智能终端GOOSE

智能终端GOOSE（精选6篇）

智能终端GOOSE 第1篇

目前,智能变电站正处于全面推广建设的关键时期。面向对象的变电站通用事件(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)网作为IEC 61850协议通信网络的承载体之一,是智能变电站的重要组成部分。智能变电站GOOSE网故障或异常现象已在国内试点工程中出现[1],需要引起高度重视。鉴于GOOSE网的重要性,国家电网公司对GOOSE组网方式有明确具体的要求[2],强调通信系统“应具备网络风暴抑制功能,网络设备局部故障不应导致系统性问题”[3]。研究GOOSE网如何可靠稳定运行,对智能变电站的推广建设有重要的工程意义[4,5]。

本文对某500 kV智能变电站调试过程中出现的一起GOOSE网网络异常事件进行了详细的分析,找到了事故的起因并提出了防范措施及建议。

1 过程层网络结构

该变电站过程层GOOSE网为如图1 所示的100 Mbit/s双星形拓扑结构网络,500 kV、220 kV过程层GOOSE网按电压等级组建物理结构独立的双重化网络。 主变GOOSE交换机(不含500 k V侧IED设备)接入220 kV GOOSE网,35 kV二次系统不设置GOOSE网。保护跳闸采用点对点方式,保护之间的联闭锁信息、失灵启动/ 联跳等信息采用GOOSE网络传输方式。不设置独立的采样值网络,各装置采样值均采用点对点方式。双重化配置的双套保护各自接入对应的GOOSE网。 主变保护设置采用相互独立的数据接口控制器分别接入500 kV GOOSE网和220 kV GOOSE网;全站测控装置单套配置,采用相互独立的数据接口控制器接入GOOSE双网。

采用结构独立的星形GOOSE网,每个GOOSE网中各交换机与中心交换机进行级联,各组网IED装置具备独立的GOOSE通信口。这样的网络,可避免不同优先级数据的同网传输,保证了数据传输的可靠性;某一网络故障不会影响到另一网络的运行,提高了智能变电站的安全性;网络时延短,可以满足继电保护装置之间实时数据交换的性能要求;可有效避免网络风暴[6,7]。

2 网络异常现象

在该智能变电站调试过程中,调试人员发现监控后台某厂家智能终端出现告警,若干秒后复归。这一过程反复出现并呈现等时间间隔的特征。检查就地智能控制柜,发现该智能终端“报警”灯隔几秒会闪烁一次。对该智能终端进行联机检查,发现事件记录中“网络风暴”在不停地置位、复归,其频率与智能终端“报警”灯闪烁频率相当。调试人员不知星形GOOSE网络为何会出现网络风暴,查看交换机流量,各交换机最大端口流量不超过1 Mbit/s,远低于交换机的端口速率100 Mbit/s;CPU最大占用率不超过30%,也属于正常范围。网络报文分析仪出现“GOOSE不连续”报警。

值得注意的是,间隔层及过程层设备除了该智能终端出现异常告警外,其余设备(包括该智能终端厂家的继电保护装置)均正常。

3 网络异常分析及故障排除

调试人员立即对GOOSE网进行报文分析。笔者现场追踪1 帧主变保护A套装置报文(MAC地址为01:0c:cd:01:00:01)及某线路间隔测控装置报文(MAC地址为01:0c:cd:01:01:62)(见表1)。

从表1 可知,GOOSE网报文出现以下现象。1同一帧报文在4 个独立的GOOSE网中同时出现(其他报文也存在类似的现象)。2主变保护报文、测控装置遥控报文在各网中双帧重复出现(其余报文各网中仅单帧)。3网络报文分析仪中,测控遥控报文、主变保护报文出现8 帧相同报文(其余报文均出现4 帧相同报文)。

从现象1可以判断,4 个GOOSE网已经非法连接在一起,造成网络异常。调试人员采用逐一断开各GOOSE链路的方法对故障进行搜索排查。在断开220 k V及主变GOOSE A网所连接的“网络管理系统”链路时发现,该链路断开后,本GOOSE网不再出现重复报文且收不到其他GOOSE网的报文。

进一步检查发现,网络管理系统使用一台普通交换机将4 个GOOSE网接入其工控机网卡,就是这台交换机将所有GOOSE网连接在一起。当天下午交换机厂家刚完成网络管理系统的接入调试工作。此发现可以解释以上现象。现象2中,主变保护采用不同光口分别向500 kV、220 kV GOOSE网发送数据,GOOSE网被非法连接后,各网均出现双帧重复报文;测控装置采用不同光口分别向GOOSE A、B网发送遥控数据(B网主要为遥控复归命令),出现类似的现象。现象3中,网络报文分析仪记录各端口接收到的报文,因主变保护、测控装置在各网出现双帧报文,网络分析仪中便可收到8 帧相同的报文;其余报文在各网中出现,网络报文分析仪中可接受到4 帧相同报文。异常智能终端在收到重复的测控遥控报文后即发出“网络风暴”告警,GOOSE报文心跳时间间隔内收不到报文便复归告警。该厂家的继电保护装置因未收到重复报文不会出现异常告警。

将该网络管理系统的交换机和各GOOSE网的连线解除后,以上异常现象均消失。

4 事故原因分析

各星形GOOSE网跨接,虽不会引发大规模的网络风暴,但会使按电压等级划分的双网失去独立性,存在潜在的安全隐患(如在日后的维护过程中,极有可能因为装置隔离不到位而引发保护误动作的事故)。此次网络异常事件虽然未对设备运行造成严重后果,但是其行为应该引起高度重视。

1)设计图纸不全是本次事件的根本原因。网络管理系统在网络图中未体现,属于设计的死角。设计单位仅在设计变更单中要求施工单位增加各GOOSE网至网络管理系统的光缆,并未出示详细的接入方式图纸。GOOSE网对智能变电站的重要性不言而喻,对所有接入GOOSE网的设备都应有详细的图纸,并设计合理的接入方式。

2)各厂家IED设备对网络异常的检测还有待加强。此次该厂家智能终端发出“网络风暴”告警,虽然不准确,但是本次事件得益于该智能终端检测出的网络异常报警才找到GOOSE网的缺陷,其作用显而易见。但是其对双帧重复报文的网络异常告警的定义,以及对“网络风暴”的判据可作进一步的讨论,完善其网络异常检测功能。其余厂家的设备未能检测出该网络异常现象,在网络异常检测功能方面还有待加强。

3)厂家不规范作业是造成本次事件的直接原因。交换机厂家在无设计图纸、未征得调试等单位同意的情况下,擅自将设备接入GOOSE网,造成网络异常。

5 整改方案及防范措施

5.1 整改方案

对GOOSE网接入网络管理系统方式进行研究,讨论了以下方案。

1)方案1。各GOOSE网分网卡接入工控机方式。在网络管理系统工控机对各独立的GOOSE网配置独立的网卡,在物理上对各GOOSE网进行隔离。该方案较容易实现,各网络隔离彻底。

2)方案2。采用三层交换机方式。可增加一台三层交换机作为网络管理系统的接入设备,将4 个GOOSE网及网管工控机接入该交换机。对各接入端口划分不同的VLAN(也不同于二层GOOSE交换机的VLAN),以达到对GOOSE组播报文的隔离作用;利用三层交换机的路由功能实现网管系统IP报文与不同GOOSE网各交换机之间的通信。三层交换机技术成熟,可靠性高;但是该方案需要增加投资,延长建设周期。

经讨论并结合该工程进度,现场整改选择方案1。

5.2 防范措施

1)优化GOOSE网VLAN的划分。VLAN技术可有效提高GOOSE网的传输可靠性[8,9,10]。考虑测控装置的某些控制报文(如遥控复归命令)要在双重化的网络中传输,本站的双重化VLAN的VID(VLAN标识)设置相同。这使得双重化网络在链路错误接入或非正常设备接入而出现双网跨接的情况下,双网的报文会出现互窜的现象。物理结构独立的双网在独立的参数设置下才能保证本质上双网的独立。因此,可考虑双重化网络划分不同的VLAN,对需要双网传输的同一GOOSE报文可拆分成不同GSE控制块的形式并设置在不同的通信控制器接口中进行传输,这需要测控厂家ICD文件的支持。

2)运行检修规程应制定相关的网络接入条款规范。有关运行检修规程中应增补相应条款,任何外设接入网络都须经过认真检查。对外网设备接入运行网络应加以明确规定,严格规范接入设备、接入方式和接入点。

6 结语

智能变电站是坚强智能电网的重要基础和支撑,是变电站自动化领域技术发展的方向。面向通用对象的变电站事件GOOSE是IEC 61850 标准中的重要部分,GOOSE网的可靠性直接关系到变电站的安全稳定运行。

