GOOSE报文网络传输延时
智能变电站继电保护 GOOSE网络跳闸问题分析
智能变电站继电保护 GOOSE网络跳闸问题分析摘要：一般情况下，智能变电站在继电保护中采用的都是直采直跳模式，这种模式虽然有效，但是也存在光缆敷设复杂，光口数量众多，维护难度大等问题。
与之相比，GOOSE网络挑战有着更加明显的优势，数据传输延时占比小，安全性更强。
本文从GOOSE网络挑战的安全性着眼，智能变电站继电保护GOOSE网络跳闸问题进行了分析和研究，希望能够为智能变电站的继电保护提供参考。
关键词：智能变电站；继电保护；GOOSE网络；跳闸前言：新的发展环境下，伴随着电力行业的快速发展，智能变电站的数量不断增加，其在继电保护中采用的是全数字式继电保护，以直采直跳为主要特征，能够有效满足智能变电站继电保护对于可靠性和快速性的要求，但是在实际应用中存在很多缺陷，运行维护复杂，本身所具备的数字化和信息化优势也会受到影响。
针对这样的问题，电力部门需要做好采样及跳闸模式的研究，选择更能满足继电保护性能要求的跳闸模式，对继电保护系统进行优化，切实保证智能变电站的稳定可靠运行。
1 GOOSE网络跳闸的安全性在智能变电站继电保护采样值的网络传输中，存在两个比较关键的维内托，一是流量偏大，二是采样值同步难度大，虽然在发展过程中，有技术人员提出了一定的解决方案，但是这些解决方案都不够成熟。
与之相比，通用面向对象变电站事件（GOOSE）网络传输则不存在相应的问题，通过网络方案的合理规划以及有效的入网测试，智能变电站继电保护可以选择网络跳闸模式。
相比较直采直跳，GOOSE网络跳闸会对智能变电站的运行维护安全产生影响。
技术人员在设计智能变电站继电保护的过程中，需要充分考虑其在运行、检修、扩展等环节的安全性，直跳模式下，光缆数量众多而且接线复杂，很容易出现误操作，对比传统二次电缆接线模式并不存在明显的优势。
网络方式下，可以依照间隔分散，进行间隔交换机的配置，在中心交换机借助对VLAN的合理划分，使得大部分仅与本间隔相关的GOOSE组播报文能够在间隔交换机内传输，二次安全措施不仅简单，而且可靠。
Goose
Goose协议简介Goose是面向通用对象的变电站事件的简称，它是IEC 61850中的一种快速报文传输机制，用于传输变电站内IED之间重要的实时性信号。
传输机制GOOSE报文的发送按下图（图一）所示的规律执行。
其中T0是心跳时间，装置正常每隔T0时间发送一次当前状态，此时的报文成为心跳报文。
当GOOSE数据集中任何一个成员的数据值发生变化，装置会马上发送该数据集的所有数据，然后间隔T1发送第二帧以及第三帧，间隔T2发送第四帧，间隔T3发送第五帧，后续报文的发送时间间隔逐渐增加，直到最后报文间隔恢复为心跳时间。
图一T0——稳定条件（长时间无事件）下重传（T0）——稳定条件下的重传可能被时间缩短T1——时间发生后，最短的传输时间T2，T3——直到获得稳定条件的重传时间GOOSE报文心跳时间间隔为图中5—1中的T0。
按照国内IEC 61850实施规范的要求，报文允许生存时间为2T0，如果接收端超过2T0时间内没有收到报文则判断报文丢失；在报文允许生存时间的2倍时间内没有收到下一帧GOOSE报文即判断为通信中断。
判断中断后，装置将发出GOOSE断链报警。
因此在通信过程中，GOOSE通过不断自检实现了装置间回路通断的智能化监测，克服了传统电缆回路故障无法自动发现的缺点。
IEC 61850第一版中对于GOOSE报文重发的具体时间间隔值和重发次数并没有做出明确说明。
按照目前国内某些地区工程的实施习惯，T0一般设置成5000ms，T1设置成2ms，T2设置成2倍T1的时间，T3为2倍T2的时间。
所以变位报文的4次重传时间间隔为：第一次重传间隔2ms，第二次2ms，第三次4ms，第四次8ms。
经过四次重传后GOOSE报文强制恢复为心跳报文。
通信的实现1.Goose服务的映射采用GOOSE传输保护跳闸等重要的实时性报文，应满足继电保护“可靠性、速动性”的要求，因此GOOSE在IEC61850中属于快速报文传输服务。
