Протокол GOOSE

Передаваемый пакет GOOSE-сообщения содержит все текущие значения атрибутов данных, внесённых в набор данных. При изменении какого-либо из значений атрибутов, устройство моментально инициирует посылку нового GOOSE-сообщения с обновлёнными данными (см. рис. 2).

Рис. 2. Передача GOOSE-сообщений.

• Малый объем информации — между терминалами фактически передаются значения «истина» и «ложь» (или логический «ноль» и «единица»),
• Требуется высокая скорость передачи информации — большáя часть дискретных сигналов, передаваемых между устройствами РЗА, прямо или косвенно влияет на скорость ликвидации ненормального режима, поэтому передача сигнала должна осуществляться с минимальной задержкой,
• Требуется высокая вероятность доставки сообщения — для реализации ответственных функций, таких как подача команды отключения выключателя от РЗА, обмен сигналами между РЗА при выполнении распределенных функций, требуется обеспечение гарантированной доставки сообщения как в нормальном режиме работы цифровой сети передачи данных, так и в случае её кратковременных сбоев,
• Возможность передачи сообщений сразу нескольким адресатам — при реализации некоторых распределенных функций РЗА требуется передача данных от одного устройства сразу нескольким,
• Необходим контроль целостности канала передачи данных — наличие функции диагностики состояния канала передачи данных позволяет повысить коэффициент готовности при передаче сигнала, тем самым, повышая надёжность функции, выполняемой с передачей указанного сообщения.

Предъявленные требования привели к разработке механизма GOOSE-сообщений, отвечающих всем предъявляемым требованиям.

Обеспечение скорости передачи данных

В аналоговых цепях передачи сигналов основную задержку при передаче сигнала вносит время срабатывания дискретного выхода устройства и время фильтрации дребезга на дискретном входе принимающего устройства. Время распространения сигнала по проводнику в сравнении с этим мало.

Аналогично в цифровых сетях передачи данных основную задержку вносит не столько передача сигнала по физической среде, сколько его обработка внутри устройства.

В теории сетей передачи данных принято сегментировать сервисы передачи данных в соответствии с уровнями модели OSI [2], как правило, спускаясь от «Прикладного», то есть уровня прикладного представления данных, к «Физическому», то есть уровню физического взаимодействия устройств.

В классическом представлении модель OSI имеет всего семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, уровень представления и прикладной. Однако, реализуемые протоколы могут иметь не все из указанных уровней, то есть некоторые уровни могут быть пропущены.

Таблица. 1. Стандартная семи-уровневая модель OSI.

Вообще, главой МЭК 61850-8-1 предусмотрено два коммуникационных профиля, которыми описываются все протоколы передачи данных, предусмотренные стандартом:

• Профиль «MMS»,
• Профиль «Non-MMS» (то есть не-MMS).

Соответственно, сервисы передачи данных могут быть реализованы с использованием одного из указанных профилей. Протокол GOOSE (равно как и протокол Sampled Values) относится именно ко второму профилю.

Использование «укороченного» стека с минимальным количеством преобразований — это важный, однако не единственный, способ ускорения передачи данных. Также ускорению передачи данных по протоколу GOOSE способствует использование механизмов приоритезации данных. Так, для протокола GOOSE используется отдельный идентификатор кадра Ethernet — Ethertype, который имеет заведомо больший приоритет по сравнению с остальным трафиком, например, передаваемым с использованием сетевого уровня IP.

Помимо рассмотренных механизмов, кадр Ethernet GOOSE-сообщения также может снабжаться метками приоритета протокола IEEE 802.1Q, а также метками виртуальных локальных сетей протокола ISO/IEC 8802-3. Такие метки позволяют повысить приоритет кадров при обработке их сетевыми коммутаторами. Подробнее эти механизмы повышения приоритета будут рассмотрены в последующих публикациях.

Использование всех рассмотренных методов позволяет значительно повысить приоритет данных, передаваемых по протоколу GOOSE, по сравнению с остальными данными, передаваемыми по той же сети с использованием других протоколов, тем самым, сводя к минимуму задержки как при обработке данных внутри устройств источников и приёмников данных, так и при обработке их сетевыми коммутаторами.

Отправка информации нескольким адресатам

Для адресации кадров на канальном уровне используются физические адреса сетевых устройств — MAC-адреса. При этом Ethernet позволяет осуществлять так называемую групповую рассылку сообщений (Multicast). В таком случае в поле MAC-адреса адресата указывается адрес групповой рассылки. Для многоадресных рассылок по протоколу GOOSE используется определенный диапазон адресов (см. Рис .3)

Рис 3. Диапазон адресов многоадресной рассылки для GOOSE-сообщений.

Сообщения, имеющие значение «01» в первом октете адреса отправляются на все физические интерфейсы в сети, поэтому фактически многоадресная рассылка не имеет фиксированных адресатов, а её MAC-адрес является скорее идентификатором самой рассылки, и не указывает напрямую на её получателей.

Таким образом MAC-адрес GOOSE-сообщения может быть использован, например, при организации фильтрации сообщений на сетевых коммутатора (MAC-фильтрации), а также указанный адрес может служить в качестве идентификатора, на который могут быть настроены принимающие устройства.

Таким образом передачу GOOSE сообщений можно сравнить с радиотрансляцией: сообщение транслируется всем устройствам в сети, но для получения и последующей обработки сообщения устройство-приёмник должно быть настроено на получение этого сообщения (см. рис. 4).

Рис. 4. Схема передачи GOOSE-сообщений.