智能终端GOOSE 第2篇

随着国家电网公司智能变电站的广泛建设,大量全数字式继电保护广泛应用。国家电网公司有关企业标准明确规定[1]:“保护应直接采样,对于单间隔的保护应直接跳闸,涉及多间隔的保护(母线保护)宜直接跳闸。对于涉及多间隔的保护(母线保护),如确有必要采用其他跳闸方式,相关设备应满足保护对可靠性和快速性的要求。”

现有智能变电站继电保护大多数采用“直采直跳”的模式,该模式能够满足继电保护可靠性和快速性的要求,但是也存在着装置光端 口较多、发热严重、配置复杂、光缆敷设过多等问题。另外,由于光缆过多,继电保护的调试、运行维护也比较复杂,数字化、信息化的优势也受到影响。因此,亟需对采样和跳闸模式进行详细全面的研究和分析。选择一种满足继电保护性能要求的采样跳闸模式,对于优化智能变电站继电保护系统,提高运行维护可靠性具有重要的意义[2]。

采样值网络传输仍然存在流量较大和采样值同步困难两大主要难题,虽然也有些解决方案,但都比较复杂且不成熟[3,4],而通用面 向对象变 电站事件 (GOOSE)网络传输技术则没有这些问题。在合理规划网络方案和必要的入网测试前提下,继电保护可采用网络跳闸模式。GOOSE网跳与直跳相比, 主要有以下差异。

1)组态配置差异。直跳方式需要配置物理收发端口,网跳则不需要,因此需要制定标准。目前,国家电网公司已开展了这方面的工作[5]。

2)传输延时差异。网跳方式报文经过的设备比直跳多,传输延时则更长,但应该仔细分析其差异是否影响继电保护速动性。

3)安全性差异。安全性体现在运行、检修、扩建等方面,应全面分析两者安全性差异,进行综合评价。

1GOOSE报文传输延时分析

GOOSE报文传输延时由发送延时Ta、网络传输延时Tb和接收延时Tc这3部分组成[6],见图1。

1.1网络传输延时Tb

网络传输延时与装置性能无关,只与网络设备、 结构、配置等有关。根据国家电网公司智能变电站设计技术规范,智能变电站过程层网络宜采用星型结构[7],交换机级联一般不超过2级;间隔交换机与根交换机 之间采用100 Mbit/s连接;保护跳闸GOOSE报文较小,按300B计算;报文存储转发延时为24μs;交换机按16口计算。根据文献[8],可计算保护跳闸GOOSE报文在最不利情况下的网络传输延时约为433μs。

以上为2级星形级联的16口交换机在最不利情况下理论可能出现的最大GOOSE报文网络传输延时。实际工程中,GOOSE报文在70%的大流量背景情况下的实测网络传输延时约为80μs左右。

1.2发送延时Ta和接收延时Tc

发送延时和接收延时与装置处理能力、处理方式和网络环境有关。发送延时定义为装置发送数据所需的时间,即数据生成到发出报文的延时;接收延时定义为装置接收数据所需的时间,即接收报文到解析成应用数据的延时。

但是,装置的发送延时和接收延时无法直接测量,可用测量输入输出延时进行评估[9]。测量输出延时等于评估发送延时加评估输入处理时间;测量输入延时等于评估接收延时加评估输出处理时间。

以保护装置为 例,发送延时 可以用测 量保护GOOSE出口时间进 行评估,这个时间 不应超过 接点出口时间。实测数据 表明,绝大部分 继电保护 装置GOOSE出口动作 时间比接 点快,这说明GOOSE报文发送延 时比出口 继电器动 作更快。 以智能终端为例,接收延时 可以用智 能终端动 作时间进行评估,国家电网公 司有关企 业标准规 定不得超过7ms[1],扣除小继电器动作的固有时 间约5ms,实际上留给CPU从接收GOOSE到驱动I/O的时间约为2 ms。

然而,CPU在处理网络报文收发时一般采用中断或查询方式[10],在有大量背景报文干扰的情况下不一定能保证收发延时不变。必须研究智能变电站可能存在的背景报文及流量,用于检测继电保护和智能终端等装置,使它们组成的继电保护系统在实际工程满足快速性和可靠性的基本要求。

由此可见,在GOOSE报文传输延时中,网络传输延时Tb仅占很小部分(百微秒级),报文发送延时Ta和接收延时Tc则占了很 大部分 (毫秒级)。 在速动性方面,与网跳相比,直跳并没有明显的 优势。但要注意网跳方式下背景报文对装置的影响, 通过合理的入网检测,提升装置的性能,满足现场的实际需求。另外,工程中可通过合理的网络拓扑、虚拟局域网(VLAN)划分和服务质量(QoS)配置等方法,减少背景报文流量,给网跳模式提供与直跳模式相当的工作环境,达到不低于直跳性能的目的。

2GOOSE网跳安全性分析

除了继电保护的速动 性外,GOOSE跳闸模式还会影响智能变电站运行维护的安全性。智能变电站继电保护设计应该考虑运行、检修和扩建等情况下的安全性。采用直跳方式时,光缆敷设较多,接线复杂,端口配置和接线容易出错,与传统变电站二次电缆接线模式相比,并无明显优势。

网络方式下还可按间隔分散配置间隔交换机, 在中心交换机上则通过划分VLAN的方式让大部分只与本间隔相关的GOOSE组播报文在本间隔交换机内传输。间隔交换机在变电站检修、扩建和消缺时,二次安全措施非常简单、明显、可靠。

1)间隔一次设备停役,继电保护检修时,只需断开该间隔交换机与中心交换机光缆连线即可。

2)间隔扩建时,间隔交换机不接入中心交换机, 先完成间隔内保护调试工作,等到一次设备接入母线时再将间隔交换机接入中心交换机并完成联调工作即可。

3)继电保护装置出现故障时不停一次设备对单套装置进行消缺工作时,只需断开故障装置与交换机的连接即可。

另外,分散配置间隔交换机还可以减小因单台交换机故障而造成保护系统瘫痪的范围,提高保护系统安全性与可靠性。当然,按间隔分散配置交换机也存在着一些不足,如将大大增加交换机数量,尤其是单母线或双母线结构。

如果由于经济或一次接线原因无法按间隔配置交换机,也可以在交换机上改进技术,实现简单可靠的安全隔离。可以针对交换机的检修装置端口设置特定VLAN(不同于其他运行VLAN)来实现。如图2所示,当变电站中一部分装置检修时,在其连接的交换机上相应的端口设置特定VLAN。

检修装置发出的报文只能在检修装置之间传输,不能发送到运行装置;运行装置发出的报文也不能发送到检修装置。为了现场运行 检修设置特定VLAN可操作性强,交换机可针对每个端口设置独立的小开关并有明显的显示。用户须针对交换机端口打印连接装置的标签以便检修时操作。实际操作时,还可以通过断开待检修装置电源的方式确认交换机上检修装置端口的正确性。

可见,与直跳相比,网跳方式物理接线简单,可以采取一些技术措施保证安全,一定程度上有利于运行维护安全。而直跳方式光缆过多,仍然存在误断开光缆、误碰等危险,与传统电缆连接比无优势。

3网跳关键技术

装置的发送和接收延时可能受背景报文干扰。 通常情况下网卡在接收到报文时以中断方式通知CPU进行解码 处理,无论什么报 文进来都要占 用CPU资源。当报文流 量非常大 时,CPU可能出现溢出不能响应。装置的处理能力有限,重要的是分析工程中可能出现的情况,给出合理的技术指标,让厂家能通过技术改进,满足继电保护速动性。

对于继电保护来说,真正需要快速响应的是跳闸、启动和闭锁等信号,而这类信号在保护动作时也不会太多。网络跳闸的关键技术就是网卡必须剔除无效、无用的报文,避免这类报文中断占用CPU资源,影响跳闸报文的处理时间。可以通过改善网络环境和装置自身过滤能力来实现。改善网络环境可以采用划分交换机VLAN或多播地址过滤技术过滤无关报文;装置自身可以采用网口多播地址过滤无关报文。但这些技术还存在可靠性差、可操作性差等问题[11]。改善网络环境需要对交换机、装置和用户都要提出要求,这对于采用新技术的智能变电站来说可操作性不强。如果装置自身网卡过滤能做到“万无一失”则是最好的方案,因为装置自身实现过滤无须对交换机和用户提出额外要求,有利于工程建设和运维,并且也不会与改善网络环境冲突。

在继电保护和过程层装置中采用现场可编程门阵列(FPGA)协助主CPU进行网络报文处理较好地解决了上述问题[12]。FPGA可以由开发者以编程的方式定制其硬 件功能,有别于CPU串行执行指令的方式,FPGA定制的功能由硬件并行实现,故而可实现非常高的处理速度,完全可做到GOOSE报文的100 Mbit/s带宽线速处理。使用FPGA进行报文协处理如图3所示。

