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变电事业部智能变电站过程层报文培训

发布时间:2019-05-27 09:27 来源:未知 编辑:admin

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  变电事业部智能变电站培训 变电事业工程服务部 主讲人:沙亮 2012.7 第一部分:GOOSE和SV信息 ? 1:GOOSE信息 ? IEC61850 中提供了面向通用对象事件(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)模型,可在系统范围内快速且可靠的传输数据值。GOOSE 使用ASN.1 编码的基本编码规则(BER),不经过TCP/IP 协议,直接映射的 以太网链路层上进行传输,采用了发布者/订阅者模式,逻辑链路控制(LLC) 协议的单向无确认机制,具有以下特点: 1)信息按内容标识; 2)点对多点传输; 3)事件驱动。 与点对点通信结构和客户/服务器通信结构模式相比,发布者/订阅者模式可用 来实现站内快速、可靠的发送输入和输出信号量,可利用重传机制保证通信的 可靠性。发布者/订阅者通信结构模式是一个数据源(发布者)向多个接收者 (订阅者)发送数据的最佳方案,尤其适用于数据流量大且实时性要求高的数 据通信。GOOSE 报文传输利用组播服务,从而有效地保证了向多个物理设备 同时传输同一个通用变电站事件信息。GOOSE 报文可以快速可靠的传输实时 性要求非常高的跳闸命令,也可同时向多个设备传输开关位置等信息。 GOOSE 信息交换方式如图2-9 所示,发布者将值写入发送侧的当地缓冲区;订 阅者从接收侧的当地缓冲区读数据;通信系统负责刷新订阅者的当地缓冲区; 发布者的通用变电站事件控制类用以控制这个过程 ? ? ? ? ? ? ? GOOSE 报文发送采用心跳报文和变位报文快速重发相结合的机制。当IEC61850-7-2 中有定义过 的事件发生后,GOOSE 服务器生成一个发送GOOSE 命令的请求,该数据包将按照GOOSE 的 信息格式组成并用组播包方式发送。为保证可靠性一般重传相同的数据包若干次,在顺序传送的 每帧信息中包含一个“允许存活时间”的参数,它提示接收端接收下一帧重传数据的最大等待时 间。如果在约定时间内没有收到相应的包,接收端认为连接丢失。 在GOOSE传输机制中,有两个重要参数StateNumber和SequenceNumber,StateNumber (0~4294967295)反映出GOOSE报文中数据值与上一帧报文数据值是否有变化, SequenceNumber(0~4294967295)反映出在无变化事件情况下,GOOSE报文发送的次数 如图2-2 所示,在GOOSE 数据集中的数据没有变化的情况下,发送时间间隔为T0的心跳报文, 报文中状态号(stnum)不变,顺序号(sqnum)递增。当GOOSE数据集中的数据发生变化情况 下,发送一帧变位报文后,以时间间隔T1,T1,T2,T3(T1、T2、T3 时间依次增加,但比T0 要短)进行变位报文快速重发。数据变位后的第一帧报文中stnum 增加1, sqnum 从零开始,随 后的报文中stnum 不变,sqnum 递增。GOOSE 接收可以根据GOOSE 报文中的允许生存时间 TATL(TimeAllowtoLive)来检测链路是否中断。 GOOSE传输的可靠性 ? (1)快速重发机制,当数据集成员 发生变位后,装置会迪克发出第一帧GOOSE的 变位报文,随后在很短的时间的内,装置会补发第二帧的,第二帧的报文。。这 样即使第一帧的报文发出丢失,也会有第二帧报文即使抵达接收端,从而保证了 GOOSE传输的可靠性另外出于可靠性的考虑,报文的重发时间间隔逐渐被拉长, 有效的避免了网络负载过重,打到了可靠性和网络流量的平衡 (2)链路通断的自检。GOOSE报文中带有“TimeAllowedToLive”(报文的存活时 间)参数。如前文所述,如果接受的端的TimeAllowedToLive时间内未收到任何的 报文,则接受端判断报文丢失;在TimeAllowedToLive的2倍时间内没有接受到任 何的下一帧GOOSE报文,即判断为通信中断。一次在通信的工程中,GOOSE实 际上是不断地进行链路通断的自检,由此提高了变电站二次回路的可靠性。 (3)SqNum 和Stnum的变化严格遵循规律。GOOSE接受方通过StNum和SqNum 的变化规律,能够判断报文是否丢帧,是否有错序,是否有重复等。例如 GOOSE接受方能够通过StNum和SqNum变化的连续性判断GOOSE报文是否丢 帧。如果StNum和SqNum不连续,说明报文有丢帧 GOOSE报文的错序是只由于受网络传输延时影响,后发的报文比先发出的报文 先到接受端装置.GOOSE接受方能够依据StNum和SqNum一次递增的特点,检查 GOOSE报文是否错序,以此判断网络是否异常 GOOSE报文重复是指接受方连续发送两帧StNum和SqNum序号完全相同的报文。 