CN103297358B - 一种智能电网跨广域网goose报文传输系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能电网跨广域网GOOSE报文传输系统及方法，该系统包括发送端及接收端，该发送端包括：封装存储桶，用于接收GOOSE报文，对该GOOSE报文进行通用路由GRE封装，生成一表明GOOSE报文封装次序的封装序号，并将该封装序号写入GRE报头，之后对该经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并保存该IP报文；及第一排序发送桶，用于将所述封装存储桶中的IP报文按照封装序号排序后发送至IP网络。接收端包括：解封装存储桶，用于接收来自所述IP网络的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，并存储解封装得到的GOOSE报文；及第二排序发送桶，用于将所述解封装存储桶中的GOOSE报文按照封装序号排序后发送至一个或多个位于变电站内的智能电子设备。

Description

一种智能电网跨广域网GOOSE报文传输系统及方法
技术领域
本发明涉及电力领域，具体地，涉及一种智能电网跨广域网的GOOSE报文传输系统及方法。
背景技术
随着计算机网络通信技术的飞速发展，电力系统中对变电站自动化的要求越来越高，为方便变电站中各种智能电子设备(Intelligent Electronic Device，IED)的管理以及设备间的互联，需要一种通用的通信方式来实现，IEC61850提出了一种公共的通信标准，通过对设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，实现系统的无缝连接。
面向通用对象的变电站事件(Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)是IEC 61850标准中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的机制。变电站的监控系统采用IEC61850通信标准，利用快速以太网特性，通过GOOSE报文实现保护系统之间信息交换和监控间隔联闭锁功能。
作为应用层面上的定义，在变电站通信模型映射中，IEC61850规定了GOOSE在ISO/IEC8802.3上的映射。该映射的特点是：GOOSE帧使用二层组播技术，不经过网络层，该报文的最大可传输域为GOOSE产生源所在的广播域。因此，GOOSE报文本身只能在局域网(LocalArea Network，LAN)或虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)中传播。
在实际变电站应用中，由于GOOSE报文只能在局域网或虚拟局域网中传播，中心控制站只能部署到LAN或VLAN中，这使得中心控制站的位置受到了很大的限制。当目标变电站距离中心控制站较远时，中心控制站往往由于距离原因而无法对变电站内的IED进行控制。另外，当需要对处于不同LAN中的多个变电站内的IED进行控制时，需要分别于该不同LAN内部署中心控制站，以分别对变电站内的IED进行控制，从而造成了对不同LAN中的多个变电站内的IED进行控制需采用多个中心控制站，布局较为复杂，且成本较高。
发明内容
本发明的目的是实现可跨越IP网络传输GOOSE报文，从而仅通过一中心控制站便可对远距离的多个变电站进行控制，达到了布局简单且节省成本的目的。
为了实现上述目的，一种智能电网跨广域网的GOOSE报文传输系统，该传输系统包括发送端和接收端，其中，所述发送端包括相互连接的封装存储桶及第一排序发送桶，所述接收端包括相互连接的解封装存储桶及第二排序发送桶，封装存储桶，用于接收GOOSE报文，对该GOOSE报文进行通用路由GRE封装，生成一表明GOOSE报文封装次序的封装序号，并将该封装序号写入GRE报头，之后对该经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并保存该IP报文；第一排序发送桶，用于将所述封装存储桶中的IP报文按照封装序号排序后发送至IP网络；解封装存储桶，用于接收来自所述IP网络的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，并存储解封装得到的GOOSE报文；以及第二排序发送桶，用于将所述解封装存储桶中的GOOSE报文按照封装序号排序后发送至一个或多个位于变电站内的智能电子设备。
本发明还提供一种智能电网跨广域网的GOOSE报文传输方法，该方法包括：GOOSE报文发送步骤：发送端接收GOOSE报文，对该GOOSE报文进行通用路由GRE封装，生成一表明GOOSE报文封装次序的封装序号，并将该封装序号写入GRE报头，之后对该经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并保存该IP报文，并将该IP报文按照封装序号排序后发送至IP网络；GOOSE报文接收步骤：接收端接收来自所述IP网络的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，存储解封装得到的GOOSE报文，并将该GOOSE报文按照封装序号排序后发送至一个或多个位于变电站内的智能电子设备。
