配电网交换机GOOSE报文低时延传输方法
摘要
分布式控制是智能配电网实现广域保护的好方法，数据包的性质是影响配电功能运行的关键。在分析配电网中分布式电力应用的信息需求的基础上，对比了目前的即时通讯方式，并考虑了基于协议的通用类（GOOSE）用户数据（UDP），允许通过 WAN 进行快速消息传递。通过测试表对项目的传输性能进行测试，测得分布阶段之间的传输时间不超过10 ms，满足分布式网络中分布式管理应用的要求， GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）是标准中定义的一种数据模型，用于完成智能电子设备之间的通信 GOOSE消息用于管理事件或关闭交换等关键信息，因此它们必须非常可靠并且真实时间。目前，工业以太网交换机主要用于智能站了解如何发送GOOSE报文。本文提出了一种工业以太网变化的GOOSE报文转发方法，并提供了单独的实现过程。网络中 GOOSE 消息的数量，尤其是当网络中存在大量重要的关键背景数据时，保证GOOSE报文无丢包且传输时延不受影响。
关键词：配电网；交换机；报文低时延传输方法；
目录
摘要 1
1引言 2
2 相关理论基础 2
2.1 用户供电质量 2
2.2 交换机架构设计 3
2.3 分布式控制应用对通信系统的要求、 4
2.4 工业以太网交换机和UOOSE报文 4
（1）工业以太网交换机 4
（2）UOOSE报文 4
2.5 GOOSE报文在交换机网络口的抢占转发 5
(1)抢占转发流程 6
(2)GOOSE报文及其他报文的格式封装 6
(3)非GOOSE报文被抢占时的标识方法 7
(4)断包重组 8
3 GOOSE over UDP方式的实现 9
3.1 GOOSE over UDP通信协议栈 9
3.2 GOOSE报文的可靠传输 9
3.3 GOOSE在WAN中传输实现方式的性能比较 10
3.4 GOOSE over UDP实时性测试 10
（1）通信延时构成 10
（2）试验平台 11
3.5网络背景流量与传输延时的关系 12
（1）恒定背景流量下的传输延时 12
（2）突发背景流量下的传输延时 12
（3）跨路由器时的传输延时 12
3.6 通信系统的安全性 12
4 结语 13
参考文献 13

1引言
随着国内智能电网的快速发展，智能变电站的建设进一步加快。智能变电站采用1ec61850统一通信协议，通常分为过程层、间隔层和站控层，间隔层和站控层设备、过程层和间隔层设备通过通信网络互联，该实时通信网络用于控制交换机启动或关闭的goose消息非常关键。在智能goose变电站中，智能电子设备（IED）信息通过工业以太网交换机传输。因此，工业以太网交换机的传输延迟决定了goose消息的实时性能，分析了goose消息的特点，探讨了工业以太网交换机在智能变电站中的应用，提出了工业以太网交换机的goose消息传输方法，并验证了该方法在高网络流量条件下满足实时goose消息的要求，确保了智能变电站通信系统的快速、可靠。
2 相关理论基础
2.1 用户供电质量
用户对供电质量要求的提高,分布式发电的大规模接入对配电网的保护和控制技术提出了更高的要求。现有的控制技术可分为基于本地测量信息的本地控制技术和主站采集和处理全局测量信息的集中控制技术。局部控制响应速度快，但信息利用不全面，集中控制模式可以利用全局信息，实现最优控制，但处理环节多，响应速度慢。分布式控制是指终端设备通过对等通信网络交换测量和控制信息以进行控制决策的自主控制模式。考虑了就地集中控制的优点：由于可以利用多站的测量信息，控制效率相对较好；由于不依赖主站的参与，控制的响应速度相对较快。为便于描述，分布式控制配电终端统称为智能配电终端。为了实现分布式控制，需要解决STU之间故障测量数据、开关位移信息、锁定信号和停机命令等控制数据的实时快速传输问题。数字变电站中的高速实时数据传输基于IEC 61850，通用面向对象事件传输机制（goose）用于对goose消息进行编码，并将其直接映射到数据链路层（以下简称goose by MAC）进行传输。不经过网络层和传输层，传输速度非常快。过载阻塞等站区控制功能，但goose over MAC模式是基于MAC地址配置的，部署过程复杂，通用性差，通信协作范围局限于同一局域网，路由器无法直接传输，影响应用范围。与变电站自动化不同，配电自动化设备沿线路安装，点多范围广，在大物理空间内实施。通信方式灵活多样，因此，变电站使用的goose的传输机制不应直接用于配电网。描述了万goose传输门和隧道的模式，重点是基于IEC 61850的建模和逻辑表示，没有从通信网络实施的角度考虑技术细节。本文提出了一种基于用户协议（UDP）的goose机制的实时消息传输方案（goose over UDP）。基于多播UDP和IP协议，实现了配电网保护停机命令、开关状态、闭锁信号等数据的快速、实时传输。通过在IP层服务类型（TOS）字段中将goose设置为高优先级，可以提高传输性能。应用层的goose重传机制保证了通信的可靠性，并搭建试验平台对该方案的数据传输实时性进行了测试。
2.2 交换机架构设计
本文将交换机与配电网设备连接的口定义为本地接口，交换机之间的接口定义为网络接口。传统交换机使用标准的交换芯片来完成所有数据的传输，不区分本地数据接口和网络接口，无法处理网络接口数据。因此，本文中的数据处理模块可以用来增加交换机图中数据处理的深度。交换机的逻辑架构如图1所示。