FPGA实现的以太网控制器,地址过滤单元可以根据GOOSE的特点进行定制,避免无效报文进入后续的解码环节占用处理带宽。比如考虑1个装置最多订阅16个GOOSE控制块,就可以分别配置16个MAC,AppID,GOID,GOCBRef,DataSet, ConfRev,在有报文进入时首先解码包括这些信息 的头部,只有匹配才将有更新的GOOSE数据提交给CPU。GOOSE编码相对 比较确定,所需要的CPU负荷不高,编码工作由CPU或者FPGA承担均可以。

总之,大规模FPGA可实现很高的硬件编解码带宽,用它实现网络报文的预处理,能避免不确定通信环境给CPU带来中断处理的压力,让CPU按照预定的节拍 (如833μs的保护算 法执行周 期)和FPGA交互GOOSE收发数据,从而保证了装置发送接收延时的确定性。从实际测试情况看,采用了FPGA协处理技 术的智能 电子设备 (IED),其GOOSE编解码带来的发送和接收延时一般都不会超过1ms,而其中的大部分还源于受CPU算法执行周期的影响。

4验证测试方案

这些关键技术都是厂家装置内部实现,不同厂家的具体实现方法也会有差异,必须采用统一的满足工程需求的验证测试方案对各厂家继电保护和智能终端进行测试确保其技术水平满足现场需求。

GOOSE在数据变化时会快速发 送报文 (报文状态号StNum加1,顺序号SqNum置0),之后会快速发送补发报文(StNum不变,SqNum加1);数据不变时也会按设置时间间隔发送心跳报文(StNum不变,SqNum加1)。GOOSE报文是组播报文,在交换机中如果不作任何处理 就是广播转发。因此GOOSE网络通信时可能存在大量无效(非本装置接收MAC地址)背景组播报文。此外,一些装置还可能接收多台装置发过来的报文,必须考虑其他有效(本装置接收)报文对装置接收报文的影响。另外,还要考虑网络中可能出现的广播报文和网络风暴等网络异常情况的影响。测试方法见图4。测试仪器须支持在测试报文中增加4类干扰报文:无效GOOSE背景报文、有效GOOSE背景报文、广播和风暴报文,还须具备快速开关量输入输出。

4.1无效GOOSE背景报文

无效GOOSE背景报文是实际工程中最可能出现的情况。虽然,工程中可以采用VLAN、组播过滤和网卡过滤等方法[8]隔离无效GOOSE报文,但由于交换机设备专业管理界面不清晰等问题很多智能变电站工程并没有设置交换机过滤机制。

一个大型500kV变电站单 套装置可 能多达150台,假设没有任何过滤机制,这150台装置发出的GOOSE报文可能都是无效背景报文。但实际检测时难以模拟150台装置同时发 送变位或心跳报 文,可以模拟1台装置连续不间断发送150条变位报文 (StNum加1,SqNum置0)或心跳报 文 (StNum不变,SqNum加1)。在发送连续背景报文后立即分别测试装置的GOOSE测量输入和输出延时,与无背景报文情况的测试结果对比不应有明显变化。

4.2有效GOOSE背景报文

有效背景报文对被测装置影响比较明显。为避免所有保护装置同时发送变位报文,不应将“保护启动”信号放入GOOSE数据集中。检测时可以不考虑所有保护装置同时动作,但有可能装置同时发送心跳报文。

智能变电站中双母线母差需要接收所有间隔启动失灵和间隔闸刀位置,接收的GOOSE报文最多, 应该按母差 接收报文 的数量来 测试。 考虑最大25个间隔,需要接收50个装置的GOOSE信息。 可以模拟50台装置先后不间断发送50条心跳报文给被测装置。在发送背景报文后立即分别测试装置的GOOSE测量输入和输出延时,与无背景报文情况的测试结果对比不应有明显变化。

4.3广播和风暴背景报文

广播报文一般由网络中装置发出,目的地址为 “FF-FF-FF-FF-FF-FF”。因大量广 播报文一 般是无实际应用的报文,交换机都有广播报文抑制功能, 一般默认设置1Mbit/s。实际测试时可按2Mbit/s测试,不应影响装置的测量输入和输出延时。

变电站局域网的风暴报文可能由网络环路或装置网卡损坏引起,具有报文重复的特点,应尽可能避免实际工程中出现风暴情况。现在的交换机一般都带有环路检测功能,工程应用时应该开启该功能,避免发生网络环路风暴。另外还要避免外来计算机或装置随意接到过程层网络中,引发不必要的网络问题。测试时可用99 Mbit/s的有效重发GOOSE报文(StNum不变,SqNum不变)模拟风暴报文。网络风暴时,被测装置应能报警提示运维人员注意发生了网络风暴,及时开展消缺工作。

综上所述,采用网跳时保护装置和智能终端应开展全面的检测工作,确保其在各种网络环境下能保持良好的运行性能。

5网络跳闸方案和约束条件

GOOSE网络跳闸方式已经在国内外多个数字化变电站开展应用,与直跳相比具有结构简单、易维护等优点,然而GOOSE网络跳闸也不是无条件应用,应该采取适当的方案和措施防止因网络问题降低保护动作的快速性和可靠性。

5.1网络方案

以太网工作时,报文在任意时刻只有一个物理传输路径(采用特殊技术的除外),这是保障交换机不发生“环网风暴”的关键,通常都是采用快速生成树协议(RSTP)将环路上某些链路切断,形成逻辑断点。但是这样的网络结构存在报文传输路径长, 传输路径不确定,网络故障重构时间长等缺点。星形网络物理上就是单一路径的,传输路径也是明确的,不存在环路,不需要形成逻辑断点,因此过程层网络宜采用星形结构,设计时应将同间隔装置连接到同一台交换机,减少报文传输路径。交换机还是要支持RSTP协议,防止工程中有人误将网络接成环路引起风暴。

设计院应在变电站设计阶段给出合理的过程层交换机VLAN规划,确保每个 变电站网 络落实VLAN配置,尽可能减少或避免无效GOOSE背景报文对保护装置接收延时的影响。技术成熟时,可以推动采用动态组播注册协议(GMRP)实现组播报文自动划分[8],减少交换机人工配置和管理工作。

5.2约束条件

交换机是网络跳闸的核心,必须采用经权威部门测试过的工业以太网交换机。现阶段应采用技术成熟、功能简单(支持VLAN,RSTP及优先级传输) 的交换机,不宜采用支持精确时钟对时协议(PTP) 等新技术的交换机。

合理的组态配置为网络跳闸提供良好的运行条件。工程配置时保护GOOSE报文采用最高优先级传输,测控等四 遥报文采 用低优先 级,减少重要GOOSE报文的网络 排队延时。 保护装置 不宜将 “保护启动”等同时发生 的信号放 入GOOSE数据集,避免系统扰动时出现大量有效GOOSE背景报文影响装置接收延时。

严格的入网测试为继电保护网络跳闸速动性提供技术保障。针对无效背景报文、有效背景报文、广播报文和风暴背景报文,给出合理的技术指标,制定技术标准,对继电保护、智能终端等产品进行严格入网测试,确保保护系统的速动性。

6结语

GOOSE报文传输延时中,装置的报 文发送和接收延时占大部分,网络传输延时仅占很小部分,与网跳相比,直跳并没有快速性优势。网跳方式物理接线简单,简化设计、安装、调试、运行和维护,从而提高了运维的安全性,而直跳比传统电缆连接并无优势。

但应用网络跳闸时也要注意网跳方式下背景报文对装置的影响,通过合理的入网检测,促使厂家提升装置的性能,确保继电保护系统性能。另外,工程中通过合理的网络方案、VLAN划分和QoS配置等方法,减少背景报文流量,给网跳模式提供与直跳模式相当的工作环境,使其性能不低于直跳模式。

摘要：现有智能变电站继电保护大多数采用“直采直跳”的模式,但存在装置光口和光缆敷设过多、配置复杂、维护困难等不足。分析了通用面向对象变电站事件(GOOSE)报文传输延时,结果表明网络传输延时占比较小,与网跳相比,直跳并没有优势。分析了GOOSE网跳安全性,提出间隔交换机或检修虚拟局域网(VLAN)可以提高检修扩建情况下的安全性。针对二次设备提出了网跳关键技术及验证测试方案,提出了继电保护应用网络跳闸的网络方案和约束条件。

GOOSE实时通信的分析与实现 第3篇

IEC61850所支持的互操作性是指自动化功能模块之间的互操作性，与常规的自动化装置之间的互操作性存在差别。功能模块之间的互操作性是一种更高要求的互操作性，包括装置之间的互操作性。实现自动化功能之间的互操作性将成为产品应用IEC61850的最大价值[1]。IEC61850的一个基本方法是将各种应用分解为最小的单元，然后利用单元间的通信协调完成整个应用[2]。GOOSE的出发点是功能的分布式实现，它以高速P2P(peer-to-peer)通信为基础，替代了传统智能电子设备(IED)之间硬接线的通信方式，为逻辑节点之间的通信提供了快速且高效可靠的方法。任一IED与其它IED通过以太网相联，可以为订阅方接收数据，也可以为发布方向其它IED提供数据[3]。