goose报文分析
GOOSE报文详解Goose报文在网络上传输时采用的是OSI模型，但只用到OSI网络模型七层中的四层，应用层、表示层、数据链路层和物理层，传输层和网络层为空。
应用层定义协议数据单元PDU，经过表示层编码后，不采用TCP/IP协议，而是直接映射到数据链路层和物理层。
这种映射方式的目的是避免通信堆栈造成传输延时，从而保证报文传输、处理的快速性。
GOOSE报文在MAC层的帧结构包括：源MAC地址、目的地址即组播地址、报文类型、四字节Tag、APPID、报文长度、四字节的保留和GOOSEPDU。
Goose具体报文格式如图0所示[0]。
图0 Goose报文格式Goose举例报文(十六进制)：01 0C CD 01 00 51 00 1E 4F D3 AE 41 81 00 80 42 88 B8 00 33 00 90 00 00 00 00 61 81 85 80 08 67 6F 63 62 52 65 66 31 81 05 00 00 00 27 10 82 07 64 61 74 53 65 74 31 83 05 67 6F 49 44 31 84 08 4E F2 85 E1 F7 CE D9 00 85 05 00 00 00 00 01 86 05 00 00 00 00 01 87 01 00 88 05 0000 00 00 01 89 01 00 8A 05 00 00 00 00 09 AB 36 83 01 00 84 03 03 00 00 91 08 00 00 00 00 00 00 00 00 83 01 00 84 03 03 00 00 91 08 00 00 00 00 00 00 00 00 83 01 00 84 03 03 00 00 91 08 00 00 00 00 00 00 00 00分析如下(可结合Ethereal解析)：1、01 0C CD 01 00 51目的MAC地址2、00 1E 4F D3 AE 41源MAC地址3、81 00 80 42GOOSE报文支持IEEE 802.1Q/P优先级技术，IEEE 802.1Q为VLAN技术的标准，IEEE 802.1P为报文优先级标准。
智能变电站GOOSE、SV报文如何看-秒懂
秒懂智能变电站GOOSE、SV报文一、GOOSE报文GOOSE是什么？它的英文全称是Generic Object Oriented Substation Event，是一种面向通用对象的变电站事件，主要用于实现在多IED之间的信息传递，包括传输跳合闸信号（命令），具有高传输成功概率。
GOOSE控制块：描述IED的“开出”能力。
IED将需要开出的数据实例化为不同的LN，再按一定的逻辑分类将其汇总至不同的数据集（DataSet），数据集再关联至不同的Gocb。
如保护装置的跳闸出口、测控装置的遥控出口、智能终端上送采集到的开入量等。
既然其作用是反映事件，必然需要反映事件的稳态与变化。
在稳态情况下，GOOSE 源将稳定的以T0（可设、一般为5S）时间间隔循环发送GOOSE报文，当有事件变化时，GOOSE 服务器将立即发送事件变化报文，此时T0时间间隔将被缩短；在变化事件发送完成一次后，GOOSE服务器将以最短时间间隔T1，快速重传两次变化报文；在三次快速传输完成后，GOOSE服务器将以T2、T3时间间隔各传输一次变位报文；最后GOOSE服务器又将进入稳态传输过程，以T0时间间隔循环发送GOOSE报文。
在GOOSE 传输机制中，有两个重要参数StateNumber 和SequenceNumber ，StateNumber（0~4294967295（FFFFFFF））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（到最大值后，将归0重新开始计数）。
GOOSE服务器通过重发相同数据主要是为了获得额外的可靠性。