通过上述技术方案，可利用IP网络实现GOOSE报文的传输，从而无需针对每一LAN部署一中心控制站，一中心控制站可实现对处于不同LAN的多个变电站的IED的控制，且该中心控制站的部署并无地理位置限制。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提供的GOOSE报文传输系统的结构示意图；
图2为于IP网络上传输的IP报文的结构图；
图3为图2中的GOOSE PDU的结构图；
图4为图2中的IP报头的结构图；
图5为本发明提供的GOOSE报文传输系统中的发送端的操作流程图；
图6为本发明提供的GOOSE报文传输系统中的第二排序发送桶的重映射操作流程图；以及
图7为本发明提供的GOOSE报文传输系统的一具体实施方式的结构示意图。
附图标记说明
10 中心控制站 20 发送端
21 封装存储桶 22 第一排序发送桶
30 IP网络 40 接收端
41 解封装存储桶 42 第二排序发送桶
50 IED
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1为本发明提供的GOOSE报文传输系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种智能电网跨广域网的GOOSE报文传输系统，该传输系统包括发送端20和接收端40，其中，所述发送端20包括相互连接的封装存储桶21及第一排序发送桶22，所述接收端40包括相互连接的解封装存储桶41及第二排序发送桶42。
封装存储桶21用于接收GOOSE报文(例如，来自中心控制站10或IED的GOOSE报文)，对该GOOSE报文进行通用路由GRE封装，生成一表明GOOSE报文封装次序的封装序号，并将该封装序号写入GRE报头，之后对该经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并保存该IP报文；第一排序发送桶22用于将所述封装存储桶21中的IP报文按照封装序号排序后发送至IP网络。
解封装存储桶41用于接收来自所述IP网络的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，并存储解封装得到的GOOSE报文；第二排序发送桶42用于将所述解封装存储桶41中的GOOSE报文按照封装序号排序后发送至一个或多个位于变电站内的智能电子设备。
藉此，可利用IP网络30实现GOOSE报文的传输，从而无需针对每一LAN部署一中心控制站10，一中心控制站10可实现对处于不同LAN的多个变电站的IED的控制，且该中心控制站10的部署并无地理位置限制。
图2为于IP网络上传输的IP报文的结构图。如图2所示，于IP网络30上传输的IP报文包括IP报文头、GRE报文头以及GOOSE PDU。本发明采用GRE隧道技术，以GOOSE报文作为隧道封装的乘客协议报文，GRE封装作为封装协议，IP协议作为传输协议完成一个完整的隧道封装，这样形成了在IP网络中传输GOOSE报文的GRE-IP隧道，称为GOOSE-over-GRE-IP隧道。在不引起歧义的情况下，称为GOOSE-over-IP隧道或GOOSE-Tunnel(GOOSE隧道)。
图3为图2中的GOOSE PDU的结构图。下表给出了图3所示GOOSE PDU内的各字段的说明。
需要说明的是，GOOSE PDU中的Priority字段可定义GOOSE报文的传输优先级。所述封装存储桶21在对经GRE封装之后的GOOSE报文进行IP封装时，可将Priority字段(该字段用于定义GOOSE报文的传输优先级)的信息映射至IP报头内的DSCP字段(该字段用于定义该IP报文的传输优先级)，从而可将GOOSE报文的优先级体现到IP报文的外层IP报头中，藉此包含GOOSE报文的IP报文可按照GOOSE报文的传输优先级于IP网络上传输，从而可减少GOOSE报文于IP网络上的传输延时。其中Priority字段与DSCP字段的映射关系可根据用户需求进行配置。具体而言，Priority字段具有3比特，而DSCP字段具有8比特，可依照下表来对这两者进行映射。
Priority 0 1 2 3 4 5 6 7
dscp 0 8 16 24 32 40 48 56
为实现有选择地经IP网络30传输GOOSE报文，所述封装存储桶21内预先存储有绑定列表，该绑定列表存储有目的MAC地址与隧道接口之间的绑定关系或者目的MAC地址及源VLAN信息(例如，源VLAN的ID)与隧道接口之间的绑定关系。具体而言，所述绑定列表内存在两种类型的绑定，即基于全局的绑定(Global Binding)与基于VLAN的绑定(VLAN-BasedBinding)。
