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关于变电站GOOSE通信方案的研究.pdf

关于变电站GOOSE通信方案的研究

crazyddt
2012-10-13 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《关于变电站GOOSE通信方案的研究pdf》,可适用于工程科技领域

收稿日期:作者简介:肖韬(),男,江西萍乡人,在校研究生,研究方向为基于IEC的变电站GOOSE通信文章编号:()关于变电站GOOSE通信方案的研究肖 韬,林知明,田丽平(华东交通大学电气与电子工程学院,江西南昌)摘要:IEC的特点是建立分层的体系结构、统一对象模型和抽象通信服务接口等,实现面向通用对象的变电站事件(GOOSE)报文通信是IEC通信的一种方式,它解决了对实时性和可靠性要求很高的数据传输文中详细研究了GOOSE报文通信方式及其流程,这对实现GOOSE通信提供了一种可行性方法最后,给出了GOOSE通信实体结构图,包括了GOOSE通信的一整套通信流程结合GOOSE报文的发送和接收,讨论了基于Linux操作系统上的通信,详细描述了Linux网络设备驱动程序关 键 词:GOOSE通信协议栈IEC中图分类号:TM      文献标识码:A  IEC是关于变电站综合自动化通信体系结构的一个国际标准,它解决了不同设备和不同系统之间传输时的不兼容,真正实现了设备的互操作性目前国内厂商对IEC开展了深入的研究并取得了可喜的发展,主要研究领域从以制造报文规范(MMS)为核心的客户服务器(CS)通信转移到研究GOOSE通信上针对目前GOOSE的研究,重点描述了GOOSE报文通信结构和传输实现机制 应用背景IEC规定了几种报文来传输变电站实时数据,每种报文传输值的侧重点不同例如采样值传输(SAV),通用变电站状态事件(GSSE),GOOSE报文等SAV用于采样值传输及相关服务,关注时间约束,要求成组地在时间与频率受控的情况下快速传送电流、电压模拟量,可采用多播技术一对多地传送,一般不重发,只保留最新数据GSSE报文负责传输双比特的状态变位信息,当每次检测出个或者多个状态值发生改变,就发送GSSE报文GOOSE保证变电站事件(例如跳闸命令、报警、保护启动、闭锁等公共数据)在系统范围内(例如间隔层之间、间隔层与变电站层、间隔层与过程层)快速传输,用于紧急跳闸、启动故障录波、启动闭锁解锁等需要快速传递信息的场合相比而言,GOOSE的信息内容较GSSE更广泛 GOOSE工作方式GOOSEGSSE报文传输服务的抽象模型采用发布者订阅者通信结构,原因除了此种通信结构支持多节点之间的快速、直接通信外,还有重要一点:发布者订阅者通信结构与GOOSEGSSE报文传输的本质一样,是事件驱动的GOOSEGSSE报文传输利用多路广播多播服务,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实际应用中,报文传输有以下特殊要求:()时序性控制对时序进行控制是实时应用所必须的,例如GOOSEGSSE报文传输的时间延迟规定在ms内此外,发布者发送报文的有效保持时间有些情况下也是很重要的()可靠性控制GOOSEGSSE报文传输的可靠性要求很高,它的经典应用之一是过程层上跳闸第卷第期年月华 东 交 通 大 学 学 报JournalofEastChinaJiaotongUniversityVol NoAug,命令的传输,故在实际应用中,需对GOOSEGSSE报文传输的可靠性与时间确定性之间具有折衷选择的能力,即在这一矛盾因素中找到平衡点()询问响应在复杂的实时应用中要求订阅者具备主动询问、发布者具备响应询问的功能例如,为实现对站内智能电子设备(IED)配置文件的互操作性,IEC规范了基于XML的配置文件,这是一种静态配置,当利用其对发布者和订阅者配置后,配置结果的有效性可通过订阅者和发布者之间的询问响应这种动态过程进行验证为了满足以上要求,改进后的发布者订阅者通信结构不仅支持订阅者以客户服务器的通信方式读或设置发布者的控制块属性(如图所示),而且引入以下几个重要控制参数:图 GOOSE模型  ()报文存活时间(timeAllowToLive)由于GOOSEGSSE报文的重要性,即使外部状态不再变换,也应重发此参数提示订阅者等待下一报文到来的最长时间当等待时间大于timeAllowedToLive值仍未收到有效报文时,订阅者认为通信联系失去,采用预先定义的默认值取代()事件序列计数器(SqNum)指GOOSEGSSE报文传输次数计数值,订阅者通过SqNum能够确认报文传输无漏包()状态改变计数器(StNum)与SqNum不同,表示由于外部状态变化导致报文发送的计数值()状态改变时刻(T)表示由于某种事件状态变化导致GOOSEGSSE报文发送时发布者的时刻,订阅者利用此参数可对其内部计时器进行设置 GOOSE通信流程 GOOSE通信映射ACSI规范的信息模型的功能服务独立于具体网络,即功能与通信解耦功能的最终实现还需要经过SCSM,SCSM负责将抽象的功能服务映射到具体的通信网络及协议上,具体包括:()根据功能需要和实际情况选择通信网络的类型和OSI模型的层协议(如图所示)图 变电站通信协议栈映射()在应用层上(OSI模型中的第层),对功能服务进行映射,生成应用层协议数据单元(如AlicationProtocolDataUnit,APDU,形成通信报文,如图所示)第期肖 韬,等:关于变电站GOOSE通信方案的研究图 ACSI向应用层的映射 应用层抽象语法记法(ASN)被用来定义和规范应用层的PDU(协议数据单元),利用ASN,任何计算系统可以无歧义地将ASN定义的数据结构表示转换为它们自己的内部表示映射提供在APDU(应用协议数据单元)被递交到传输缓冲区时,在此以前由若干个ASDU(应用服务数据单元)连接成一个APDU被连接为一个APDU的ASDU的数目是可以配置的并与采样速率有关ASN规定GOOSE报文的PDU格式如下所示:IECDEFINITIONS::=BEGINIMPORTSDataFROMISOIECIECSpecificProtocol::=CHOICE{gseMngtPduAPPLICATIONIMPLICITGSEMngtPdu,goosePduAPPLICATIONIMPLICITIECGoosePdu,}IECGoosePdu::=SEQUENCE{gocbRefIMPLICITVISIBLESTRING,timeAllowedtoLiveIMPLICITINTEGER,⋯⋯⋯⋯allDataIMPLICITSEQUENCEOFDatasecurityANYOPTIONAL,}⋯⋯END对上述规法分析如下:()由DEFINITIONS可知本数据结构的模块名称是IEC()IMPORTS构件指出此模块引用了ISOIEC(MMS)中定义的Data参数,这从IECGoosePdu定义的元素allData中也能得到印证Data是MMS中一个重要的参数,它同样采用ASN进行定义Data::=CHOICE{IF(str)ArrayIMPLICITSEQUENCEOFData,ELSE⋯⋯ENDIFBooleanIMPLICITBOOLEAN,bitstringIMPLICITBITSTRING,integerIMPLICITINTEGER,⋯⋯⋯⋯⋯⋯mMSStringIMPLICITMMSString}可以看出,Data参数中包含了丰富的数据类型,如布尔型,位串型和整型等,在GOOSE中,上述数据类型可由用户自由选择这也是它比UCAGOOSE更为灵活的一种体现()由于最上一级的结构使用了CHOICE类型,表示从一组值中选择某个变量对于GOOSE报文传输,需选择变量goosePdu为标号值是的应用类(APPLICATION),其标志名称是IECGoosePdu,标号用来区分不同的PDU当要实现GetGoReference和GetGOOSEElementNumber这两个服务时,需选择变量gseMngtPdu,其标志名称是GSEMngtPdu,标号值为的应用类服务GetGoCBValues和SetGoCBValues分别通过映射到MMS的read和write服务实现这里引入了可以带来更简洁编码的隐式标记IMPLICIT()IECGoosePDU定义为包含gocbRef、allDate和security等个变量的序列(SEQUENCE),这个变量所代表的信息是GOOSE报文的核心内容 表示层采用BER对应用层PDU进行编码,如图所示 数据链路层遵循ISOIEC协议(即以太网协议),并对报文传输做了如下特殊处理:()以太网类型(Ethertype)由IEEE著作权注册机构注册,是独一无二的,其值为xB()提供报文传输的优先级服务(IEEEp),报文默认优先级为()分配特定范围的组播地址,其范围从CCD到CCDFF华 