何穎，潘莉麗，李華峰，楊淑婷，何旭

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710000；2.大唐陜西發(fā)電有限公司，陜西 西安 710000）

GOOSE技術(shù)在繼電保護(hù)中應(yīng)用的研究

何穎1，潘莉麗1，李華峰1，楊淑婷1，何旭2

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710000；2.大唐陜西發(fā)電有限公司，陜西 西安 710000）

對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的報文快速傳輸機(jī)制（GOOSE）進(jìn)行深入研究?；贗EC61850標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用GOOSE快速報文機(jī)制，使用GOOSE報文來傳送啟動、合閘、跳閘、閉鎖等實(shí)時信號，通過信息共享的方式來提高數(shù)字化保護(hù)的可靠性和選擇性進(jìn)行理論分析和實(shí)際應(yīng)用研究，并分析了GOOSE報文機(jī)制的實(shí)時性、可靠性和安全性，對其中存在的諸多問題進(jìn)行探討并提出相應(yīng)措施加以解決。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)；GOOSE報文機(jī)制；數(shù)字化變電站；繼電保護(hù)

GOOSE信息交換使用的是發(fā)布者/訂閱者機(jī)制[1-3]，這個機(jī)制能夠在全系統(tǒng)范圍內(nèi)快速可靠地輸入輸出并自動分布數(shù)據(jù)，GOOSE技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成為數(shù)字化變電站技術(shù)發(fā)展的重要研究手段。從我國目前的實(shí)際情況來看GOOSE技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要是在數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)領(lǐng)域，以傳輸簡單的位串、布爾型數(shù)據(jù)為主。變電站中一系列的簡單動作，例如：跳閘、合閘、允許、閉鎖、啟動等，以及刀閘、斷路器的位置信號都由GOOSE報文傳輸。GOOSE報文傳輸能夠保證變電站事件在間隔層內(nèi)部、間隔層與過程層、間隔層與變電站層之間高速傳輸。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)必須滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性的要求。其中繼電保護(hù)的量測和保護(hù)通信系統(tǒng)是與選擇性和靈敏性相關(guān)的，而GOOSE報文技術(shù)則主要影響的是繼電保護(hù)的速動性和可靠性。GOOSE報文技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱笪?，因此兼具網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性、安全性、可靠性等許多特點(diǎn)，而GOOSE報文的這些特點(diǎn)包含了繼電保護(hù)中對于速動性和可靠性的要求，能夠很好地應(yīng)用于繼電保護(hù)。

1 實(shí)時性分析

關(guān)于報文傳輸延時在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的第5部分有所定義，如圖1所示。

圖1 傳輸時間定義Fig.1 Definition of the transmission time

在實(shí)際運(yùn)行中，裝置的通信處理方式以及處理能力決定了GOOSE報文發(fā)送和接收的延時。在設(shè)計(jì)保護(hù)裝置時，針對這一情況，要考慮當(dāng)網(wǎng)絡(luò)在最大傳輸極限工作時所產(chǎn)生的傳輸延時，尤其是接收的延時，要考慮在固定時間內(nèi)當(dāng)按照傳輸極限來接收GOOSE報文時，由于接收量過大，會引起網(wǎng)口溢出的情況而產(chǎn)生延時過長或報文丟失的現(xiàn)象。此外，還要避免其他的GOOSE多播報文時對網(wǎng)口所產(chǎn)生的沖擊。具體分析，GOOSE報文傳輸時，存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時TSF、交換延時TSW、光纜傳輸延時TWL、交換機(jī)幀排隊(duì)延時等造成網(wǎng)絡(luò)傳輸延時TQ，上述4項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時都是固定的時間，而當(dāng)發(fā)生幀沖突時采用排隊(duì)方式進(jìn)行傳輸所產(chǎn)生的延時具有不確定性。以最壞的情況來進(jìn)行考慮，即假設(shè)交換機(jī)（共K個端口）的一個端口同時接收到其他所有的K-1個端口發(fā)送的報文，這時所需要的等待時間最長。不考慮幀間的時間間隔，則最長的排隊(duì)延時為最后一名排隊(duì)者約為（K-1）TSF，最短排隊(duì)延時為第一個端口，不需要等待延時時間為0，則所有排隊(duì)等待端口的平均等待延時為（K-1）TSF/2。

根據(jù)上面對網(wǎng)絡(luò)傳輸延時的分析，可計(jì)算得到由N個交換機(jī)進(jìn)行的通信傳輸，所需要的延時TALL為：

式中：TWLA為報文傳輸?shù)目偣饫|傳輸延時。

繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的延時為3 ms，而計(jì)算的極端情況下的網(wǎng)絡(luò)傳輸延時已超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不滿足要求。不過，上述假設(shè)的是傳輸時最極端的情況，但實(shí)際的操作過程中，保護(hù)傳輸?shù)男畔⒘亢苄?，GOOSE報文一般控制在300 B以內(nèi)，因此延時一般可以控制在3 ms以內(nèi)。綜上所述，我們可以采取以下方法來減少網(wǎng)絡(luò)輸出的延時。