GOOSE是一种实时应用，主要传送间隔闭锁信号和实时跳闸信号。根据IEC61850标准的规定，GOOSE信号的通信延迟应小于4 ms。在保证GOOSE正确可靠的前提下，应在发送端、交换机、接收端尽可能地提高实时性，即本文提出的全方位实现GOOSE实时性的观点。

1 IEC61850实现GOOSE实时性采取的手段

IEC61850标准针对变电站所有功能定义了比较详尽的逻辑节点和数据对象，并提供了完整的描述数据对象模型的方法和面向对象的服务。这些抽象的通信服务、通信对象及参数通过特殊通信服务映射(SCSM)可映射到底层应用程序,其映射一般遵循MMS+TCP/IP+ISO/IEC 8802.3模式，而GOOSE模型的报文传输映射实现比较特殊：如图1所示，应用层专门定义了协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)，经过表示层编码后，不经TCP/IP协议，直接映射到数据链路层和物理层，即传输层和网络层均空。这种映射方式的目的是避免通信堆栈造成传输延迟，从而保证报文传输、处理的快速性。

1.1 应用层

抽象语法记法1(ASN.1)是定义数据结构和协议格式表示方法的通用语言,并且广泛应用于定义应用层协议。GOOSE报文的PDU格式规范如下：

此定义中，DEFINITIONS,IMPORTS,CHOICE,IMPLICIT和SEQUENCE等均为ASN.1的专用术语，对上述PDU的抽象表述格式分析如下：

(1)由DEFINITIONS可知本数据结构的模块名称是IEC61850。

(2)IMPORTS构件指出此模块引用了ISO-IEC-9506-2中定义的Data参数，这从IECGoosePdu定义的元素allData中也能得到印证。元素allData所反映的信息在GOOSE报文中十分重要，Data参数中包含了丰富的数据类型，如布尔型，整型，比特序列等，这些数据类型选择可由用户自定义。这也是在定义GOOSE方面，IEC61850较之UCA2.0的一个灵活之处。

(3)由于最上一级的结构使用了CHOICE类型，对于GOOSE报文传输，需选择变量goosePdu，其标志名称是IECGoosePdu,IECGoosePdu的格式由13个元素序列组成，分别是gocbRef、timeAllowedtoLive等，这13个元素所代表的信息是GOOSE报文的主要内容。

1.2 表示层

表示层的作用是对应用层的PDU编码以适合在以太网上进行传输，GOOSE报文传输编码遵循ASN.1的基本编码规则(BER)。编码是由3个可变长部分组成的3元组：数据类型的标签(TAG)、数据长度(LENGTH)和数据值(VALUE)。它们通常被称为TLV3元组，其中类型标识符占1个字节，其第8比特和第7比特表示标签类型，标签分为四类：通用类(Universal)、应用类(Application)、上下文类(Context-specfic)和专用类(Private)。第6比特表示抽象数据类型的格式，分为简单的(Simple)和复杂的(Structured)，上述GOOSE报文的协议数据格式规范中，VISIBLE STRING和INTEGER等均是简单类型，而SEQUENCE和SEQUENCE OF等均是结构类型。如果数据类型是结构化的，在BER编码时，值的组成部分又包含TLV3元组。

相对于IEC 61850-9-1 SAV报文的编码，GOOSE报文的编码实现要复杂一些，因为GOOSE报文协议数据单元格式中标签类型既有应用类(如goosePdu)，又有通用类(如IECGoosePdu和gocbRef等)，而数据类型既有结构类型，又有简单类型。需要注意的是，报文协议数据单元格式中专用术语IMPLICIT的引进可以带来效率更高的编码。

1.3 数据链路层

此层遵循ISO/IEC 8802.3协议(即以太网协议)，格式如图2所示，对GOOSE报文和SAV(采样值)报文传输作了如下修改：

(1)报文的以太网类型(Ethertype)由IEEE著作权注册机构进行注册，是独一无二的，如SAV报文的以太网类型是0x88BA,GOOSE报文对应0x88B8，而抽象通信服务接口(ACSI)的核心服务所映射报文一般都是IP包，其以太网类型是0x0800。这种独一无二的以太网类型有利于接收方对SAV报文和GOOSE报文的解码过程优化。

(2)提供报文传输的优先级服务(IEEE802.1Q)，如规定过程总线上，SAV报文和GOOSE报文默认优先级为4，而其它报文优先级一般为1，从而保证过程总线数据通信时，SAV报文和GOOSE报文优先发送出去。

(3)分配特定范围的组播地址。由于SAV报文和GOOSE报文一般都是组播包，有多个接收者，而这些报文的接收者一般都在同一局域网内，通过分配SAV报文和GOOSE报文各不相同的特定范围物理组播地址，并采取在介质访问控制(MAC)层的硬件地址过滤方法，可提高组播报文的接收性能。

(4)VLAN(Virtual Local Area Network)即虚拟局域网，是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分为一个个网段从而实现虚拟工作组的新兴技术。一个VLAN内部的广播包不会转发到其它VLAN中，从而有助于控制流量。

2 交换机的解决方法

以上论述的是IEC 61850标准针对GOOSE实时性所作出的一些规定，主要包括协议栈、报文优先级、VLAN等几个方面。如图3所示，在网络交换机这一层引入报文优先级能显著提高GOOSE报文的实时性[4,7]。

按照IEC802.1D的算法，如果一个数据包找不到路由，交换机就会将该数据包向所有其它的端口发送，这样就会极大地浪费带宽，组播包在基于链路层的交换机中就是以广播的形式转发到各端口的。如果配置了VLAN，对于组播包，交换机只会将此数据包转发到属于该VLAN的其它端口，而不是所有的交换机端口。这样就将数据包限制在一个VLAN内，节约了带宽，有利于提高GOOSE的实时性。

3 接收端的解决方法

对于GOOSE报文的订阅端，协议栈的映射方式有助于提高GOOSE报文解码的实时性，但产品研制者还应采取一些措施使GOOSE报文处理的优先级高于其它报文[6]。一般是合理安排中断和网络任务的功能，在网卡接收中断级将实时性报文和非实时性报文区别开来，以事件驱动的方式通知各自的处理任务。对于普通报文提交给操作系统的网络任务进行协议处理，对于GOOSE等优先级较高的报文在高优先级的任务中处理。基于优先级的抢占式任务调度策略会优先调度高优先级的任务运行。

文献[5]论述了GOOSE报文捕获分析工具的开发，但对GOOSE报文的详细捕获条件论述较少。由于报文经过交换机时有可能去掉帧结构中的TPID和TCI，并且图2中的EtherType域既可能是报文长度,也可能是报文类型,因此GOOSE报文或者采样值报文的过滤条件应严格通用，设计如下：

(1)对于网卡收上来的每一帧数据，首先判断其第12和13两字节是否为0x8100。如果是，则表明报文中有4字节(第12至15字节)的TPID和TCI，这些优先级和虚拟局域网方面的规定对接收端的解码已经没有意义了，跳过这4个字节，获取EtherType域，否则源地址后的两个字节就是EtherType域。

(2)判断EtherType域是否小于0x0600，如果是，则表明这是一个普通以太网帧，此EtherType域表示的是报文长度，其后跟着的是链路层协议数据单元。如果不是，则表明此EtherType域表示的是报文类型，对于GOOSE，此域应为0x88B8。

4 发送端的解决方法

4.1 发送驱动模式

以主流的嵌入式实时操作系统NUCLEUS在NE2000网卡下的发送驱动模式为例，其发送框架如图4所示。

NUCLEUS将中断区分为低级中断和高级中断。低级中断只做很少的必要性的工作，以减少中断服务程序运行所占的时间，低级中断的一个重要功能是激活相应的高级中断服务程序。高级中断程序运行在任务级，并且是最高的几个优先级，用于数据处理等费时工作。设备描述表是网卡驱动程序的重要数据结构，存放网卡硬件的寄存器信息、待发送报文链表头指针等。发送流程描述如下：

(1)当网卡发送完一帧后产生发送中断，在低级中断处理程序中将该网卡的设备描述表指针存入一个环形缓冲区中，环形缓冲区的容量以系统定义的最大网卡设备数为限，是低级中断和高级发送中断之间的共享数据结构。接下来激活高级发送中断。

(2)高级发送中断从环形缓冲区中取出一个设备描述表指针，将该设备的发送缓冲区链表首报文缓冲区释放，这个报文应该是刚从网卡硬件发送出去的报文。如果此时发送报文缓冲区队列不为空，则启动发送机制。

