1 GOOSE通信简介
1.1 发布/订阅机制
面向通用对象变电站事件（GOOSE）是IEC61850标准体系为实时通信而设计的一种快速报文通信机制，主要用于间隔层智能电子设备（IED）之间以及间隔层IED与过程层智能终端之间的开关量报文的快速传输。GOOSE信息是基于发布/订阅机制进行通信的。GOOSE发布通过组播方式向网络传输GOOSE信息，其对所有与网络连接IED都是可见的（暂不考虑虚拟局域网VLAN问题）；GOOSE订阅即与网络连接的IED会根据GOOSE信息中的目的地址来判断该信息是否为自己所需。为了保证实时性和可靠性，GOOSE传输采用顺序重发机制，不需要回执确认。发布或订阅通信结构在分布式系统中的应用十分广泛，可在各通信节点之间形成直接通信，是一个或几个甚至更多发布者向多个订阅者发送数据的最佳解决方案。
1.2 OSI模型与协议
GOOSE报文在网络中传输遵循开放式互连（OSI）7层通信协议栈，但仅使用了OSI模型中的应用层、表示层、数据链路层和物理层的协议，GOOSE数据在应用层定义了应用协议数据单元（APDU）。APDU数据经过表示层ASN.1编码后跳过会话层、传输层、网络层直接映射到数据链路层，在物理层通过介质进行传输，有效减少了数据处理带来的传输延时，提高了GOOSE的实时性。
1.3 交换机技术
1.3.1 虚拟局域网（VLAN）
VLAN是虚拟局域网的简称。在一个支持VLAN技术的交换机中，可将其以太网口划分为若干组，使组内的各个用户就像在同一个局域网内（可能各组的用户位于多个交换机上）进行数据交换，而非本组用户就无法访问本组成员。智能变电站过程层典型网络将SV网、GOOSE网、时间同步网三网合一，信息数据总量十分可观，而大部分信息数据不需要在不同间隔间横向交换，不同间隔间需共享的只是部分信息，而非全部信息。必须对间隔层交换机流出数据进行流量控制，否则主干交换机很容易出现流量超负荷情况，导致网络产生堵塞甚至瘫痪，也就无法保证GOOSE信息传输的实时可靠性。采用VLAN技术，将间隔间需要横向共享的信息在一个VLAN组里交换，减少了广播流量，保证了网络畅通。
1.3.2 流量优先级控制
GOOSE优先级控制功能根据流量优先级设置将变位信息直接传送至相应的GOOSE报文快速通道中，而不传至正常报文缓冲区，通过支持流量优先级控制协议（IEEE802.1P）的交换机抢先到达目的IED，同时也减小了抖动和网络延时，是实现GOOSE信息传输实时性的关键。交换机在处理优先级时，高优先级数据优先通过，多个出口数据队列时较高优先级数据先被发送。流量优先级控制协议中定义了8种优先级，最高优先级为7，最低优先级为0，为默认值。
1.3.3 组播注册协议
组播注册协议GMRP定义了以太网交换机之间交换特性信息的方法，包括如何发送数据包，接收数据包如何处理等，用于维护交换机中的动态组播注册信息。这种信息交换机制确保了同一交换网（VLAN）内所有支持GMRP的设备维护的组播信息的一致性，也间接强化了GOOSE传输的可靠性。
2 GOOSE信息传输流程
发布者（如CSC326主变保护装置）的GOOSE控制块GoCB定时根据虚端子映射表更新与IECGOOSEPdu变量列表成员相对应的数据集，应用层GOOSE（APDU）经过GOOSE的应用协议描述，经会话层ASN.1BER编码（即把对象转换为“0”和“1”的比特流）后直接将数据映射到数据链路层，然后在数据链路层将数据以“先进先出、后进后出”的方式压入发送缓冲区，由网络适配器通过以太网交换机采取多播（经网络）或单播（点对点）的形式发送给订阅者（如主变智能终端）。变化事件发生后，立刻启动上述流程，并以先密后疏的形式快速重传，从而提高可靠性。订阅者根据新数据通知读取接收缓冲区中的GOOSE数据，继而解析出合理的应用数据。
GOOSE报文重传机制如图1所示，这种机制有效防止了网络负载过重时丢失GOOSE报文，提高了重大事件发生时GOOSE报文传输机制的可靠性。
图1 GOOSE报文重传机制
重发机制中有4个传输时间T0～T3。
T0：无突发事件情况下报文重传时间间隔，一般设为5s，称为心跳时间。
（T0）：稳定条件下传输时间，可能会被某突发事件打断，重传时间可能被事件缩短。