1）為了保障在發(fā)生故障時重要的報文能夠優(yōu)先傳輸，通過采用分級的傳輸機(jī)制，級別高的報文優(yōu)先傳輸，減少其排隊(duì)等待時間；與此同時，將GOOSE報文也按照重要程度進(jìn)行劃分。

2）為了防止GOOSE網(wǎng)傳播時，報文在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行廣播發(fā)送，而使得網(wǎng)絡(luò)的帶寬被大幅度占用的情況發(fā)生，對VLAN進(jìn)行合理規(guī)劃，并對多播過濾機(jī)制進(jìn)行完善，這樣能夠有效地減少優(yōu)先級別相同的報文的排隊(duì)等待延時TQ。

3）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為總線形或環(huán)形時，對級聯(lián)的交換機(jī)配置，為了考慮網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，需要盡可能減少其數(shù)量。采用星形接線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，任意2個節(jié)點(diǎn)之間的距離最短，報文之間發(fā)生沖突的概率最低，但網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模應(yīng)該盡可能小，最好不要超過2層。

4）對交換機(jī)分配進(jìn)行合理規(guī)劃，為了盡量減少交換機(jī)之間數(shù)據(jù)交換次數(shù)和數(shù)量，最好能夠?qū)⒙?lián)系密切的同一間隔內(nèi)的繼電保護(hù)裝置連接在同一臺交換機(jī)上。

2 可靠性分析

采用GOOSE報文的保護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)相比，由于需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所以它的可靠性與網(wǎng)絡(luò)能否連續(xù)無故障地進(jìn)行工作（即網(wǎng)絡(luò)可靠性）息息相關(guān)。對于網(wǎng)絡(luò)可靠性的保證主要是從鏈路、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等幾方面來實(shí)現(xiàn)的[4]。對于鏈路層來說，可靠性主要是表現(xiàn)在如何對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠的傳送，極力避免信息的干擾、丟失以及信息順序不正確等問題的發(fā)生。為了提高可靠性，一般將物理層中可能出現(xiàn)錯誤的物理連接替換為數(shù)據(jù)鏈路，這樣只要邏輯鏈路的邏輯沒有差錯，其對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層就可以視為無差錯的線路。對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面，要想提高可靠性，除了使用可靠性更好的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，也可以利用功能冗余來提高整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一臺設(shè)備發(fā)生故障時，由于存在一定的冗余能力，所以網(wǎng)絡(luò)的其他設(shè)備能夠補(bǔ)充故障推出設(shè)備的功能，來避免發(fā)生整個網(wǎng)絡(luò)因?yàn)橐慌_設(shè)備故障就癱瘓的情況。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性也起到了很關(guān)鍵的作用。實(shí)際中一般為了提高可靠性都采用網(wǎng)絡(luò)冗余的方法，其中對一些較為重要的網(wǎng)絡(luò)會使用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)來滿足其對可靠性的要求。

在多種冗余方式中最常采用的是任意一個鏈路或交換機(jī)發(fā)生故障后網(wǎng)絡(luò)仍可正常工作的雙網(wǎng)冗余。但由于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并沒有制定相應(yīng)的冗余機(jī)制，實(shí)際的工程中一般都采用自主開發(fā)的協(xié)定[5]。為保證通信傳遞的實(shí)時性，GOOSE的雙網(wǎng)不能采用一網(wǎng)工作另一網(wǎng)備用的形式，而必須要雙網(wǎng)同時工作，來避免網(wǎng)絡(luò)切換時所帶來的時間差。所以雙網(wǎng)冗余方式會使裝置的通信程序更加復(fù)雜，也無法消除一些網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重故障所帶來的影響，并且雙網(wǎng)冗余由于采用兩套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將會使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本費(fèi)用增加1倍。

繼電保護(hù)雙重化按照設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，包括保護(hù)裝置的雙重化及保護(hù)配合回路的雙重化。保護(hù)裝置按照雙重化原則配置時，保護(hù)及其回路之間不應(yīng)有直接的電氣聯(lián)系而應(yīng)當(dāng)完全相互獨(dú)立。采用GOOSE報文傳輸時，可以將雙重化原則用到網(wǎng)絡(luò)配置中來，即保護(hù)裝置及其網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)有直接的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而應(yīng)當(dāng)完全獨(dú)立。按照雙重化原則配置的保護(hù)裝置將與網(wǎng)絡(luò)之間完全獨(dú)立運(yùn)行，這樣可以防止當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的任意一臺保護(hù)裝置、一條鏈路或一個交換機(jī)發(fā)生故障時會因?yàn)榕c保護(hù)直接連接而導(dǎo)致保護(hù)的功能失效情況的發(fā)生，可靠性較高。但這樣配置，需要將傳統(tǒng)鏈接中一些如開關(guān)失靈及重合閘等沒有必要進(jìn)行雙重化的保護(hù)設(shè)備，也進(jìn)行雙重化配置。結(jié)果會使保護(hù)裝置的費(fèi)用增加，還使得在保護(hù)配置時，需要考慮由于雙重化帶來的自動重合閘可能發(fā)生的二次重合等問題。

