一种基于优先级发送的GOOSE网络数据实时传输方法

摘 要：研究IEC61850标准下GOOSE报文的采集、转换和传输的相关问题，提出一种新的报文发送方式。GOOSE网络报文依据优先级高低依次发送，在硬件方面采用一种基于FPGA+ARM的系统架构，成功解决发送端GOOSE报文发送具有延迟和传输不确定的问题，测试结果表明，系统性能稳定，实现GOOSE网络数据的实时传输。

关键词：IEC61850 GOOSE 报文 优先级 实时传输

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）003-060-02

1 引言

伴随着光电互感器、智能断路器、网络通信技术的兴起以及IEC61850标准的实施，各大电网公司都开始着手变电站的数字化建设。面向通用对象的变电站事件GOOSE是IEC61850标准中的重要组成部分，GOOSE网络的数据实时传输关系到变电站的控制、监视和保护功能，是数字化变电站自动化系统过程层和间隔层之间通信的重要纽带。

2 GOOSE的特点和组网方式

2.1 GOOSE的特点

GOOSE是一种基于IEC61850标准定义的面向通用对象的变电站事件，是一种可以在变电站系统范围内进行数据的快速采集和稳定传输的通信方式。本文中的GOOSE实时通信采用了者/订阅者架构， GOOSE报文具有较高的优先级和较好的实时性，具有显著的优势。

2.2 GOOSE组网方式

随着数字化变电站的逐渐发展，网络技术在数字化变电站中的应用程度越来越高，GOOSE报文传输组网方式分为了三个阶段：

（1）GOOSE报文传输单独组网。由于GOOSE报文传输对实时性和可靠性的高要求，变电站的IED装置都具备了独立的GOOSE通信接口，该方式保证了GOOSE报文传输的可靠性。

（2）GOOSE报文传输与站控层共用网络。这种组网方式需要支持IEEE802.1P协议交换机的支持，支持IEEE802.1P的交换机可以确保GOOSE报文的优先传输。

（3）数字化变电站共用网络。这种共用网络的方式在间隔层IED设备之间只需要一个通信接口，这样就降低了IED设备的成本，也降低了变电站的建设成本。

3 GOOSE网络数据实时传输方法的研究与实现

3.1 GOOSE报文传输延迟和稳定性的解决方案

本文通过研究IEC61850标准当中G00SE通信实时性，提出了一种新的报文发送方式，报文的发送依据优先级高低依次发送，解决了发送端GOOSE报文发送具有延迟和传输不确定的问题。

IEC61850通信标准规定了GOOSE网络数据传输采用者/订阅者的通信模型，对于GOOSE网络数据传输的订阅端，本文在网卡接收端口使用了将实时性报文和非实时性报文分开的方法，用事件驱动来通知待处理的任务，收到优先级较高的GOOSE网络报文后，交由高优先级的任务处理。

发送端的解决方案：

为了确保GOOSE网络数据通信的可靠性，本文采用了一种特殊的重传机制来实现GOOSE网络数据传输。首先，发送端发出GOOSE报文的发送请求，随即对报文内容编码，在发送端产生发送GOOSE报文的事件，增加发送时间并重发数据。GOOSE网络数据通信的每个报文都带有一个特定参数，即报文允许生存时间参数，其用于判断最长等待时间，当订阅端在超过报文允许生存时间内仍然没有收到重传报文，或者有新事件发生，则判断为连接中断。这种重传机制如图1所示，最大重复间隔是无事件发生时期的重传时间，在有事件发生时期，GOOSE将以最短重传时间进行重传，在新事件传输完过后，重传时间会逐渐增加到无事件发生时期的重传时间。

图1 GOOSE的重传机制

3.2 GOOSE网络数据实时传输系统架构

为了实现GOOSE网络数据报文的实时传输，本文设计了基于FPGA+ARM架构的嵌入式架构来满足GOOSE报文的传输要求，图 2 为本文设计的GOOSE报文实时传输系统的内部结构图。

图2 GOOSE报文实时传输系统

其内部结构主要包括以下四个部分：

（1）多通道AD以及调理电路模块，可以实现信号滤波，电路阻抗匹配，信号直流偏置，信号电平转换等。

（2）时钟同步处理模块，主要实现整个装置各部分的时钟同步。

（3）数据处理模块，该模块是由FPGA和ARM构成，主要实现对互感器传送的采样值解析、装置建模、文本描述生成以及报文生成等功能，并且实现多路输入的高速同步数/模转换，具有容错和自检能力。

（4）网络处理模块，该模块集成了目前大部分的同步时钟方案，可以为采集信息提供精确的同步时标。同时该模块可以给内部控制采集的FPGA提供作为基准的秒脉冲信号，该秒脉冲信号也可以输出给外部互感器作为同步采集的基准信号。

3.3 GOOSE网络数据实时传输报文识别流程

在本文设计的GOOSE网络数据实时传输系统中，其接收端GOOSE报文识别流程，其特征在于，对于接收报文过程，在网络芯片的驱动中加入GOOSE报文捕获程序，用于识别是GOOSE报文还是普通报文。普通报文则继续交给上层协议栈处理，GOOSE报文则可以直接解析获取其中的开关信息。发送端引入多级优先发送队列的方法，根据发送数据的实时性，分为多级队列，例如GOOSE数据以及采样数据，在协议层调用协议驱动时候可以放入高级队列中优先发送。

4 系统仿真与分析

图3 系统捕获到的GOOSE报文

本文采取了报文模拟发送来验证本文设计的GOOSE网络数据的实时传输。如图 3系统捕获到的GOOSE报文所示，通过交换机，在没有事件发生时，我们成功接收到了系统稳定发送的GOOSE报文，间隔时间为最大发送间隔T0为5000ms，在新事件发生之后，系统迅速响应，在响应时间T1即5ms时发送响应报文，在新事件传输完成之后，重传时间逐渐加大，经过T2（10ms）和T3（20ms），逐渐回到最大重传时间T0（5000ms）。可以看出新的报文发送方式和系统解决方案成功解决了发送端GOOSE报文发送具有延迟和传输不确定的问题。

5 结语

本文提出了一种修改网络驱动来实现多优先级队列的方法，GOOSE网络报文的发送会依据优先级高低依次发送，GOOSE通信使用了一种特别的重传机制，可以减小GOOSE数据传输的传输延迟，进而确保了GOOSE报文传输和处理的即时性。在硬件方面采用了基于FPGA+ARM的系统架构，利用了时钟同步技术，最终实现了 GOOSE网络数据的实时传输。

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