T1：事件发生，当GOOSE数据集中任何一个数据发生变化，装置立刻将新数据以T1时间间隔快速重传，T1可定义，对保护一般为1ms。
T2、T3：T2和T3是从突发到稳定的过渡重传时间，分别以T2、T3时间间隔对新数据进行重传，一般T2=2T1，T3=4T1。
报文允许生存时间TATL为2T0，超过2T0时间间隔没有收到报文即判断报文丢失；在报文允许2倍生存时间即4T0内没有收到下一帧GOOSE报文即判断为中断，装置发出GOOSE中断告警。GOOSE通过通信过程不断自检实现了装置间回路智能化监测，克服了传统电路回路发生故障不能自动发现的缺点，提高了GOOSE传输的可靠性。
这种重传机制逐渐加长间隔时间进行重传，无需应答确认，快速性得到了保证，是网络传输实时性、可靠性及网络通信流量的最佳方案。
3 GOOSE测试主要内容
3.1 GOOSE传输延时测试
虽然GOOSE信息传输具有较高的实时性和可靠性，但GOOSE信息传输依然会引起传输延时。当传输延时＞4ms时，对于整个运行系统来说是不能容忍的，特别是在GOOSE网络与MMS网络共网的情况下，对利用以太网进行传输的GOOSE信息进行延时测试非常重要。图2表示IEC61850中GOOSE传输延时的定义，图中仅画出了点对点的传输方式。
图2 GOOSE传输延时定义
实际上，GOOSE多是经过组网传输的，中间还需要经过交换机等一些网络设备，因此传输延时与交换机的性能有关系。在工程现场调试中，GOOSE传输延时测试是GOOSE保护开入、跳合闸的关键。
在智能电子设备IED1中定义并发送一个测试信号“GOOSERequest”，而在IED2中订阅这一信号，当IED2收到“GOOSERequest”信号后，会立刻发送“GOOSEReply”的信号。当IED1收到“GOOSEReply”的信号后就可以计算出IED1到IED2之间的GOOSE收发传输时间。若给智能电子设备接入同步时钟，也可不用“乒乓传输”机制，即将IED1在发送“GOOSERequest”报文时打上时间标签，当IED2接收到“GOOSERequest”报文后就可以根据时标计算出GOOSE传输延时。
3.2 GOOSE配置测试
GOOSE传输的正确可靠也依赖于IED设备中的配置文件，在现场调试过程中也必须对GOOSE链接关系的配置进行正确性测试。
所有的GOOSE关联的信息都包含在SCD文件中，因此可构建如图3所示的GOOSE配置测试系统。
图3 GOOSE配置测试系统
假设需测试的智能电子设备IEDB，首先由PC机读入SCD文件，然后选择与IEDB有GOOSE关联的其他IEDA，将IEDA发送的所有GOOSE信号配置直接从SCD文件导入数字测试仪中。数字测试仪模拟IEDA接入系统中，通过数字测试仪控制GOOSE输出信号来测试IEDB，从而验证IEDA到IEDB之间的单方向GOOSE配置，当IEDB与多个IED设备关联是，同样可让数字测试仪模拟多个IED发送GOOSE信息。
3.3 GOOSE验收
GOOSE验收内容是GOOSE信息实时可靠传输的外部表现，关系到GOOSE最终响应功能的正确与快速。GOOSE的验收内容主要有：
（1）GOOSE自身性能检查。GOOSE发布、订阅是否正确并响应；GOOSE断链能否正确上报；GOOSE报文能否在双网上正确运行等。
（2）GOOSE网络性能检查。极端状态下测量同时产生多个跳闸命令、多个遥信变化时的GOOSE网络流量，拔掉智能终端、保护装置和测控装置的通信光纤，检查保护装置面板和后台监控GOOSE中断告警。
（3）交换机检查。包括交换机配置、单台交换机性能、交换机网络的检查。
（4）注入网络流量负载检查。从网络注入网络流量负载的10%开始逐步增加到100%，每增加10%观察一段时间，同时进行后台监控和远动双机切换检查，并对SOE、遥控、保护装置的通信状态以及保护装置动作的检查。
4 结语
通过对GOOSE通信机制的分析，进一步理解GOOSE信息实时、可靠传输的原理，在此基础上总结了GOOSE测试和验收的内容，对智能变电站GOOSE调试具有指导作用。
参考文献
[1]刘颖．基于GOOSE的智能变电站通信网络研究与应用[D]．成都：西南交通大学，2012.
[2]张侃君，夏勇军，王晋，等．智能变电站GOOSE通信技术[J]．湖北电力，2013，（1）.
（作者供职于中国能源建设集团北京电力建设公司）