GOOSE源传输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。
一帧GOOSE 报文由AppID、PDU 长度、保留字1、保留字2、GOOSEPDU 组成，其中GOOSEPDU为可变长度，由数据集中DA的个数决定。
智能变电站继电保护题库 第五章 问答题
答案：
7．变电站配置描述语言 SCI 主要基于 XML 1.0，什么是 XML 技术? 答案：XML 全称 eXtensible Markup Language，即可扩展标记语言，是万维网联盟 W3C 制定的用于描述数据文档中数据的组织和安排结构的语言，它适用于定义特殊领域有关的、 语义结构化的标记语言。XML 使用文档类型定义(DTD)或者模式(Schema)来描述 XML 的文档 格式。XML 是一种简单的数据存储语言，使用一系列简单的标记描述数据，易于掌握和阅读。 8．报告服务中 BufTm=0 或 BufTm>0，表示报告内包含的数据有何不同? 答案：当 BufTm=0 时，报告仅包含产生的内部事件的 DATA-SET 成员值。 当 ButTm>0 时，报告包含缓存时间内产生的内部事件的 DATA-SET 全部成员的值。 9．已知某保护 A 相跳闸出口的 GOOSE 信号路径名称如下“GOLD/GOPTRC1$ST$Tr$phsA”， 请写出 GOOSE 信号中的 LD inst，inClass，DOI name 及 DA name。
24．智能变电站主变压器保护 GOOSE 出口软压板退出时，是否发送 GOOSE 跳闸命令? 答案：智能变电站中“GOOSE 出口软压板”代替的是常规变电站保护屏柜上的跳合闸出 口硬压板，当“GOOSE 出口软压板”退出后，保护装置不能发送 GOOSE 跳闸命令。 25．简述智能变电站主变压器保护当某一侧合并单元的压板退出后，如何处理? 答案：智能变电站主变压器保护当某一侧合并单元压板退出后，该侧所有的电流电压采 样数据显示为0，装置底层硬件平台接收处理采样数据，不计入保护，采样数据状态标志位 为有效；同时闭锁与该侧相关的差动保护，退出该侧后备保护。当合并单元压板投入后，装 置自动开放与该侧相关的差动保护，投入该侧后备保护。 26.简述110kV智能变电站中双重化配置的主变压器保护与合并单元、智能终端的链接 关系。 答案：110kV及以上智能变电站中主变压器保护通常双重化配置，对应的变压器各侧的 合并单元和断路器智能终端也双重化配置，本体智能终端单套配置，其中第一套主变压器保 护仅与各侧第一套合并单元及智能终端通过点对点方式连接，第二套主变压器保护仅各侧第 二套合并单元及智能终端通过点对点方式连接，第一套与第二套间没有直接物理连接和数据
数字化变电站继电保护的GOOSE网络方案
数字化变电站继电保护的GOOSE网络方案随着信息时代的到来，中国计算机的数字继电保护技术已经应用到一些行业，和大多数电力企业急于效仿，并且可以采用先进的计算机信息处理系统来实现数字技术为电力设施的操作任务。
在通信技术和计算机技术飞速发展的背景下，许多电力企业十分重视数字通信技术的集成。
GOOSE网络方案在变电站继电保护的引领下，实施了自动化和规模化的改造工程，继电保护设备广泛应用于变电站的继电保护运行中，促进了数字化变电站的发展和壮大。
标签：数字化;变电站;继电保护;GOOSE;网络;GOOSE是面向通用对象的变电站事件的英文简称，是IEC61850标准中应用在数字化变电站的一个大的亮点，作为数字化变电站的核心，确保数字化变电站中的电子设备逻辑节点之间的通信更加的高效和可靠。
随着数字化变电站的发展，对继电保护产生了很大的影响。
与传统的继电保护相比，它有了很大的变化。
并在分析数字化变电站继电保护对GOOSE的需要的基础上，提出了GOOSE网络结构三种主要类型，分别是装置单环网、星型网以及交换机环型网，并论述了三种网络结构的优劣势。
