1 前言 控制与保护开关是新型的 低压电器产品，它涵盖了传统低压电器的许多功能，如断路器、接触器、过载保护继电器、 起动器、隔离器等。如今，控制与保护开关已经成为了电力自动化系统中不可或缺的设备。随着IEC61850国际标准的建立和推广，如今，该标准已经在智能电网中被广泛使用，低压电器行业也是IEC61850国际标准的重要应用领域之一，IEC61850国际标准对传统低压电器的发展产生了巨大的作用[1]。目前，在国内对此研究的相对较少，因此将控制与保护开关年接入符合IEC61850标准的智能电网中是势在必行的趋势。本文设计的基于GOOSE通讯协议的控制保护开关通讯模块，可以使控制保护开关实时的、任意的接入IEC61850电网中，其具有很高的学术研究值，工业应用前景也十分广阔。
1 前言
控制与保护开关是新型的
低压电器产品，它涵盖了传统低压电器的许多功能，如断路器、接触器、过载保护继电器、
起动器、隔离器等。如今，控制与保护开关已经成为了电力自动化系统中不可或缺的设备。随着IEC61850国际标准的建立和推广，如今，该标准已经在智能电网中被广泛使用，低压电器行业也是IEC61850国际标准的重要应用领域之一，IEC61850国际标准对传统低压电器的发展产生了巨大的作用[1]。目前，在国内对此研究的相对较少，因此将控制与保护开关年接入符合IEC61850标准的智能电网中是势在必行的趋势。本文设计的基于GOOSE通讯协议的控制保护开关通讯模块，可以使控制保护开关实时的、任意的接入IEC61850电网中，其具有很高的学术研究值，工业应用前景也十分广阔。
本文首先分析了IEC61850标准和GOOSE通讯规约，然后提出了控制与保护开关的设计方案，最后用某公司生产的SDMK1型控制与保护开关进行实验，验证了产品的正确性和可实施性。
2 IEC61850标准和GOOSE通讯协议
IEC61850是应用在智能电网中、负责变电站与调度中心之间以及各级调度中心之间的通讯协议。它要求数据传输具有实时性、稳定性，互操作性等特点。IEC61850的通讯模型分为三层，分别为站控层、间隔层和过程层[2]。其功能结构如图1所示。
在IEC61850系统中，不同的分层结构中使用不同的报文，负责不同通讯数据的传输。其中，GOOSE是IEC61850标准针对过程层中用于满足变电站自动化系统快速报文需求的一种机制,用来保证变电站事件(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、启动闭锁或解锁等需要快速传递信息的场合[2]。
根据IEC 61850规定的通讯标准，GOOSE通讯协议一共定义了五种服务，这五种特定服务分别为SendGOOSEMessage服务、GetGoReference服务、GetGOOSEElementNumber服务、GetGoCBValue服务以及SetGoCBValue服务。SendGOOSEMessage服务负责发送和接收GOOSE消息，而其它四种服务是基于在线的报文信息管理服务，在工业中通常使用离线的方式进行信息管理，所以本文对这四种服务不做研究。
3 通讯模块设计方案
本文采用嵌入式的理论方法，根据IEC61850的要求以及该产品要实现的功能，设计了如下方案。
3.1 嵌入式系统硬件平台的设计
为了功能的完善性与性能的稳定性，本文尽量采用相对简单的硬件核硬件电路设计。这样既满足了设计对产品功能实现的要求，又可以减少外部器件数量，增加硬件系统的稳定性，而且还能帮助客户缩短产品设计开发时间[3]。根据上述原则和要求，本文硬件电路如图2所示。
文本设计的协议转换器的硬件核心器件MPU模块采用了飞思卡尔公司生产的MPC8315E处理器。MPC8315E属于PowerQUICCⅡ系列处理器，主频分别为333MHz，性能稳定、运行速度快，可以满足本文对实时性的要求。硬件的存储单元的ROM采用8M byte的NOR FLASH，RAM采用128M的ddr2内存。外部电路设计包括二个千兆以太网口用来与同一个局域的IED完成双网传输；一个信号调理电路用来和控制保护本体通讯；一个复位电路用来在系统发生故障的时候使系统恢复到初始状态；一些备用的扩展设备（如JTAG接口、USB接口等）用于嵌入式系统的烧写和扩展。硬件电路通过上述模块之间的相互合作，使两种网络通讯连接在一起。
3.2 嵌入式系统选择以及驱动使用方案
（1）嵌入式系统方案
根据GOOSE报文传输机制的要求，本文采用实时性操作系统（RTOS)。常用的RTOS有Windows系统、Linux系统以及VxWorks等。本文通过对各种系统的价格、速度、可移植性以及系统的占用空间容量等因素综合考虑，最终采用Linux嵌入式系统作为本文的嵌入式系统，其内核版本为Linux2.6.29.6.