图5为本发明提供的GOOSE报文传输系统中的发送端的操作流程图。如图5所示，所述封装存储桶21在进行GOOSE报文与隧道接口之间的匹配时，首先利用GOOSE报文的目的MAC地址及源VLAN信息在绑定列表中进行精确搜索，查找与该目的MAC地址及源VLAN信息相对应的隧道接口，以对GOOSE报文与隧道接口进行精确匹配，如果精确匹配成功，则封装存储桶21根据该隧道接口的目的IP地址对所述经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，所述第一排序发送桶22将按照封装序号排序后的IP报文经由所述隧道接口发送所述IP网络。通过该精确匹配，可满足这一情况，即当同一MAC地址处于不同VLAN时，可能对于GOOSE报文有着不同的发送要求及对应的隧道接口。如果未匹配成功，则进行全局绑定的匹配，即利用GOOSE报文的目的MAC地址(不含源VLAN信息)与绑定列表中不含VLAN信息的表型进行匹配，查找与该目的MAC地址相对应的隧道接口，如果匹配成功，则封装存储桶21根据该隧道接口的目的IP地址对所述经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，所述第一排序发送桶22将按照封装序号排序后的IP报文经由所述隧道接口发送所述IP网络。
当然，本发明并不限于此，可仅进行全局匹配，亦可仅进行精确匹配。藉此，可利用预先存储的绑定列表来实现GOOSE报文的有条件IP网络30传输，即仅对在所述绑定列表内存在相匹配的隧道接口的GOOSE报文进行GRE封装及IP封装，之后将所生成的IP报文发送至IP网络30。
其中，所述隧道接口所对应的目的IP地址可以是单播IP地址，也可以是组播IP地址。该目的IP地址位于在IP网络上传输的GOOSE报文的IP报文头中。在单播路由协议或组播路由协议的支持下，可以实现封装后的GOOSE报文的点对点传输(在目的IP地址为单播IP地址的情况下)或一点对多点传输(在目的IP地址为组播IP地址的情况下)。在采用组播IP地址的情况下，可减轻发送端20及IP报文所经过的网络(例如，IP网络或接收端40至IED之间的网络)的负荷，因为对于需传输至多个IED的同一GOOSE报文而言，发送端20无须分别将该GOOSE报文传输至多个IED，而是可通过组播IP地址进行一点对多点传输。
优选地，所述封装存储桶21还可在所述GOOSE报文的源VLAN内转发所述GOOSE报文。所述封装存储桶21可在所述预先存储的绑定列表内查找所述隧道接口与所述目的MAC地址之间的绑定模式，并在该模式为一预定模式时，在所述GOOSE报文的源VLAN内转发所述GOOSE报文。
具体而言，所述绑定列表内还存储有隧道接口与目的MAC地址(及源VLAN信息)之间的绑定模式，即正常(Normal)模式与仅隧道(Tunel-Only)模式。所述封装存储桶21还在所述预先存储的绑定列表内查找所述隧道接口与所述目的MAC地址之间的绑定模式，在该绑定模式为Tunel-Only模式时，经由所述隧道接口发送所述封装后的GOOSE报文；在该绑定模式为Normal模式时，除了经由所述隧道接口发送所述IP报文之外，还在所述GOOSE报文的源VLAN内转发所述GOOSE报文。
如果所述封装存储桶21未在绑定列表内找到与GOOSE报文的目的MAC地址相对应的隧道接口，则在该GOOSE报文的源VLAN内转发该GOOSE报文或者丢弃该GOOSE报文。具体而言，封装存储桶21可在未在绑定列表内找到与GOOSE报文的目的MAC地址相对应的隧道接口的情况下，可在其FDB表(MAC地址转发表)内查找所述目的MAC地址，如果找到所述目的MAC地址，则在GOOSE报文的源VLAN内转发该GOOSE报文；如果未找到所述目的MAC地址，则丢弃该GOOSE报文。
优选地，所述第二排序发送桶42还用于向所述第一排序发送桶22发送IP报文重传请求；所述第一排序发送桶22还用于在接收到所述第二排序发送桶42发送的IP报文重传请求时，重新发送所保存的相应IP报文。藉此，第二顺序发送桶可发送封装序号连续的IP报文至智能电子设备，解决GOOSE报文失序的问题。
具体的，解封装存储桶41接收IP网络发送的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，并根据解封装时每个IP报文的GRE报文头中包含的封装序号保存每个GOOSE报文与序号的对应关系，第二排序发送桶42根据每个GOOSE报文的封装序号从解封装存储桶中顺序提取GOOSE报文，当确定封装序号丢失时，所述第二排序发送桶42向所述第一排序发送桶22发送报文重传请求，其中，所述重传请求中包含丢失的所述封装序号，所述第一排序发送桶22接收到重传请求后，重新发送自身保存的位于该丢失的封装序号后的序号对应的GOOSE报文。
进一步的，为了保证传输网络的可靠性，提高传输的效率，第一排序发送桶22及第二排序发送桶41定时向IP网络发送网络连接测试报文，定时检测网络的运行状态，当确定出现断网等现象时，所述第一排序发送桶22停止向IP网络发送IP报文，所述第二排序发送桶41停止向第一排序发送桶发送重传请求。