一、继电保护中G OOSE网络方案分析传统的自动化变电站的电子设备之间采用的通信方式是用电缆接线，而GOOSE的主要基础是高速的P2P通信，可以说是真正意义上实现了P2P，有效的对设备的维修和养护的成本进行了降低。
电力系统在机电保护状态中首先应达到四个最基本的要求，可靠性、选择性、灵敏性和速动性。
GOOSE网络方案给予继电保护状态应相应具有可靠性和速动性。
继电保护时对GOOSE报文输送信息的时间会相应增长，因此，运用GOOSE后，通过继电保护网络能够有效保证该段时间内信息保持一定的稳定性。
1.GOOSE网络实施的可靠性分析。
对GOOSE网络实施可靠性分析是很有必要的。
大家知道G00SE的防护体系比常规的继电保护更具有稳定性。
而且网络构造也大体分为三个种类，包括星形、总线形和环形。
_智能变电站继电保护GOOSE网络跳闸探讨
０ 引 言
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 。”
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。
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 。
第 ３９ 卷 第 １８ 期 ２０１５ 年 ９ 月 ２５ 日 ＤＯＩ：１０．７５００／ＡＥＰＳ２０１．２５，２０１５
实时性
实时性一、GOOSE报文的实时性要求1、Generic Object Oriented Substation Event(GOOSE)报文提供了功能强大的IED到IED的通信机制，进行有效且实时的状态和参数交换。
2、最严格的要求是Type 1A Trip 快速报文，总传输时间小于3ms，包括两头IED 的处理时间加网络延时。
3、传输时间=应用层到应用层，包括IED处理时间+网络延迟。
4、对于大的网络，比如由20台交换机构成的100Mbps网络，超过2ms可能影响保护动作。
5、GOOSE报文带有优先级：-Highest Class of Service(COS-IEEE802.1P)in the network。
-GOOSE报文被置于存储/转发队列的前面-正在发送的GOOSE 报文不被中断。
6、建议：在要求比较严格的IEC61850 GOOSE 和采样值应用中请考虑千兆以太网！二、交换机带来的延迟1、延迟指数据帧从源到目的地址所需要的时间。
2、存储转发最小的延迟等于交换机传输一帧所花的时间。
3、100M以太网帧收发延迟从5到120us不等-与帧长度成比例。
4、交换机本身带来的交换时延在5us左右。
5、服务品质（QOS）将重要报文优先传输，减少延迟。
6、交换机以太网的时延由以下4部分组成-帧收发时延（Lsf）-交换时延（Lsw）-线路传输时延（Lwl）-帧排队时延（Lq）7、总的网络延迟=Lsf+Lsw+Lwl+Lq三、帧收发时延1、10Mbit/s以太网帧收发时延：64字节数据包=51.2us1522字节数据包=1217.6us2、100Mbit/s以太网帧收发时延：64字节数据包=5.12us1522字节数据包=121.76us3、1000Mbit/s以太网帧收发时延：64字节数据包=0.512us1522字节数据包=12.176us四、交换机最小交换时延小于7us。
五、线路传输时延数据在线路上的传输的速度按2/3的光速计算d=0.66x光速=0.66x300000km/s=200000km/s如果传输距离较长，比如说100kM，时延Lwl计算如下：Lwl=1x100000m/200000000≈500us六、帧排队时延平均帧排队时延可以按以下公式估算Lq=（网络负载）x Lsf（max）-网络负载是当前网络负载占网络带宽的百分比-Lsf（max）存储转发最大数据帧（1500byte）的收发时间。
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兰溪变最不利情况网络延时