（2）内核驱动选择方案
GOOSE通讯模型始终快速报文传输服务（FMTS）完成数据的传输。如图3所示，与传统的TCP/IP网络模型不同，GOOSE通讯协议是将数据应用层直接映射到数据链路层的通讯协议，减少了数据中转时间，达到了快速传输要求。
由于Linux嵌入式系统只集成了一些基本的通讯协议（如TCP/IP协议、ARP协议等），没有快速报文传输服务的协议，因此，本文需要采用其它的内核驱动去实现快速报文传输服务。如图4所示，libpcap是unix/linux平台下的网络数据包捕获和发送函数包，它提供了与系统独立应用层的网络数据包捕获接口pcap_next_ex（）和发送接口pcap_sendpacket（），本文通过这两个接口直接从应用层接收和发送在数据链路层上的GOOSE报文。
3.3 嵌入式应用软件的实现
根据IEC61850对GOOSE报文的传输要求，本文设计的流程图如图5所示，本文将软件通讯系统分为四个功能模块。这四个功能模块分别为GOOSE控制块的定义（goCB）、程序的初始化initGoMsg(IGM)、接收GOOSE报文的recGoDat(RGD)、对负责发送报文的seGoMsg(SGM)。
（1）goCB的定义：根据IEC61850标准，本文将GOOSE控制块分为两部分。一部分是GOOSE报文头部，采用ARP报文形式定义；另外一部分是ADPU部分，内容为GOOSE控制块的引用名、GOOSE的标识符、数据集、GOOSE的ID等[4]。
（2）IGM的功能为：GOOSE控制模块的初始化、网口设备初始化、网口过滤条件设置以及基本参数初始化。
（3）RGD的功能为：按照GOOSE通讯协议的要求，对传到网卡的数据报文进行判断，对同一局域网的GOOSE报文进行接收。然后APDU编码部进行解析，判断数据是否需要，如果需要将需要数据按照要求传递控制与保护开关本体完成作业，否则丢弃数据。具体流程如图6所示。
（4）SGM的功能为：SGM采用按照心跳报文传输服务发送数据。心跳报文传输服务根据系统中的变电站配置语言SCL中的心跳报文，传输时间向上发送GOOSE报文。如图7所示，当无信息接收到的时候用固定的心跳报文时间t0，当数据传来的时候立即对报文响应，然后以较短的时间t传输。t1、t2的时间分别为t1的二倍和四倍。
4 实验及结果
为了验证通讯模块的功能，本文将某公司生产的SDMK1型生产的控制与保护开关作为开关本体，对产品的性能进行测试。本文使用一个由TP-LINK公司生产的TL-WR340G(+)路由器组成局域网的计算机为上位机平台，将控制与保护开关的千兆以太网口与该路由器相连。其中，上位机使用GOOSE模拟工具v1.0完成GOOSE的发送和接收；下位机可以根据Modbus指令执行动作，并可以返回当前状态报文。
实验过程为打开控制与保护开关，通过上位机对控制与保护开关发布命令。然后查看控制保护开关的状态以及返回数据，其中返回数据使用抓包软件wireshark进行查看。如图8所示，第13号报文为命令发布报文。当该报文发出后，控制保护开关立刻重新按照心跳报文模式传输数据。而控制与保护开关负责该命令的数据也发生了变化（如图9所示）。
5 结论
本文研究了IEC616850通讯协议体系的GOOSE报文的结构与收发，利用MPC8315芯片为核心，设计了基于GOOSE通讯协议控制与保护开关的通讯模块，该方案具有运行速度快、低成本、高可靠性等特点。该系统可以使控制与保护开关的主体设备投放到IEC61850智能电网中，填补了相关领域工程实施的空白。