图6为本发明提供的GOOSE报文传输系统中的第二排序发送桶的重映射操作流程图。如图6所示，所述第二排序发送桶42还读取所述GOOSE报文的目的MAC地址及配置VLAN标识号(VID)(该“配置VID”是在生成GOOSE报文时就写入GOOSE报文中(具体为写入图3所示的VID字段内)，用于标识该GOOSE报文的源VLAN的ID)，在该配置VID为零(即未在生成GOOSE报文时向GOOSE报文的“配置VID”内写入源VLAN的ID)时，将所述IP报文的入VLAN的ID(该入VLAN指解封装存储桶41从中接收所述IP报文的VLAN，例如参见图7，对于解封装存储桶41而言，所述IP报文的入VLAN的ID即为VLAN301)设置为该配置VID，并在预先存储的重映射列表内查找与所述目的MAC地址及配置VID相对应的一个或多个目的VLAN，并将解封装后的GOOSE报文发送至该一个或多个目的VLAN；在该配置VID不为零时，于所述预先存储的重映射列表内查找与所述目的MAC地址及配置VID相对应的一个或多个目的VLAN，并将解封装后的GOOSE报文发送至该一个或多个目的VLAN。藉此，可实现解封装后的GOOSE报文的重映射，使其可被发送至正确的VLAN。
图7为本发明提供的电力系统的一具体实施方式的结构示意图。以下结合图7详细描述本发明提供的电力系统的具体工作过程。
处于VLAN101内的中心控制站10可生成GOOSE报文，并将其发送至封装存储桶21。该封装存储桶21接收所述GOOSE报文，根据该GOOSE报文的目的MAC地址(以及源VLAN信息，即VLAN101)于其预先存储的绑定列表内查找对应的隧道接口，对GOOSE报文进行GRE封装，之后根据该隧道接口的目的IP地址对经GRE封装之后的GOOSE报文进行IP封装，生成并存储IP报文；第一排序发送桶22将IP报文按照封装序号排序后经由所述隧道接口发送至IP网络。之后，该IP报文可经由VLAN201进入IP网络30，并经IP网络30发送至解封装存储桶41。该解封装存储桶41接收来自所述IP网络的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，并存储解封装得到的GOOSE报文。第二排序发送桶42根据该GOOSE报文的目的MAC地址及配置VID在预先存储的重映射列表内查找到相对应的目的VLAN(例如，VLAN102)，并将GOOSE报文发送至该目的VLAN。位于该目的VLAN内的IED 50接收所述GOOSE报文。藉此，可实现位于IP网络30一侧的中心控制站10发出的GOOSE报文至位于IP网络30另一侧的VLAN102内的IED 50的传输。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种智能电网跨广域网的GOOSE报文传输系统，其特征在于，该传输系统包括发送端和接收端，其中，所述发送端包括相互连接的封装存储桶及第一排序发送桶，所述接收端包括相互连接的解封装存储桶及第二排序发送桶，
封装存储桶，用于接收GOOSE报文，对该GOOSE报文进行通用路由GRE封装，生成一表明GOOSE报文封装次序的封装序号，并将该封装序号写入GRE报头，之后对该经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并保存该IP报文；
第一排序发送桶，用于将所述封装存储桶中的IP报文按照封装序号排序后发送至IP网络；
解封装存储桶，用于接收来自所述IP网络的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，并存储解封装得到的GOOSE报文；以及
第二排序发送桶，用于将所述解封装存储桶中的GOOSE报文按照封装序号排序后发送至一个或多个位于变电站内的智能电子设备。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述封装存储桶在接收所述GOOSE报文之后，读取该GOOSE报文的目的MAC地址和/或源VLAN信息，在预先存储的绑定列表内查找与该目的MAC地址和/或源VLAN信息相对应的隧道接口，根据该隧道接口的目的IP地址对所述经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并保存IP报文，
所述第一排序发送桶将所述IP报文按照封装序号排序后经由所述隧道接口发送至所述IP网络，
其中，所述隧道接口所对应的目的IP地址为单播IP地址或组播IP地址，该单播IP地址或组播IP地址是可配置的。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述封装存储桶在所述预先存储的绑定列表内查找所述隧道接口与所述目的MAC地址之间的绑定模式，并在该模式为一预定模式时，在所述GOOSE报文的源VLAN内转发所述GOOSE报文。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的系统，其特征在于，其中所述封装存储桶还用于在对经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装时，将所述GOOSE报文的传输优先级映射至所生成的IP报文内定义该IP报文的传输优先级的字段。