• 星形结构，交换机不超过2级。 • 间隔交换机与母线交换机之间采用100Mbps 连接。保护GOOSE报文较小，不超过300B， TSF=24us。 • 交换机最多16口。 TALL=2×(24+10+7.5×24)+5us=433us
实测结果
GOOSE报文 报文 输入输出评估 时间测试
网络延时
•
交换机存储转发延时TSF
– 现代交换机都是基于存储转发原理的，单台 交换机的存储转发延时等于帧长除以传输速 率。以100Mbps为例，以太网最大帧长是 1522B，加上同步帧头8B，交换机存储转发最 长延时为122us。
网络延时
•
交换机交换延时TSW
– 交换机交换延时为固定值，取决于交换机芯 片处理MAC地址表、VLAN、优先级等功能的 速度。据了解，一般工业以太网交换机的交 换延时不超过10us。
最不利情况网络延时
• 根据以上分析，可估算最不利情况下的经 过N台交换机的最长报文网络传输延时TALL：
T ALL = N (TSF + TSW + TQ ) + TWLA – TWLA为报文经过N台交换机的光缆传输总延时。 N 最不利情况下，所有交换机其它端口均同时向 目的端口或交换机级联端口发送最长报文，TQ 用平均排队延时来评估。以10台交换机，每台 交换机18个100Mbps光口，光缆总长1000米为 例，最不利情况下网络传输延时为： – TALL=10×(122+10+8.5×122)+5us≈11.7ms
减少网络传输方法
• • •
–
启用交换机分级服务QoS提供优先传输机制，保证重要报文优 先传输，减少重要帧排队延时TQ。GOOSE报文也可以按重要等 级区分优先级。 合理规划VLAN和交换机组播过滤，防止GOOSE组播报文在网络 中广播发送，不必要地占用网络带宽，减少相同优先级别的 GOOSE报文帧排队延时TQ。 如果网络结构为环形或总线形，交换机级联数量不要过多，交 换机级联端口建议采用1000Mbps口，这样以上最不利情况网络 传输延时为：
实测结果
网络重载下保护整组时间测试 结论：整组动作时间不受影响，交换机 结论：整组动作时间不受影响，交换机GOOSE报文 报文 优先传输机制有效
结论： 结论时间比接 点快
实测结果
网络
GOOSE 输出 GOOSE 输入
保护装置
模拟量 输入 接点输出
智能 操作箱
接点输出
接点输入 模拟量 输出
GOOSE 输入 接点输入
测试系统
继电保护整组时间测试 结论： 结论：智能操作箱最终出口时间比保护本身接点时间慢 3~7ms
TALL=9×(12+10+8.5×12)+(122+10+8.5×122)+5us≈2.3ms
•
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采用星形结构时，网络任意两点间传输路径最短，报文冲突概 率较小，交换机级联端口可采用100Mbps（1000Mbps多端口骨 干工业交换机不多且价格昂贵），但网络规模要小，建议不超 过两层。 合理规划交换机分配，尽量将同一间隔内联系密切的保护装置 分配在同一台交换机上，减少多台交换机之间传输路径。
网络延时
•
光缆传输延时TWL
– 光缆传输延时容易计算，就是光缆长度除以 光缆光速（大约2/3倍光速）。以1000米为例， 光缆传输延时大约是5us。
网络延时
•
交换机帧排队延时TQ
– 交换机发生帧冲突时均采用排队方式顺序传 送，这给交换机延时带来不确定性。考虑最 不利的情况，即交换机（K个端口）所有其它 K-1个端口同时向另一端口发送报文。忽略帧 间时间间隔，最长帧排队延时约为(K-1)TSF， 最短排队延时则为0，平均排队延时为(K1)TSF/2。
GOOSE传输延时
报文发送和接收延时与装置通信处理能力和处理方式有关， 保护装置设计时应考虑最大传输量情况下的传输延时，尤其是 接收延时，要防止在固定时间内可能的最大接收GOOSE报文量 引起的网口溢出而丢失报文或延时过长。在所有保护中，母线 保护的工作条件最严酷，因为母线保护要接收母线上所有间隔 的启动母差或启动失灵信号，必须考虑所有间隔启动报文或心 跳报文同时到达的极端情况。