GOOSE接受方会通过检查两帧报文的序号是否相同,能够判断出报文是否重复。 ? ? ? ? IEC61850 建议采用以太网作为变电站通信网络,以太网属于LAN 协议体系 (IEEE 802系列)。同大多数通信协议一样,LAN 协议建立在OSI 标准模型的 基础上,但是作为底层协议,它只对应了OSI 模型中的物理层和数据链路层, 同时它又将数据链路层划分为逻辑链路控制(Logic Link Control,LLC)和介 质访问控制(Media Access Control,MAC)2 个子层。LLC 层接近网络层, 负责向上层协议提供标准的OSI 数据链路层服务,通过服务访问点建立1 个或 多个与上层协议间的逻辑接口,使上层协议(如TCP/IP)能够运行于以太网上; MAC 层则靠近物理层,负责以太网帧的封装(发送时将LLC 层的数据封装成 帧,接收时将帧拆封后给LLC 层),包括帧前同步信号的产生,源/目的地址的 编码及对物理介质传输差错进行检测等,并实现以太网介质访问控制方法和冲 突退避机制。划分LLC 和MAC子层的目的在于:如果要改变网络传输介质或访 问控制方法,只需要改动与介质相关的MAC层协议,而无需改动与介质无关的 LLC 层协议,从而使LAN 协议具有广泛的适用性。 EC61850 规范了过程层的SV 和GOOSE 采用以太网进行传输,通信协议栈以 ISO 标准模型为基础,链路层遵循ISO/IEC8802-3,如图4-13 所示。 从图中可以看出,过程层通信协议栈中应用层数据直接映射到数据链路层的MAC子 层,然后传递给物理层发送,而表示层、会话层、传输层和网络层都为空。这样使 协议栈得到简化,过程层数据传输时减少了协议栈的处理过程,增强数据的实时性, 符合过程层传输的实时性要求 普通的以太网帧格式如上图所示,可以分为:MAC 层的地址用户数据及校 验序列。其中,帧前同步信号属于物理层的信息,其余都是链路层中MAC 子层的数据。 帧中各部分内容具体如下: 目的地址(DA):数据接收方的MAC 地址,用6 个字节表示。若由全部“1”组成,则表 示广播地址,以太网帧会发给网络中所有的设备;若第一个字节为“01”,则表示组播 地址,可以使以太网帧发送给特定的设备组;若第一个字节为“00”,则表示单播地址, 将使以太网帧发给某一个特定的设备。SV 报文和GOOSE 报文所用的多播地址(6 个 字节)有以下结构:前三个字节被IEEE 定为01-0C-CD;第四个字节为01 则为 GOOSE;第四个字节为04 则为SV;最后两个字节为独立地址其范围可参考表4-1。 根据工程应用情况,最后两个字节也可对表4-1 的地址进行扩充。 源地址(SA),自己的MAC 地址,也用6 个字节表示。SA 可以自己定义,当使用交换 机时必须使用唯一的以太网源地址;不使用交换机时,数据包以广播或点对点形式传 输,并不要求这一地址具有唯一性。 帧校验序列(FCS):32 位的帧数据校验码,由除了帧前同步信号和自身以外的所有内 容计算得的循环冗余校验码(CRC)。这部分由发送方计算填充,接收方收到帧后用 相同的方式重新计算CRC,并与这部分内容比较,以校验帧在网络传输过程中是否出 错。 帧数据(PDU):以太网型协议数据单元,是以太网帧的数据区,它又可分解为类型 (Ethertype)、应用标识(APPID)、长度(Length)、应用协议数据单元(APDU) 和保留区5 部分。 ① Ethertype:2 个字节的以太网帧类型标识,不同的以太网类型都有唯一的标识码。 基于ISO/IEC8802-3 的MAC 子层以太网类型由IEEE 著作权注册机构进行注册,对于 SV,所注册的以太网类型为0x88-BA(16 进制);对于GOOSE,所注册的以太网类 型为0x88-B8(16 进制)。 ② APPID(Application ID):2 个字节的应用信息标识码,用于选择包含模拟量采样 值的信息和用于区别应用关联, IEC61850 标准为采样值保留的值范围 0x4000~0x7FFF(16 进制)。GOOSE保留的值范围0x0000~0x3FFF(16 进制) ③ Length:协议数据单元的长度,包括从APPID 开始的以太网型PDU 的8 位位组数目, 用2 个字节表示,其值=APPID+长度+保留1+保留2+APDU)。 ④ APDU(Application Protocol Data Unit):应用数据,由应用协议控制信息(APCI) 和应用服务数据单元(ASDU)组成,长度根据应用服务数据的长度而改变,这部分内 容将具体包含SV 采样值信息或GOOSE 信息。 ⑤ 保留区:Reserved1/Reserved2,IEC61850 预留了这4 个字节的空间,用于将来标 准化应用。 ? 以太网基于载波多路访问和冲突检测(CSMA/CD)机制,任何网络中的 通信设备都会在发送数据之前侦听网络是否空闲,如果网络上有数据传 输,则欲发送数据的设备会退回向网络发送的数据,等待一定延时后再 侦听网络是否空闲,直至网络空闲才发送数据。