Гарантированная доставка сообщений и контроль состояния канала

Передача сообщений нескольким адресатам в режиме Multicast, а также требования к высокой скорости передачи данных не позволяют реализовать при передаче GOOSE-сообщений получение подтверждений о доставке от получателей. Процедура отправки данных, формирования получающим устройством подтверждения, приём и обработка его устройством отправителем и последующая повторная отправка в случае неудачной попытки заняли бы слишком много времени, что могло бы привести к чрезмерно большим задержкам при передаче критических сигналов.

Вместо этого для GOOSE-сообщений был реализован специальный механизм, обеспечивающий высокую вероятность доставки данных.

Во-первых, в условиях отсутствия изменений в передаваемых атрибутах данных, пакеты с GOOSE-сообщениями передаются циклически через установленный пользователем интервал (см. рис. 5 а). Циклическая передача GOOSE-сообщений позволяет постоянно диагностировать информационную сеть. Устройство, настроенное на приём сообщения, ожидает его прихода через заданные интервалы времени. В случае, если сообщение не пришло в течение времени ожидания, принимающее устройство может сформировать сигнал о неисправности в информационной сети, оповещая таким образом диспетчера о возникших неполадках.

Во-вторых, при изменении одного из атрибутов передаваемого набора данных, вне зависимости от того, сколько времени прошло с момента отправки предыдущего сообщения, формируется новый пакет, который содержит обновлённые данные. После чего отправка этого пакета повторяется несколько раз с минимальной выдержкой времени (см. рис. 5 б), затем интервал между сообщениями (в случае отсутствия изменений в передаваемых данных) вновь увеличивается до максимального.

Рис. 5. Интервал между отправками GOOSE-сообщения.

В-третьих, в пакете GOOSE-сообщения предусмотрено несколько полей-счётчиков, по которым также может контролироваться целостность канала связи. К таким счётчикам, например, относится циклический счётчик посылок (sqNum), значение которого изменяется от 0 до 4 294 967 295 или до изменения передаваемых данных. При каждом изменении данных, передаваемых в GOOSE-сообщении, счётчик sqNum будет сбрасываться, также при этом увеличивается на 1 другой счётчик — stNum, также циклически изменяющийся в диапазоне от 0 до 4 294 967 295. Таким образом, при потере нескольких пакетов при передаче, эту потерю можно будет отследить по двум указанным счётчикам.

Наконец, в-четвертых, важно также отметить, что в посылке GOOSE, помимо самого значения дискретного сигнала, может также содержаться признак его качества, который идентифицирует определенный аппаратный отказ устройства-источника информации, нахождение устройства-источника информации в режиме тестирования и ряд других нештатных режимов. Таким образом, устройство-приемник, прежде чем обработать полученные данные согласно предусмотренным алгоритмам, может выполнить проверку этого признака качества. Указанное может предупредить неверную работу устройств-приемников информации (например, их ложную работу).

Следует иметь в виду, что некоторые из заложенных механизмов обеспечения надёжности передачи данных при их неправильном использовании могут приводить к негативному эффекту. Так, в случае выбора слишком короткого максимального интервала между сообщениями, нагрузка на сеть увеличивается, хотя, с точки зрения готовности канала связи, эффект от уменьшения интервала передачи будет крайне незначительным.

При изменении атрибутов данных, передача пакетов с минимальной выдержкой времени вызывает повышенную нагрузку на сеть (режим «информационного шторма»), которая теоретически может приводить к возникновению задержек при передаче данных. Такой режим является наиболее сложным и должен приниматься за расчётный при проектировании информационной сети. Однако следует понимать, что пиковая нагрузка очень кратковременна и её многократное снижение, согласно проводившимся нами опытам в лаборатории по исследованию функциональной совместимости устройств, работающих по условиям стандарта МЭК 61850 кафедры РЗиАЭС НИУ МЭИ, наблюдается на интервале в 10 мс.

Наладка и проверка систем РЗА с использованием GOOSE-коммуникаций

При построении систем РЗА на основе протокола GOOSE изменяются процедуры их наладки и тестирования. Теперь этап наладки заключается в организации сети Ethernet энергообъекта, в которую будут включены все устройства РЗА, между которыми требуется осуществлять обмен данными. Для проверки того, что система настроена и включена в соответствии с требованиями проекта, становится возможным использование персонального компьютера со специальным предустановленным программным обеспечением (Wireshak, GOOSE Monitor и др.) или специального проверочного оборудования с поддержкой протокола GOOSE (РЕТОМ 61850, Omicron CMC). Важно отметить, что все проверки можно производить не нарушая предварительно установленные соединения между вторичным оборудованием (устройствами РЗА, коммутаторами и др.), поскольку обмен данными производится по сети Ethernet. При обмене дискретными сигналами между устройствами РЗА традиционным способом (подачей напряжения на дискретный вход устройства-приемника при замыкании выходного контакта устройства, передающего данные), напротив, часто требуется разрывать соединения между вторичным оборудованием для включения в цепь испытательных установок с целью проверки правильности электрических соединений и передачи соответствующих дискретных сигналов.

Выводы

Протокол GOOSE предусматривает целый комплекс мер, направленных на обеспечение необходимых характеристик по быстродействию и надёжности при передаче ответственных сигналов. Применение данного протокола в сочетании с правильным проектированием и параметрированием информационной сети и  устройств РЗА позволяет в ряде случаев отказаться от использования медных цепей для передачи сигналов, обеспечивая при этом необходимый уровень надёжности и быстродействия.

Список литературы

1. Аношин А.О., Головин А.В. СТАНДАРТ МЭК 61850. Информационная модель устройства // Новости ЭлектроТехники №5 (77).
2. Информационно-вычислительные сети : учебное пособие Капустин, В. Е. Дементьев. — Ульяновск : УлГТУ, 2011. — 141с.