5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的系统，其特征在于，其中所述第二排序发送桶还用于判断排序后的GOOSE报文对应的封装序号是否连续，当判断不连续时向所述第一排序发送桶发送IP报文重传请求；
所述第一排序发送桶还用于在接收到所述第二排序发送桶发送的IP报文重传请求时，重新发送自身保存的相应排序后的IP报文。
6.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的系统，其特征在于，所述第二排序发送桶还用于读取所述GOOSE报文的目的MAC地址及配置VLAN标识号VID，
在该配置VID为零时，将所述IP报文的入VLAN的ID设置为该配置VID，在预先存储的重映射列表内查找与所述目的MAC地址及配置VID相对应的一个或多个目的VLAN，并将所述GOOSE报文发送至该一个或多个目的VLAN；
在该配置VID不为零时，于所述预先存储的重映射列表内查找与所述目的MAC地址及配置VID相对应的一个或多个目的VLAN，并将所述GOOSE报文发送至该一个或多个目的VLAN。
7.一种智能电网跨广域网的GOOSE报文传输方法，其特征在于，该方法包括：
GOOSE报文发送步骤：发送端接收GOOSE报文，对该GOOSE报文进行通用路由GRE封装，生成一表明GOOSE报文封装次序的封装序号，并将该封装序号写入GRE报头，之后对该经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并保存该IP报文，并将该IP报文按照封装序号排序后发送至IP网络；
GOOSE报文接收步骤：接收端接收来自所述IP网络的IP报文，对该IP报文进行IP解封装及GRE解封装得到GOOSE报文，存储解封装得到的GOOSE报文，并将该GOOSE报文按照封装序号排序后发送至一个或多个位于变电站内的智能电子设备。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述GOOSE报文发送步骤包括：
所述发送端读取该GOOSE报文的目的MAC地址和/或源VLAN信息，在预先存储的绑定列表内查找与该目的MAC地址和/或源VLAN信息相对应的隧道接口，根据该隧道接口的目的IP地址对所述经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装，生成并存储所述IP报文，
并将按照封装序号排序后的IP报文经由所述隧道接口发送至所述IP网络，
其中，所述隧道接口所对应的目的IP地址为单播IP地址或组播IP地址，该单播IP地址或组播IP地址是可配置的。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述GOOSE报文发送步骤还包括：
所述发送端在所述预先存储的绑定列表内查找所述隧道接口与所述目的MAC地址之间的绑定模式，并在该模式为一预定模式时，在所述GOOSE报文的源VLAN内转发所述GOOSE报文。
10.根据权利要求7-9中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述GOOSE报文发送步骤还包括：
所述发送端在对经GRE封装后的GOOSE报文进行IP封装时，将所述GOOSE报文的传输优先级映射至所生成的IP报文内定义该IP报文的传输优先级的字段。
11.根据权利要求7-9中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
所述接收端判断排序后的GOOSE报文对应的封装序号是否连续，当判断不连续时向所述发送端发送IP报文重传请求；
所述发送端接收到所述IP报文重传请求时，重新发送自身保存的相应排序后的IP报文。
12.根据权利要求7-9中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述GOOSE报文接收步骤包括：
所述接收端在对所述IP报文进行解封装及GRE解封装得到GOOSE报文之后，读取所述GOOSE报文的目的MAC地址及配置VLAN标识号VID，
在该配置VID为零时，将所述IP报文的入VLAN的ID设置为该配置VID，在预先存储的重映射列表内查找与所述目的MAC地址及配置VID相对应的一个或多个目的VLAN，并将所述GOOSE报文发送至该一个或多个目的VLAN；
在该配置VID不为零时，于所述预先存储的重映射列表内查找与所述目的MAC地址及配置VID相对应的一个或多个目的VLAN，并将所述GOOSE报文发送至该一个或多个目的VLAN。
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