(3)发送机制：从发送缓冲区链表首部摘取一个报文，将其复制到网卡硬件发送缓冲区，对网卡硬件进行相关设置，启动硬件发送。

(4)协议驱动被协议层所调用，是发送数据的源泉。应用层的待发送报文经过协议栈的层层封装处理，最后以以太网帧的格式按先进先出的顺序存放于设备描述表。协议驱动检查发送队列链表，如果发现当前添加到发送链表里的报文就是首报文，则按照上述(3)启动发送机制。

4.2 单级发送队列对实时应用的影响

由于每个网卡设备描述表中只有一个发送队列链表，是单级的，实时报文和非实时报文都在其中。作为高层协议的应用层，在装置允许的情况下其报文最大长度可以定义为很大，这样有利于目录服务、文件传输等要求大数据量的数据通信。一个几万字节的应用报文将对应几十个以太网帧，实时报文有可能被严重滞后，这种滞后带有不确定性，无法准确预知在实时性报文之前有多少非实时性报文在等待发送，这就从根本上违背了GOOSE服务对实时性的确定性要求。

4.3 多优先级发送队列模式

引入多级发送队列将从根本上解决实时性报文的发送延迟问题。这种模式下，每个网卡设备描述表中的待发送报文队列将按照优先级设置为多个，优先级的设置对应于报文的分类，GOOSE报文、采样值报文具有强实时性的特点，应放入高优先级的待发送报文队列。发送流程改进如下：

(1)当网卡发送完一帧后产生发送中断，在低级中断处理程序中将该网卡的设备描述表指针存入一个环形缓冲区中，接下来激活高级发送中断。

(2)高级发送中断从环形缓冲区中取出一个设备描述表指针，根据设备描述表的记录，确定刚从该网卡硬件发送出去的报文是哪个优先级队列的，将该优先级队列的首报文缓冲区释放。按照优先级从高到低的顺序检查发送队列，如果某个发送队列不为空，则启动发送机制。

(3)发送机制：从发送缓冲区链表首部摘取一个报文，将其复制到网卡硬件发送缓冲区，对网卡硬件进行相关设置，启动硬件发送，同时把当前的发送链表头指针记在当前的设备描述表中。

(4)协议层调用协议驱动，协议驱动根据报文的不同优先级将报文放入不同的发送优先级队列。如果刚加入的报文是所在优先级队列的唯一报文，并且其它优先级队列都没有报文，则如(3)启动发送机制。

5 结语

本文从GOOSE的发送端、接收端和网络交换机全面论述了提高GOOSE实时性的方法，提出的GOOSE发送端多优先级发送队列方法通过修改网络驱动程序实现。实际上，过程层的周期性采样值传输也有相应的实时性要求，即3～10 ms,其实时性稍弱于具有突发特性的GOOSE，但实现方法类似于GOOSE。如果在接收端将采样值接收任务的优先级设置低于GOOSE接收任务的优先级，在发送端将采样值报文的优先级设置低于GOOSE报文的优先级，则能达到分别实现不同实时性优先级的效果。

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智能终端GOOSE 第4篇

1 GOOSE双网拓扑结构

GOOSE网络常见的结构主要有星形结构和环形结构, 其中环形结构有基于IED的环网和基于交换机的环网;星型结构有单星型和双星型结构。星型拓扑对交换机的可靠性要求很高, 一旦交换机发生故障, 全网将不能工作。为了提高通信可靠性, 双星型拓扑已逐渐成为数字化变电站内网络通信的主要接线方式。双网冗余[7,8,9,10]是最常见的通信冗余方式, 分为双网互备和双网双工两种实施模式。根据IEC61850标准的规定, GOOSE信号的通信延迟应小于4 ms, 在保证GOOSE可靠性时, 应尽可能减少GOOSE的传输延时。传统的双网互备模式中, 处于热备用状态的网络只进行报文接收, 而不进行转发, 只有当转发的网络出现故障时, 热备用交换机相应的端口才会切换到转发状态。因为存在网络切换的时间问题, 通知网络拓扑改变的报文也会对另一个网络造成冲击, 所以采用双网双工模式, 实现组播报文GOOSE的双网同时发送和接收。由于并行冗余的双网之间没有联系, 因此即使单一网络出现故障, 只要另一个网络正常运行, 就不会造成报文丢失。这样的组网方式实现了重要的GOOSE报文双网发送, 也减少了维持网络拓扑信息的背景流量对传输功能的影响, 增加了报文传输的可靠性。

2 GOOSE双网IED节点结构[11]

本文介绍的双网冗余是在终端IED上实现的, 终端节点的两个端口接入两个结构相同的星型网络 (A网和B网) 中, 终端IED节点结构如图1所示。

两个并行的网络之间没有直接的物理联系, 每个终端节点的两个并行网络适配器具有同一个MAC地址和IP地址。GOOSE双网的终端节点通过两个并行的网络适配器同时发送快速报文, 保证了一个网络故障而另一个网络可以正常运行。

3 OPNET仿真

3.1 OPNET modeler介绍

OPNET[12]是一个网络仿真技术软件包, 它能够准确分析复杂网络的性能和行为, 在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头进行数据采集和统计。OPNET Modeler提供了3层建模机制, 分别在进程层、节点层和网络层进行由下到上的建模, 同时在仿真过程中采用离散事件驱动的模拟机理, 其中最底层为进程模型, 由状态转移图来表示, 每个状态由C/C++语言来描述。其次为节点模型, 反映设备的特性, 由互联的协议模块组成, 最上层为网络模型, 描述系统的拓扑结构, 由节点和信道构成。

3.2 基于OPNET的GOOSE网络仿真模型

3.2.1 网络模型

根据以太网网络结构和冗余方式, 结合GOOSE网络需求, 基于OPNET构建了GOOSE网络模型, GOOSE双星型网络拓扑如图2所示, GOOSE单星型网络拓扑如图3所示。

3.2.2 节点模型

OPNET中GOOSE所采用的断路器IED节点模型如图4所示, 保护控制IED节点模型如图5所示。

GOOSE节点跳过传输层和网络层直接将应用层数据映射到数据链路层和物理层, 从而避免了传统通信堆栈造成的传输延迟, 保证了报文传输和处理的快速性。由于在双星型网络中断路器IED和保护控制IED需要两个端口分别连接到两个冗余网络中, GOOSE网络中断路器IED和保护控制IED节点模型则采用双端口。

1) bursty_gen:主要负责产生并发送GOOSE报文, 内部对数据包产生的时间、大小等属性进行定义。

2) sink:主要负责接收GOOSE报文, 并统计接收包的数量和发送包的时间等。

3) eth_mac_intf:负责设置mac层的一些信息, 是mac层与bursty_gen和sink沟通的桥梁。

4) mac:对接收的GOOSE报文进行封装或对发送的GOOSE报文帧解封装, 根据GOOSE报文的特征, 采用相应的发送机制, 将GOOSE报文发送到低层或高层。

5) hub_rx0、hub_rx1、hub_tx0、hub_tx1:负责底层数据流的接收和发送, 是双星型网络A网和B网与智能设备的接口模块。

3.2.3 GOOSE网络中的数据流分析

1) 保护控制IED到断路器IED的数据流。一个间隔内的保护控制IED向本间隔内断路器IED发送跳闸命令, 同时还向另一间隔内的断路器IED发送跳闸命令, 模拟实际故障情况下不同间隔内开关的联动。跳闸报文大小为16字节, 报文到达时间服从λ=500的Poisson分布, 因此报文到达的平均间隔时间为2 ms, 该类报文第一次发送后, 应继续以2、4、6、8 ms、…的间隔顺序重发。

2) 断路器IED到保护控制IED的数据流。断路器IED接收到跳闸命令后, 立即返回一个GOOSE报文至保护控制IED, 这是典型的突发性数据。仿真中GOOSE报文采用ON/OFF机制, ON期间才产生GOOSE报文, ON状态的出现服从Pareto (1.1, 512) 分布, 而OFF状态的出现服从Poisson (50) 分布。

3.2.4 仿真结果分析

对GOOSE双星型冗余网络正常双网双工运行和利用OPNET中的failure recovery模拟双星型冗余网络中间隔层交换机0到保护控制IED1、IED2、交换机4和一星型子网的以太网链路故障两种情况下GOOSE网络的延时进行仿真比较分析, 结果如图6所示。

从图6可以看到, 通信链路出现故障, 双星型网络延时与正常运行状态下的网络延时相差无几, 具有快速愈合能力, 这说明双网双工在提高GOOSE网络可靠性方面具有优越性。但是星型网络一旦出现链路故障将导致通信网络瘫痪, 双星型网络拓扑与星型网拓扑对GOOSE网络实时性的影响如图7所示。