东 交 通 大 学 学 报年图 BER格式 实体构建信息模型实体的构建是实现IEC的关键环节,它的作用是让设备的实际功能、运行机制和数据(包括类型与组织形式等)能够准确和完备的实现设备对应信息模型的所有细节,信息模型构建方案如图所示图 信息模型构建方案图 Linux网络设备驱动程序结构  通过以类的组织形式构建出完整的信息模型(包括信息模型支持的全部功能服务),由类的成员函数与成员变量之间的关联实现服务与服务对象的耦合,通过类的派生行为保证数据语义的准确性和一致性下面以Linux网络设备驱动来介绍实体构建的通信方法其功能分为两个部分:发送数据和接收数据在发送数据时,应用程序调用设备驱动程序,由第期肖 韬,等:关于变电站GOOSE通信方案的研究后者全权负责将数据发送到物理介质,并且接收硬件产生的应答信号在接收数据时,由中断处理程序调用设备驱动接收来自网络介质的数据帧,并将它转换为能被应用程序识别的数据Linux网络设备驱动程序结构如图所示驱动程序编写好后,应用程序要使用它,必须将驱动程序作为一个模块装入内核模块是内核的一部分,但是还没有被编译到内核里面去它们被分别编译并连接成一组目标文件,这些文件能被插入到正在运行的内核,或者从正在运行的内核中移走图 Linux网络设备驱动程序实现模式一个应用从头到尾完成一个任务,而模块则是为以后处理某些请求而注册自己,完成这个任务后它的“主”函数就立即中止了所有内核模块都有两个入口点:一个是initmodule,另一个是cleanupmodule其中,initmodule的任务就是为以后调用模块的函数做准备。图示意了网络模块的装载到运行到卸载的过程 结语对GOOSE通信方式和对实现机制方面做了详细的研究在实际设计中还要解决许多细节问题例如数据集的建立,映射APDU的性能以及具体的编码措施等相信GOOSE通信所具有的优点将会成为变电站自动化系统发展的趋势参考文献:DLT IECS北京:中国电力出版社,殷志良,刘万顺,杨奇逊,等基于IEC标准的过程总线通信研究与实现J中国电机工程学报,,():殷志良,刘万顺,杨奇逊,等基于IEC的通用变电站事件模型J电力系统自动化,,():宋宝华Linux设备驱动与开发详解M北京:人民邮电出版社,StudyontheProgramofGOOSEGommunicationSubstationXIAOTao,LINZhiming,TIANLiping(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang,China)Abstract:IECischaracterizedbytheestablishmentoftieredarchitecture,unifiedobjectmodelandanabstractinterface,andothercommunicationserviceRealizinguniversalobjectorientedsubstationevent(GOOSE)isawayofIECcommunication,whichsolvestherealtimeandreliabilityrequirementsofhighdatatransmissionThepapergivesadetailedstudyoftheGOOSEmessageanditsmeansofcommunicationprocesses,whichprovidesapossibilityofcommunicationmethodsofrealizingGOOSEFinally,thepaperpresentsthestructureoftheGOOSEcommunicationentitiesincludingasetofGOOSEcommunicationprocessConsideringsendingandreceivingGOOSEmessage,wediscusstheLinuxbasedoperatingsystemofcommunication,anddescribestheLinuxnetworkdevicedriverprocedureKeywords:GOOSEcommunicationprotocolstackIEC(责任编辑:刘棉玲)华 东 交 通 大 学 学 报年

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