3 安全性分析

對于安全性方面，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)并沒有對變電站網(wǎng)絡(luò)做任何的規(guī)定。電力系統(tǒng)是一個要求高安全穩(wěn)定性和可靠性的系統(tǒng)，而數(shù)字化變電站采用的是統(tǒng)一的、開放的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)的無邊界性、開放性和高自主性使得電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題成為諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。在解決網(wǎng)絡(luò)安全問題時，首先要考慮如何把保護(hù)的通信網(wǎng)絡(luò)從開放的、無邊界的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變成可控制、可管理的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。必須將通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立出來，這樣信息網(wǎng)絡(luò)的安全性才能得以實(shí)現(xiàn)。與此同時，在考慮網(wǎng)絡(luò)安全性基礎(chǔ)上，還需要將人工因素對網(wǎng)絡(luò)安全性的影響考慮進(jìn)來。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在我國220 kV及以上系統(tǒng)繼電保護(hù)不正確動作次數(shù)當(dāng)中有50%是由于人工因素造成的[6]。綜合考慮造成網(wǎng)絡(luò)不安全的各種因素，為提高GOOSE網(wǎng)絡(luò)安全性應(yīng)采取以下幾個方面措施。

1）確立保護(hù)專用GOOSE網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則

變電站對外通信主要有遠(yuǎn)動通信、故障信息通信與辦公自動化的MIS網(wǎng)絡(luò)3種方式。為了使保護(hù)有專用的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)將保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)動通信、MIS網(wǎng)、故障信息系統(tǒng)相獨(dú)立。對于這一點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)保護(hù)專用的GOOSE網(wǎng)絡(luò)，即GOOSE網(wǎng)的GOOSE報文不通過交換機(jī)與故障信息系統(tǒng)及遠(yuǎn)動通信相聯(lián)系而只提供給相關(guān)保護(hù)使用。

2）GOOSE網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)考慮運(yùn)行、檢修和擴(kuò)建等情況的安全性

電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)一般會按間隔配置，具有一定的特殊性，各個間隔之間通常聯(lián)系較少甚至沒有直接的聯(lián)系，而母線則與母線上所有間隔都有信號聯(lián)系。這些信號數(shù)據(jù)與繼電保護(hù)配置和一次接線方式密切相關(guān)。因此，在配置交換機(jī)和劃分VLAN時可以按照間隔來分散地進(jìn)行。這樣可以使大部分的GOOSE多播報文在只與本間隔相關(guān)的交換機(jī)內(nèi)進(jìn)行傳輸。

4 結(jié)論

本文對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的GOOSE技術(shù)進(jìn)行深入研究，為了滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)選擇性、速動性、靈敏性和可靠性等要求，本文對GOOSE技術(shù)從實(shí)時性、可靠性、安全性3個維度展開分析。GOOSE報文的發(fā)送和接受延時取決于裝置的通信處理方式以及處理能力，本文提出采用分級、多播過濾的傳輸機(jī)制，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和交換機(jī)分配方式，使其達(dá)到GOOSE技術(shù)的實(shí)時性要求；通過提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，采用多種冗余方式實(shí)現(xiàn)GOOSE技術(shù)的可靠性要求；通過提高專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則保障GOOSE技術(shù)的安全運(yùn)行。GOOSE技術(shù)在繼電保護(hù)中的日益應(yīng)用，有很多相關(guān)內(nèi)容都未進(jìn)行詳細(xì)的探討和研究，這些將是我們未來研究的方向和動力。

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Application of G00SE in Relay Protection

HE Ying1，PAN Lili1，LI Huafeng1，YANG Shuting1，HE Xu2
（1.State Grid Xi’an electric Power Supply Company，Xi’an 710000，Shaanxi，China；2.Shaanxi Branch of China Datang Corporation，Xi’an 710000，Shaanxi，China）

This paper presents an in-depth study on the fast transmission mechanism（GOOSE）of messages in the IEC61850 standard，and based on the IEC61850 standard，and by application of GOOSE fast message mechanism，the GOOSE message is used to send to real-time signals of starting，switching，tripping，1ocking，and through information sharing the reliability and selectivity of the digital relay system is improved. The paper also studies the real-time，reliability and security of the GOOSE message mechanism and discusses some problems existing therein and proposes the corresponding measures accordingly.

2015-03-01。

何 穎（1980），男，工程師，碩士，從事繼電保護(hù)及自動化方面的工作。

（編輯 徐花榮）

1674-3814（2015）08-0047-03

TM734

A

KEY W0RDS：IEC61850 standard；GOOSE message mechanism；digital substation；relay protection