由图7可知, 双星型网络拓扑比星型网络拓扑延时滞后0.03 ms, 但是GOOSE双星型网络可以大大提高网络的冗余能力, 即使通信链路故障仍可保证快速报文的可靠传输。综合实时性和可靠性两方面因素, 选择双星型网络具有优越性。不同报文发送时间间隔、报文数据包大小、CPU利用率对双网延时的影响如表1、表2所示。

ms

4 结语

本文对GOOSE双星型冗余网络进行了建模, 并对GOOSE双星型网络正常运行、出现链路故障及采用单星型网络三种情况进行了仿真, 其结果表明, 对实时性和可靠性要求较高的GOOSE网络, 双星型冗余网络的网络拓扑满足IEC61850对快速报文的实时性要求, 大大提高了GOOSE网络的可靠性, 与星型网络比较具有明显的优越性。

摘要：为研究GOOSE网络结构对快速报文传输实时性、可靠性的影响, 利用OPNET软件对智能电子设备 (intelligent electronic devices, IED) 进行建模型, 构建了双端口IED的节点模型, 并在此基础之上构建GOOSE网络结构。分别对正常运行的双星型网络、星型网络以及通信网络故障动态情况下的双星型网络进行了仿真, 分析了三种情况下快速报文传输延迟时间的差异, 并对影响双网报文传输延时的因素进行了比较。结果表明:在满足快速报文传输实时性和可靠性要求的情况下, 采用GOOSE双星型网络结构的优越性高于星型网络。

关键词：IEC61850,GOOSE,数字化变电站,OPNET modeler,网络拓扑

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智能终端GOOSE 第5篇

目前我国煤矿井下6 kV高压配电网络大多采用由多段短电缆组成级数较多的一条进线带多条出线的供电模式。该方式组成的配电网络供电距离短,短路电流大,且每级供电网络首末两端短路电流相差不大,为基于传统继电保护模式的电流整定带来了很大难度。另外,煤矿井下供电条件恶劣,环境潮湿,干扰较多,这些都直接或间接地增加了防越级跳闸保护的难度。针对煤矿高爆开关经常发生越级跳闸的难题,很多专家和学者都进行了研究并提出了很多切实可行的方案,但是这些方案在实际的使用过程中都存在或多或少的问题。本文在分析现有防越级跳闸方案的基础上,提出一种简单易行,实时性、可靠性较高的防越级跳闸保护方案,并以实例说明了该方案的实施过程。

1 越级跳闸产生的原因

引起煤矿井下高爆开关发生越级跳闸的因素很多,主要原因有以下几点:

(1) 高爆开关机构配置不合理。随着煤矿开采年限的增加以及巷道的不断延伸,井下高压配电网络所选用的高爆开关也在不断增加和更新换代。高爆开关的型号、厂家不统一,很难使煤矿井下供电设备和地面变电所供电设备合理配合[1]。

(2) 井下高压供电线路距离短,短路电流大。煤矿井下多采用短电缆供电(60~1 500 m)[2],始末两端短路电流相差不大,首端最小两相短路电流甚至小于末端最大三相短路电流,速断保护的范围基本为零,难以满足纵向选择性的要求。

(3) 高爆开关工作电源不独立[3]。井下高爆开关一般采用供电系统的电压或电流回路的电磁元件作为供电电源,高爆开关的综保装置采用由电压互感器二次侧100 V电压转换而来的+5 V、3.5 V(DSP工作电压)、±24 V等电压为其相关部件供电,且都装有具有零时延的欠电压释放保护,一旦发生欠电压事件,综保装置有可能先于开关动作机构断电,难以起到保护作用。

(4) 速断保护整定方案不恰当[4]。传统的基于电磁式继电保护的速断保护是按照上下级0.5 s的时间级差阶段配合整定的,而目前煤矿井下高压供电网络的供电级数都在三级或者三级以上,如果按照该标准整定,则最上级的动作时间就会大于1.5 s,难以满足快速性的要求。

(5) 大功率设备同时启动。随着煤矿井下综采面自动化程度的不断提高,大功率机械设备也被越来越多地直接投入到生产一线,位于供电线路末端的3.3 kV大功率采煤机及配套大功率设备的投入使得启动瞬间电流大、电压下降多,导致末端断路器的操作回路电源电压低于正常工作值而使断路器机械动作于跳闸并闭锁。

(6) 继电保护器件自身质量问题。目前矿用继电保护器件没有统一标准,高爆开关综保装置所用电流互感器普遍存在保护级准确度低、磁化曲线相差较大等问题。这些问题都容易导致在短路保护中上一级综保装置跳闸而下一级综保装置不动作的情况发生。

2 目前井下高压防越级跳闸方案及其存在的问题

2.1 电气闭锁方案

电气闭锁方案具有理论简单、目的明确、容易实现等优点,在早期的防越级跳闸保护方案中得到了广泛的应用。其保护原理是在发生故障时,故障级综保装置在跳闸的同时向其上级综保装置发送电气闭锁信号使其闭锁,以达到防越级跳闸的目的。但是该方式采用普通电缆作为电气闭锁信号传输渠道,由于井下供电环境复杂,电磁干扰严重,闭锁信号在远距离传输时延时较长,而且无法保证信号传输的可靠性,使得采用该方案的防越级跳闸保护装置很难发挥其应有的保护功能,甚至发生拒跳、误跳等情况。

2.2 分站集中控制方案

分站集中控制方案的保护原理是通过通信电缆将井下所有高爆开关综保装置连接到监控分站上。当井下供电线路发生故障时,首先高爆开关通过通信线路将故障信息传递给监控分站,然后由监控分站判断出离故障点最近的高爆开关并给该高爆开关发送跳闸命令,最后由接到跳闸命令的高爆开关跳开故障线路。该方案将故障点判断以及跳闸命令的决策都交给了监控分站,增加了监控分站的工作量,使得监控分站成为整个保护系统中最重要同时也是最薄弱的环节。一旦监控分站发生故障,将导致整个保护系统瘫痪,给井下安全供电带来极大的威胁。

2.3 数字化变电站方案

数字化变电站方案是以全网数据共享为基础的井下防越级跳闸保护方案,其保护原理与分站集中控制方案相似。该方案要求高爆开关综保装置具备高速光纤数字通信接口,通过高速光纤将井下高爆开关综保装置以及地面变电站保护装置的电气信息传输至数字变电站的控制单元。由于目前煤矿井下大多不具备高速光纤通信线路,高爆开关所用综保装置的光纤数据接口很难满足高速数据交换要求,很多综保装置甚至没有光纤数据接口,而且高爆开关综保装置安装于高爆开关防爆外壳内,属于本安兼防爆产品,其性能设计和安全监测方面与地面保护装置具有严格的区别。国家矿用产品安全标志中心规定,高爆开关综保装置属于高爆开关内部受控部件,未经检测严禁更换[5],因此基于全网数据共享的数字化变电站防越级跳闸保护法案目前很难在煤矿防越级跳闸保护中实施。

2.4 光纤电流纵联差动保护方案

光纤电流纵联差动保护方案最早被应用于地面供电系统防越级跳闸保护方案中,其保护原理是依据基尔霍夫电流定律,利用光纤将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧,每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分是区内故障还是区外故障[6]。参考文献[5]提出将该方案移植到井下防越级跳闸保护方案中,通过在具有上下级供电关系的高爆开关综保装置之间建立具有纵向关联关系的联机通信网络而形成光纤电流纵联差动保护。但是该方案中保护两端的采样时间要求严格同步,较适合于地面一对一开关模式,对于井下一对多开关模式来说,要保持采样时间同步极其困难,而且井下2条线路供电模式的互相切换也会加剧保持采样时间同步的难度,因此该方案在井下推广使用具有一定的难度。

3 基于GOOSE的井下防越级跳闸方案

3.1 GOOSE通信机制

GOOSE(通用面向对象的变电站事件)是IEC61850标准定义的一种快速报文传输机制[7]。GOOSE报文传输机制以P2P通信方式替代了传统的智能电子设备之间硬接线的通信方式,主要用于间隔闭锁和传送实时跳闸信号[8,9]。

GOOSE通信机制采用发布者/订阅者通信结构以及报文重发机制,以保证通信信号(本文中通信信号主要为跳闸闭锁指令)的实时性和可靠性。当系统正常运行时,保护装置以固定时间间隔T0发送当前状态,当检测到故障信息时,装置立即发送跳闸闭锁指令,再分别以时间间隔T1发送2次跳闸闭锁指令,分别以时间间隔T2、T3各发送1次跳闸闭锁指令,然后进入正常运行状态。其发送时间间隔如图1所示,其中T0为正常状态下GOOSE信息发送间隔,也称为心跳时间(一般为5 s);(T0)为跳闸信号导致GOOSE心跳时间缩短后的时间(故障发生后立即发送故障信号);T1为接收到跳闸信号后GOOSE的最短发送时间间隔(2 ms);T2(4 ms)、T3(8 ms)为跳闸信号消除前的重发时间间隔。

GOOSE通信机制在进行报文传输服务时不经过影响以太网延迟确定性的会话层、传输层、网络层,直接由应用层、表示层映射到数据链路层、物理层,同时采用以事件驱动为基础的发布者/订阅者通信机制,大大减小了传输的延迟时间。参考文献[10]对该传输延迟时间进行了精确测定,结果表明该传输延迟时间小于2 ms。