这样,实时数据和非实 时数据在同一个网络中传输时,容易发生竞争服务资源的情况。优先级 技术通过IEEE 802.1Q 优先级标签使网络中具有高优先级的数据帧获得 更快的响应速度。智能变电站过程总网络中负载的种类较多,且不同信 息的实时性要求也不相同,为了区分SV 报文、GOOSE 报文和总线上的 低优先级负载,IEC 61850 标准采用了符合IEEE 802.1Q 的优先级标签, 使过程层能够实现实时数据的快速可靠传输。 ? 随着网中设备的增多,网络中的信息量也逐步增加,信息量达到网络 25%以上,网络性能就会下降。虚拟局域网(VLAN)是一种利用现代交 换技术,将局域网内的设备逻辑地、而非物理地划分成多个网段的技术。 这样,智能变电站过程层的设备可以在物理上组成个庞大的网络,但是 从逻辑上将需要交互信息的设备划分在同一个VLAN 中,一个物理网络 可以划分成多个VLAN,从而可靠控制了网络信息的传输途径,有效保证 了重要网段的安全性。网络中的信息通过报文中VLAN 标识符(VID)来 决定处于哪个虚拟局域网内。交换机接收到带有VID 的报文后,只会将 该报文转发到属于该VLAN 的端口上,而不是所有的端口上,因此可有 效的限制广播报文,节省带宽。 ? 具有优先级和VLAN 功能的以太网数据帧比普通的以太网帧多了4 个字 节的标记,如下图所示,标记在源地址之后,用以标识数据优先权以及 虚拟局域网的网络号。 3 bits 1 bits 12bits VLAN ID User priority CFI 1. TPID (Tag Protocol Identifier,也就是EtherType)是IEEE定义的新的类型,表明这 是一个加了802.1Q标签的帧。TPID包含了一个固定的值0x8100。 2. TCI (Tag Control Information) 包括用户优先级(User Priority)、规范格式指示器 (Canonical Format Indicator)和 VLAN ID。 ①User Priority:该字段为3-bit,用于定义用户优先级,总共有8个优先级别。IEEE 802.1P 为3比特的用户优先级位定义了操作。最高优先级为7,9-2GOOSE和采样值报 文报文默认优先级为4,其他为1,从而保证在过程层网络上GOOSE和采样值报文能够 优先传输 ②CFI:CFI值为0说明是规范格式,1为非规范格式。它被用在令牌环/源路由FDDI介 质访问方法中来指示封装帧中所带地址的比特次序信息。 ③VID:该字段为12-bit, VLAN ID 是对 VLAN 的识别字段,在标准 802.1Q 中常被使 用。支持4096 VLAN 的识别。在4096可能的VID 中,VID=0 用于只识别帧优先级。 4095(FFF)作为预留值,所以 VLAN 配置的最大可能值为4094。 所以有效的VLAN ID 范围一般为1-4094,GOOSE和采样值报文默认为0 GOOSE服务器传输GOOSE报文,都是以数据集形式发送,一帧报文对应一个数据集,一次发送, 将整个数据集中所有数据值同时发送。GOOSE跳闸、遥控、遥信采集、遥测采集报文传输过程完 全一致 ? 2:采样值服务SV ? IEC61850 中提供了采样值(Sampled Value,SV)相关的模型对象和服务, 以及这些模型对象和服务到ISO/IEC8802-3 帧之间的映射。SV 采样值服务同 GOOSE一样也是基于发布/订阅机制,在发送侧发布者将值写入发送缓冲区; 并利用SendMSVMessage服务将采样数据发出,在接收侧订阅者从当地缓冲 区读值。在值上加上时标,订阅者可以校验值是否及时刷新,通信系统负责 刷新订阅者的当地缓冲区。发布者按规定的采样率对输入电流/电压进行采样, 由内部或者通过网络实现采样的同步,采样存入传输缓冲区,网络嵌入式调 度程序将缓冲区的内容通过网络向订阅者发送。其中,采样率为映射特定参 数。采样值存入订阅者的接收缓冲区,一组新的采样值到达了接收缓冲区就 通知应用功能。SV 采样值传输过程如图2-3 不同的是,GOOSE只能采用组播的方式传输,而采样值为了满足不同的应用 要求,既能采用组播传输(当有多个设备共享这部分采样时),同时也能支 持单播传输(当仅有某个设备单独需求这部分采样时)。在一个发布者和一 个或多个订阅者之间有两种交换采样值的方法一种方法是采用 MULTICASTAPPLICATION‐ASSOCIATION(多路广播应用关联控制块 MSVCB);另一种方法采用 TWO‐PARTY‐APPLICATION‐ASSOCIATION (unicast sampled value control, USVCB 双边应用关联即单路传播采样值控制块USVCB)。 ? SV 采样值服务同GOOSE一样也是基于发布/订阅机制,因此网路的数据参数基本相同。 感谢观映

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