图1　交换机逻辑架构图
交换机的交换芯片与数据决策功能模块设计两条数据通道，它们分别是goose数据通道和其他数据通道，以确保交换机数据决策功能模块从网络接口接收到goose消息，并评估goose消息的目的是装备本地接口配电网络系统后，goose消息不会影响其他数据，直接下发到本地接口。
2.3 分布式控制应用对通信系统的要求、
配电自动化系统设备点多面广，为了提高通信系统的利用率，减少投资，分布式控制数据和其他监控管理数据（如“三遥”数据）以混合方式传输，当网络繁忙时，数据传输延迟会增加。在网络流量较大的情况下，如何保证百人之间快速可靠的实时数据传输，是分布式控制在配电网中应用的关键技术问题。实时通信系统性能要求通常根据具体应用进行划分，如IEC 61850中的实时性能要求。在要求高的变电站，实时保护和控制应用通常要求在20-40ms内完成，快速消息的传输时间必须在4ms内，分布式配电网保护和控制应用的响应速度通常要求不超过100ms，a控制信息的传输延迟小于10 m。对IEC 61850中的实时消息传输方法进行了分类。
表1配电网中实时性报文的传输时间要求

为了保证分布式自动化配电控制应用的性能要求，有必要采用有效的方式在不同的配电网之间及时发送和接收消息。在最坏的情况下，消息的最终传输的延迟可能被限制在特定的时间内。

2.4 工业以太网交换机和UOOSE报文
（1）工业以太网交换机
工业以太网交换机广泛应用于智能变电站的智能电子设备（IFI）通信。它取代了智能电子设备（1 FIB）之间的传统硬连接模式，并为逻辑节点之间的通信提供了一种快速、高效和可靠的方法。通过工业以太网交换机IFI实现点对点通信。每个IFI应与网络中的其他IFI链接。它可以作为订阅者接收数据，也可以作为发布者向其他1-FIB提供数据。由工业以太网交换机组成的变电站网络通信系统，消除了传统主从模式和非网络化串行连接方案的缺点，降低了设备维护成本。
（2）UOOSE报文
标准1ec61850中定义了目标变电站（uoose）的一般事件。其应用层具体定义了通过表示层的协议数据单元ASN Uoose还采用了带优先级的交换式以太网技术和虚拟局域网（VLAN）标志，确保了实时消息传输效率。此外，uoose消息还保护数据验证和消息丢失、验证和重传机制，以确保IEI可以接收消息并执行预期操作。因此，启动继电保护装置之间的闭锁信号、监控系统之间的间隔间闭锁信号、切断和闭合信号等。

图1 GOOSE通信协议栈
为了保证可靠性，UOOSE报文只使用了()S1七层协议的通层，即从应用层、表示层直接映射到数据链路层、物理层。在数据链路层，GOOSE报文遵循IEEE 802. 3协议(即以太网协议)，并对报文做了如下特殊处理:
1)以太网类型是特定值:Ox88Y8;
2)分配特定范围的多播地址，其范围从0 x01-OCI}01-00-00到0 x01-OC}I}O 1-O l-FF之间。
同时，为了提高传输速度，可以采用对goose消息进行优先级排序的方法。同时，通信网络中的工业以太网交换机将消息优先级映射到高优先级传输队列，以首先发送goose消息。该方法要求IEI}智能电子设备支持goose消息的优先级配置。同时，它必须增加交换机中优先级队列和优先级队列映射的配置，这会增加IEI开发负载，并且使用起来很麻烦。最重要的是，如果普通报文的优先级与goose报文相同，则交换机无法保证goose报文的优先级传输。在智能变电站中，由于电磁环境恶劣，保证了远距离、快速的数据传输，一般使用光纤作为过程层网络通信的传输介质。
2.5 GOOSE报文在交换机网络口的抢占转发
(1)抢占转发流程
当goose消息进入交换设备的数据决策模块时，如果网络接口上没有其他数据传输，则goose消息通常从网络接口传输，无需等待时间。如果交换机的网络接口传递其他数据消息，数据决策功能模块将执行抢占操作，截断其他数据消息，并识别截断的消息。当其他数据消息被截断时，将立即发送goose消息，并且不会生成goose消息的等待时间。抢占转发的流程如图2所示。