基于GOOSE报文传输协议的通信方式可大大提高信息传输的实时性及可靠性。将该协议应用于煤矿井下高爆开关防越级跳闸保护中可很好地保证跳闸闭锁指令的实时、准确传输,有利于提高保护精度。

3.2 防越级跳闸方案

煤矿井下高压配电网络结构复杂,一条进线往往带多条出线,因此高爆开关之间完美的关联关系显得尤为重要。本文设计的防越级跳闸方案中,下级开关只关联到其上一级,上、下级开关形成纵向关联,同级开关之间没有通信。以义马煤业集团有限责任公司跃进矿部分高压供电线路为例说明基于GOOSE的防越级跳闸方案的实施过程。线路如图2所示。

2-3区二所下的1-158号、1-161号、1-154号等出线开关分别与该变电所的进线开关1-159号形成纵向关联,而1-158号、1-161号、1-154号等出线开关之间没有通信联系。同理,1-159号进线开关与上级2-3区一所的135号出线开关、135号与136号、136号与189号、189号与199号之间都形成纵向关联,这样1-158号与1-159号、135号、136号、189号、199号之间就会形成具有通信联系的纵向关联通信线路。同理,1-161号、1-154号、1-153号分别与1-159号、135号、136号、189号、199号之间也形成具有通信联系的纵向关联关系,上级2-3区一所的出线开关134号、133号、132号以及中央变电所的178号、179号、205号、200号分别与其上级的进线开关形成具有通信联系的纵向关联关系。同级高爆开关与上级高爆开关之间的关联关系提前嵌入到各高爆开关的保护器中,而随着具有高速数据处理能力的DSP芯片在高爆开关综保装置中的使用,自动识别高爆开关的上下级关联关系已不再是难题。

防越级跳闸整定时,高爆开关综保装置除最末端外,其余各级都整定一个较小的延时,以保证上级高爆开关能收到下级高爆开关发送的跳闸闭锁指令。考虑到采用GOOSE通信协议后的通信网络延迟时间小于2 ms,该较小延时整定为5~10 ms即可满足要求(本文整定为5 ms)。最后通过采用GOOSE通信协议的高速通信网络将具有纵向关联关系的高爆开关连接起来。在正常工作状态,通信网络以心跳时间(5 s)进行通信状态自检,检查所有线路通信是否正常,若发现通信线路故障,则立即发出通信线路故障信号,若没有通信线路故障则继续以心跳时间进行不间断自检。当综保装置检测到发生短路故障时,通信网络立即由自检状态转变为短路故障状态。取图2中一条具有纵向关联关系的供电线路来分析发生短路故障时基于GOOSE的防越级保护方案的工作情况,如图3所示。

当K1处发生故障时,开关1-158号感受到电流为故障电流并立即发出跳闸指令,同时向上级开关1-159号发出一次跳闸闭锁指令(这里将其命名为跳闸闭锁指令A)。若开关1-159号收到跳闸闭锁指令A的同时也感受到电流为故障电流,则立即向上级开关综保装置发送一次第二种跳闸闭锁指令(为区别于跳闸闭锁指令A,这里将第二种指令命名为跳闸闭锁指令B),延迟一段固定时间后若故障继续存在则跳开开关。考虑到目前井下高爆开关综保装置动作时间大约为40~60 ms,加上高爆开关动作机构的固有动作时间,可以将该固定时间整定为120 ms。若135号开关收到上级开关跳闸闭锁指令B的同时也感受到电流为故障电流,则立即向上级发送跳闸闭锁指令B,并延时200 ms后再次判断,若仍有故障电流则跳开故障线路。其中上级开关综保装置在收到跳闸闭锁指令的同时检测到电流达不到故障电流时,则开关不动作,也不向上级开关发送跳闸闭锁指令,如图3中189号开关。若该开关检测到电流为故障电流,则向上级开关199号发送跳闸闭锁指令,若检测到电流不是故障电流则不发送跳闸闭锁指令。

K1处发生故障但其对应高爆开关拒动时的跳闸闭锁指令如图4所示。若经过120 ms延时后开关1-158号仍然没有跳开故障线路,而此时开关1-159号仍然能检测到故障电流(判断为下级开关拒动),则开关1-159号立即跳闸,同时给其上级开关135号发送跳闸闭锁指令A。上级开关135号收到跳闸闭锁信号A后立即复位计时器,并重新延时120 ms,同时向上级开关136号发出跳闸闭锁指令B。

当K2处发生短路故障时跳闸闭锁指令如图5所示。当K2处发生短路故障时,其下级开关1-159号、1-158号由于检测到的电流达不到故障电流且收不到跳闸闭锁指令而不发生任何动作。开关135号检测到故障电流,但在5 ms内(等待下级跳闸闭锁指令设定的小延时)没有收到下级发送的跳闸闭锁信号,则立即跳闸,同时给其上级开关136号发送跳闸闭锁指令A。若上级开关136号收到跳闸闭锁指令A的同时检测到电流为故障电流,则延时120 ms后向其上级开关136号发送跳闸闭锁指令B,若检测到电流不是故障电流则不发送闭锁指令。

在整个动作过程中,开关一共有5种状态:(1) 检测到电流为故障电流,但收不到跳闸闭锁指令,则该开关为故障开关,应立即跳闸并发送跳闸闭锁指令A给其上级开关综保装置;(2) 检测到故障电流的同时收到跳闸闭锁指令A,则该开关为故障 开关的相邻开关,应延时120 ms后再做判断;(3) 检测到故障电流的同时收到跳闸闭锁指令B,则该开关为离故障线路较远的开关,应延时200 ms后再做判断;(4) 收到跳闸闭锁指令但检测不到故障电流,则该开关既不动作也不发送跳闸闭锁指令;(5) 既检测不到故障电流又收不到跳闸闭锁指令,则该开关为故障线路下级开关或更远的上级开关,该开关不动作,也不发送跳闸闭锁指令。

4 结语

基于GOOSE的防越级跳闸方案由于采用延迟时间较小的GOOSE报文传输协议而大大提高了信息传输的实时性和可靠性,可很好地解决传统电气闭锁方式信息传输可靠性不高的问题,且与分站集中控制方案、数字化变电站方案、光纤电流纵联差动保护方案相比,具有结构简单、容易实现、安全可靠等特点。

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智能终端GOOSE 第6篇

传统的10 k V开闭所因级联层次多、供电半径短、定值配合难[1,2,3,4,5,6], 保护装置仅依靠就地信息不能解决出线故障进线保护越级跳闸、重负荷下进线开关跳闸等问题, 随着IEC61850标准的颁布和智能变电站的研究和试点应用, 采用GOOSE机制实现保护装置之间信息的快速、可靠的交换成为可能[7,8,9,10,11,12], 研究基于GOOSE机制的10 k V开闭所网络化保护解决越级跳闸等问题是迫切需要的。

1 出线故障闭锁进线

开闭所的进出线间只有母线, 当出线故障时, 进出线保护检测到的故障电流几乎相等, 为了在出线故障时保护具有选择性, 最直接的解决办法就是出线故障能够闭锁进线保护。传统方式下, 保护配置都是面向间隔的模式, 要实现跨间隔的信号传递, 需要根据开闭所的工况做大量的软件、硬件定制工作, 二次接线复杂, 从设备投资和技术难度上都会大大增加, 不易实现。

基于GOOSE机制的出线故障闭锁进线, 当出线故障时, 由出线保护瞬时发出出线闭锁GOOSE信号, 闭锁进线保护, 保证了出线保护的选择性。当出线开关动作后发出解锁GOOSE信号, 如果出线开关拒动, 进线保护动作, 基于GOOSE机制的出线故障闭锁进线原理解决了开闭所进出线保护难以配合的问题, 对开闭所越级跳闸提出了可靠的解决方法, 该方法同样可用于解决级联开闭所中上下级开闭所越级跳闸的问题。

1.1 出线故障闭锁进线保护逻辑原理

为实现保护可靠闭锁, 进线过流I段需设置一短延时设为t1, 作为等待闭锁信号传递的配合时间。出线短路故障时, 其保护在电流元件 (继电器) 动作的同时, 向相关进线保护发出闭锁信号。出线保护待故障电流消失或经一延时设为t3 (认为断路器失灵) , 发送出口解锁信号给进线保护。

(1) 出线故障闭锁信号产生逻辑

如图1所示, t2为过流II段延时, t3为断路器切除故障时间, 出线保护电流元件动作时, 发出闭锁信号。故障电流切除后电流元件返回, 或者保护动作并且断路器不拒动经过t3延时后, 不产生闭锁信号。后者是考虑断路器失灵时, 依靠进线保护较快动作以切除故障。

