应用而保留（在IEC 61850标准第二版已部分定义用于测试设备标记和根据IEC62351标准定义的加密域），缺省值为0。
8 APDU（报文内容）域：
一个APDU可以由多个ASDU链接而成。
表1-1 IEC 61850-9-2 采样值报文 APDU部分
Tag
Length
ASDU数目n（u16）
ASDU1
ASDU2
…………
ASDUn
采用及基本编码规则(BER)相关的ASN.1 语法对通过ISO/IEC 8802-3 传输的采样值信息进行编码。
基本编码规则的转换语法具有T-L-V(类型-长度-值Type-Length-Value)或者是(标记-长度-值Tag-Length-Value)三个一组的格式.所有域(T、L 或V)都是一系列的8 位位组。值V 可以构造为T-L-V 组合本身。

表1-2 IEC 61850-9-2 采样值报文 APDU结构
内容
说明
savPdu tag
APDU 标记（=0x60）
savPdu length
APDU长度（从noASDU tag开始）
noASDU tag
ASDU数目 标记（=0x80）
noASDU length
ASDU数目 长度
noASDU value
ASDU数目 值（=1）
类型 INT16U
编码为asn.1整型编码
Sequence of ASDU tag
ASDU序列 标记（=0xA2）
Sequence of ASDU length
Sequence of ASDU 长度
ASDU
ASDU内容
APDU的Length表示数据域的长度。假定数据域的字节数为n。按ASN.1的编码规则，当n≤127时Length只有一个字节，值为n；当n＞127时，Length有2～127字节，第一个字节的Bit7为1，Bit0～6为Length总字节数，第二个字节开始给出n，基于256，高位优先。
表1-3 IEC 61850-9-2 采样值报文 ASDU结构
内容
说明
ASDU tag
ASDU 标记（=0x30）
ASDU length
ASDU 长度
svID tag
采样值控制块ID 标记（=0x80）
svID length
采样值控制块ID 长度
svID value
采样值控制块ID 值
类型：VISBLE STRING
编码为asn.1 VISBLE STRING编码
smpCnt tag
采样计数器 标记（=0x82）
smpCnt length
采样计数器 长度
smpCnt value
采样计数器 值
类型 INT16U
编码为16 Bit Big Endian
confRev tag
配置版本号 标记（=0x83）
confRev length
配置版本号 长度
confRev value
配置版本号 值
类型 INT32U
编码为32 Bit Big Endian
smpSynch tag
采样同步 标记（=0x85）
smpSynch length
采样同步 长度
smpSynch value
采样同步 值
类型 BOOLEAN
编码为asn.1 BOOLEAN编码
Sequence of data tag
采样值序列标记（=0x87）
Sequence of data length
采样值序列 长度
Sequence of data value
采样值序列 值
表1-4 IEC 61850-9-2 采样值报文采样值序列结构
保护A相电流
类型 INT32
编码为32 Bit Big Endian
保护A相电流品质
类型为quality，8-1中映射为BITSTRING
编码为32 Bit Big Endian
保护B相电流

保护B相电流品质

保护C相电流

保护C相电流品质

中线电流

中线电流品质

测量A相电流

测量A相电流品质

测量B相电流

测量B相电流品质

测量C相电流

测量C相电流品质

A相电压

A相电压品质

B相电压

B相电压品质

C相电压

C相电压品质

零序电压

零序电压品质

母线电压

母线电压品质

表1-5 SV的q属性

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