图2　抢占转发流程
GOOSE报文的抢占转发不仅仅是在起始交换机上进行，当所有交换机在中途识别到goose消息后，它们也会按照预防转发过程传输数据，即当goose消息进入网络并最终到达其目的地时，不会因为交换机套接字的提前占用而导致等待延迟。本文中的抢先消息传递方法是切断除goose以外的消息数据帧。因此，即使非goose消息的总流量超过交换机的最大带宽，goose消息仍可以以较小的延迟发送，达到绝对低时延的传输效果。
(2)GOOSE报文及其他报文的格式封装
交换机的数据决策功能模块，在确定了所有因素后，您还应按照预防性传输流程提供数据，即当您知道自己已进入网络并最终到达目的地时，不会因现场过早打开插座而延迟达到预期。本文中的先发制人的知识转移方法是基于对您已知的数据框架（而不是所讨论的数据框架）的分离。因此，即使已知一般流量超过了通过网络的最大吞吐量，也知道它仍然可以延迟传输。。GOOSE报文的封装格式如图3所示。

图3　封装后的GOOSE报文
非GOOSE报文在封装时，由于它们可以被截断、识别为损坏的数据包并重新组织为损坏的数据包，因此其他消息必须添加损坏数据包的标识，以评估它们是否被截断，并添加损坏数据包的序列号，根据断包序列号完成断包的重组[10]。非GOOSE报文封装格式如图4所示。

图4　封装后的非GOOSE报文
(3)非GOOSE报文被抢占时的标识方法
当交换机的网络接口正在传输一个图4所示的非GOOSE时，数据决策功能模块接收goose消息。数据决策功能模块应执行预防措施。没有goose的消息的发送部分由下一个交换机的数据决策模块接收。如果没有CRC字段，则已知消息不完整，缓存正在等待重新组织下一条消息。被截断部分的其余部分由交换机重新打包，以创建损坏的包消息。非GOOSE首次形成的断包报文如图5所示。
注：CRC数值保持不变
图5　首次断包报文
GOOSE报文完成传输后，断包报文恢复传输，如果此时新的goose消息进入数据决策模块，请继续抢占操作。分组中断消息被截断为新的分组中断消息。分组中断消息再次分为两部分。一部分是上载的部分，另一部分是再次关闭的分组中断消息。分组中断标识符设置为1，分组中断序列号设置为0（此项中的值与前一个分组中断中的值相反）[。被截断数据再被抢占时形成的断包报文如图6所示。
注：CRC数值保持不变
图6　后续的断包报文
非GOOSE报文在传输过程中，可能被截断多次，形成多个断包报文。每一次断包报文的断包序列号与上一个断包报文的断包序列号的数值取反。
(4)断包重组
在接收端交换机，根据图4增加的封装信息，指定哪些packetbreaking消息属于同一消息。根据受损包装的序列号0“>1”>0“>1”>0判断受损PDU包装的重组顺序。收到分组中断消息后，交换机立即重新组织并计算重新组织的PDU的CRC值（在本文中，CRC（计算）用于表示计算的CRC值）。评估重组是否按照CRC（计算）完成【13】。将每次重组后的CRC（计算）与损坏包消息中的CRC进行比较。如果不同，则继续等待关于损坏包的下一条消息，并将这次计算的CRC（计算）作为下一个CRC（计算）的初始值，直到CRC数据（计算）的重构CRC等于关于损坏包的消息携带的CRC，损坏包的重组完成。CRC对比流程，如表1所示。
表1　CRC对比流程
交换机ID\帧ID\MAC(身份信息) 断包标识 断包序列号 CRC（计算）与CRC是否相同
A 0 0 不同，（CRC（计算）作为下包计算的起始值）
A 1 1 不同，（CRC（计算）作为下包计算的起始值）
A 1 0 不同，（CRC（计算）作为下包计算的起始值）
… … … 不同，（CRC（计算）作为下包计算的起始值）