(2) 单母线不分段时进线保护动作逻辑

图2为单母不分段进线保护动作逻辑图, 进线过流I段设置动作延时设为t1, 作为等待出线故障产生闭锁信号的传输时间;出线保护的t2为过流II段延时。出线故障时, 由相关出线保护电流元件动作, 送出信号闭锁进线保护。

出线保护动作经 (认为断路器失灵) 延时设为t3, 如电流元件仍未复归, 则视为出线断路器失灵, 解除闭锁信号。此时相关进线保护若未复归, 则出口动作, 切除故障。

(3) 单母线分段时进线保护闭锁逻辑

对于单母线分段接线方式, 出线保护的闭锁信号需要先与分段断路器位置信号相关联, 经确认分段断路器的位置后, 再确定是否闭锁相关的进线保护, 如图3所示。

当分段断路器在合闸位置, 则两段母线所有出线保护的闭锁信号必须同时传送至两段母线的进线保护对其进行闭锁。当分段断路器在分闸位置, 则各段母线出线保护的闭锁信号仅对各自母线的进线保护产生闭锁。

1.2 保护时间性能计算

对于上述保护逻辑, 各环节可能产生的延时有:故障电流检出时间t0、进线速断延时t1、过流II段延时t2、断路器断开故障流电流时间t3, 闭锁复归信号传递时间t4。故障电流检出时间一般小于20 ms。取t0=20 ms;进线速断延时t1有两种情况:当采用硬连线传输该信号时t1最小30 ms, 最大60ms;采用GOOSE报文传输闭锁信息t1小于10 ms;过流II段延时t2一般为300 ms, 考虑传输延时, 进线过流II段延时为t2+t1;断路器断开故障流电流时间一般小于70 ms, 考虑可能需要的跳闸命令传递时间约10 ms, t3=80 ms;闭锁复归信号传递时间t4=10 ms (复归信号传递时间) 。

考虑10 k V开闭所主要的故障状况有:

(1) 出线速断范围故障。出线保护经:t0+t3=20+80=100 ms切除故障;断路器拒动时, 进线保护经:t0+t3+t4+t3=20+80+10+80=190 ms切除故障。

(2) 出线速断范围, 进线过流II段范围故障。出线保护经:t0+t3=20+80=100 ms切除故障;如断路器拒动, 进线保护经:t2+t3+t1=300+80+30=410 ms切除故障。

(3) 出线过流II段范围故障。出线保护经:t2+t3=300+80=380 ms切除故障;断路器拒动, 进线保护经:t2+t3+t4+t3=300+80+10+80=470 ms切除故障。

(4) 母线故障。进线保护经:t0+t1+t3=20+30+80=130 ms切除故障。

1.3 基于GOOSE机制的出线故障闭锁进线保护

IEC61850标准规定即使外部状态不变, 发布者仍然会重发GOOSE报文, 且重发的时间间隔会渐渐变大, 这样首先可以保证报文传输的可靠性, 其次会减轻网络通信流量, IEC61850对GOOSE报文的实时性做出了规定性保障。在OSI七层模型中, GOOSE报文的传输服务是应用层到表示层, 经抽象语法符号ASN.1编码后, 直接映射到底层, 即数据链路层和物理层, 不用经过网络层和传输层, 从而保障了GOOSE报文传输的实时性。

在图4中, 如逻辑图 (a) 所示, 装置具有出线故障闭锁进线功能, 当出线过流保护起动后装置就会立即给所有进线 (包括本段和邻段) 发布GOOSE闭锁报文, 闭锁进线的保护功能。在逻辑图4 (b) 中, 进线装置收到GOOSE报文后, 首先会判断是本段还是邻段发出的GOOSE报文, 如果收到的为本段的报文则闭锁进线, 如果收到邻段装置发送的报文, 则需要判断母联的开关位置, 母联开关合位则闭锁进线保护, 如果是跳位, 则不进行任何动作。

2 网络化备自投

目前10 k V开闭所备自投功能大多需要单独装设一个备自投装置, 通过信号电缆将断路器位置信息传输给备自投装置, 通过独立的交流信息采集回路将进线电流、母线电压信息传输给备自投装置, 最后由备自投装置完成动作逻辑判断。这就需要在现场安装较多的信号传输电缆和交流信息采集回路, 并且每一个备投点都需要安装独立的保护装置, 开闭所运行方式改变时, 除了对备自投装置主程序修改外, 还需要修改二次接线, 复杂的接线给开闭所的运行和检修带来了极大不便。

(1) 进线自投动作逻辑

单母分段或单母不分段运行方式, 进线备自投动作逻辑都是一样的。当工作进线失电的情况下, 备用进线发送GOOSE报文跳开工作进线, 在确保工作进线跳开的前提下, 备用进线自投合闸。

图5中T1为备自投跳工作进线的延时时间, T2为备自投 (即备用进线) 的合闸延时时间, 两个延时时间均可由定值设定。图5 (b) 是工作进线动作逻辑图。工作进线收到备用进线发过来的GOOSE跳闸信息, 解析后跳开工作进线, 如果跳工作进线成功则发送工作进线跳闸成功GOOSE信息。当备用进线自投装置收到工作进线发送的工作进线跳闸成功GOOSE报文后, 经过合闸延时时间T2合上备用进线。

(2) 母线自投动作逻辑

当工作进线1、2中的某一个失电的情况下, 母联装置发送GOOSE报文跳开失电的进线, 在确保失电进线跳开的前提下, 母联装置将分段合闸。

图6为母线备自投动作逻辑, T1为备自投跳工作进线的延时时间, T2为备自投 (即备用进线) 的合闸延时时间, 两个延时时间均可由定值设定。当满足充电完成和进线中有1条进线失电的条件时, 母联发送GOOSE跳闸信息给所有工作进线, 但是只有失电进线才会订阅, 当母联得到失电进线跳闸GOOSE信息后, 经过T2延时合闸备用进线。图6 (b) 是失电进线动作逻辑图, 当失电进线收到母联装置发送的GOOSE跳闸信息后, 跳开失电进线, 如跳闸成功, 则发送失电进线跳闸成功GOOSE报文, 否则不发送失电进线跳闸成功GOOSE报文。

基于GOOSE机制的网络化备自投与传统微机备自投方式相比, 具有两个优点。一是节省投资。传统备自投需要设立专用的备自投装置, 通过交流电线电缆实现对母线电压的采集和两路进线电流的采集, 通过信号电缆实现对两路进线和母联断路器位置的采集。对母线有压还是无压, 进线有流还是无流, 进线和母联短路了器位置都在备自投装置中通过逻辑进行判断。而基于GOOSE的备自投方案不需要专用的备自投装置, 备自投的功能已经“集成”在进线保护装置和母联保护装置中。二是二次接线简单。传统备自投方案需要通过电缆实现对母线电压和进线电流的采集, 还需要通过辅助触点对进线和母联断路器的开合位置进行采集, 接线复杂, 工作量大;基于GOOSE的备自投方案不需要对母线和进线以及进线和母联断路器的信息进行专门采集, 各进线以及母联保护装置已经在不增加额外二次接线的前提下实现了对上述信息量的采集, 通过网线和交换机实现GOOSE的传输。

3 基于GOOSE机制的自动甩负荷

传统开闭所不配备专用的减载装置, 当进线过负荷时, 不具备跳出线的能力, 严重情况下会导致进线跳开, 导致大面积停电。基于GOOSE机制的自动甩负荷功能在不增加专用减载装置的前提下, 实现进线过负荷时, 出线自动减载功能, 该功能分布于所有的进线和出线保护中, 过负荷信息采用GOOSE报文传输, 实现了装置的互操作, 符合IEC61850标准对IED功能的要求。

当进线的过负荷电流超过自动甩负荷定值且自动甩负荷投入时, 保护逻辑如图7, 进线就会给所有出线 (包括本段和邻段) 发布减载跳闸GOOSE报文, 出线根据优先级 (可由整定延时来保证) 由低到高依次切负荷, 直到过负荷电流低于自动甩负荷定值, 进线就会给所有出线 (包括本段和邻段) 发布减载返回GOOSE报文, 出线停止切负荷。

出线收到GOOSE报文后, 首先会判断接收到的自动甩负荷GOOSE是邻段还是本段进线发布的, 其次要判断母联的开关位置, 进而判断是否启动自动甩负荷延时, 延时时间到就启动自动甩负荷动作。根据负荷重要性, 配置出线自动甩负荷时限, 非重要负荷自动甩负荷时限小, 重要负荷自动甩负荷时限大。

4 结论

出线故障闭锁进线保护能有效地解决越级跳闸问题, 在实验室条件下模拟进行了多点故障, 选择性效果良好, 但是延时时间长, 有待进一步改进, 经改进后的基于GOOSE机制的出线故障闭锁进线已在现场应用, 基于GOOSE机制的网络化备自投和自动序位甩负荷在现场已取得良好效果。

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