GOOSE技术在继电保护中应用的研究

何颖，潘莉丽，李华峰，杨淑婷，何旭

（1.国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西 西安 710000；2.大唐陕西发电有限公司，陕西 西安 710000）

GOOSE技术在继电保护中应用的研究

何颖1，潘莉丽1，李华峰1，杨淑婷1，何旭2

（1.国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西 西安 710000；2.大唐陕西发电有限公司，陕西 西安 710000）

对IEC61850标准中的报文快速传输机制（GOOSE）进行深入研究。基于IEC61850标准，应用GOOSE快速报文机制，使用GOOSE报文来传送启动、合闸、跳闸、闭锁等实时信号，通过信息共享的方式来提高数字化保护的可靠性和选择性进行理论分析和实际应用研究，并分析了GOOSE报文机制的实时性、可靠性和安全性，对其中存在的诸多问题进行探讨并提出相应措施加以解决。

IEC61850标准；GOOSE报文机制；数字化变电站；继电保护

GOOSE信息交换使用的是发布者/订阅者机制[1-3]，这个机制能够在全系统范围内快速可靠地输入输出并自动分布数据，GOOSE技术应用已经成为数字化变电站技术发展的重要研究手段。从我国目前的实际情况来看GOOSE技术的实际应用主要是在数字化变电站的继电保护领域，以传输简单的位串、布尔型数据为主。变电站中一系列的简单动作，例如：跳闸、合闸、允许、闭锁、启动等，以及刀闸、断路器的位置信号都由GOOSE报文传输。GOOSE报文传输能够保证变电站事件在间隔层内部、间隔层与过程层、间隔层与变电站层之间高速传输。电力系统继电保护必须满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性的要求。其中继电保护的量测和保护通信系统是与选择性和灵敏性相关的，而GOOSE报文技术则主要影响的是继电保护的速动性和可靠性。GOOSE报文技术是基于网络传输的报文，因此兼具网络实时性、安全性、可靠性等许多特点，而GOOSE报文的这些特点包含了继电保护中对于速动性和可靠性的要求，能够很好地应用于继电保护。

1 实时性分析

关于报文传输延时在IEC 61850标准的第5部分有所定义，如图1所示。

图1 传输时间定义Fig.1 Definition of the transmission time

在实际运行中，装置的通信处理方式以及处理能力决定了GOOSE报文发送和接收的延时。在设计保护装置时，针对这一情况，要考虑当网络在最大传输极限工作时所产生的传输延时，尤其是接收的延时，要考虑在固定时间内当按照传输极限来接收GOOSE报文时，由于接收量过大，会引起网口溢出的情况而产生延时过长或报文丢失的现象。此外，还要避免其他的GOOSE多播报文时对网口所产生的冲击。具体分析，GOOSE报文传输时，存储转发延时TSF、交换延时TSW、光缆传输延时TWL、交换机帧排队延时等造成网络传输延时TQ，上述4项网络传输延时都是固定的时间，而当发生帧冲突时采用排队方式进行传输所产生的延时具有不确定性。以最坏的情况来进行考虑，即假设交换机（共K个端口）的一个端口同时接收到其他所有的K-1个端口发送的报文，这时所需要的等待时间最长。不考虑帧间的时间间隔，则最长的排队延时为最后一名排队者约为（K-1）TSF，最短排队延时为第一个端口，不需要等待延时时间为0，则所有排队等待端口的平均等待延时为（K-1）TSF/2。

根据上面对网络传输延时的分析，可计算得到由N个交换机进行的通信传输，所需要的延时TALL为：

式中：TWLA为报文传输的总光缆传输延时。

继电保护标准规定的延时为3 ms，而计算的极端情况下的网络传输延时已超过标准规定，不满足要求。不过，上述假设的是传输时最极端的情况，但实际的操作过程中，保护传输的信息量很小，GOOSE报文一般控制在300 B以内，因此延时一般可以控制在3 ms以内。综上所述，我们可以采取以下方法来减少网络输出的延时。

1）为了保障在发生故障时重要的报文能够优先传输，通过采用分级的传输机制，级别高的报文优先传输，减少其排队等待时间；与此同时，将GOOSE报文也按照重要程度进行划分。

2）为了防止GOOSE网传播时，报文在网络中进行广播发送，而使得网络的带宽被大幅度占用的情况发生，对VLAN进行合理规划，并对多播过滤机制进行完善，这样能够有效地减少优先级别相同的报文的排队等待延时TQ。

3）当网络的结构为总线形或环形时，对级联的交换机配置，为了考虑网络稳定性，需要尽可能减少其数量。采用星形接线的网络结构，任意2个节点之间的距离最短，报文之间发生冲突的概率最低，但网络的规模应该尽可能小，最好不要超过2层。

4）对交换机分配进行合理规划，为了尽量减少交换机之间数据交换次数和数量，最好能够将联系密切的同一间隔内的继电保护装置连接在同一台交换机上。

2 可靠性分析

采用GOOSE报文的保护系统与传统的继电保护相比，由于需要通过网络进行数据传输，所以它的可靠性与网络能否连续无故障地进行工作（即网络可靠性）息息相关。对于网络可靠性的保证主要是从链路、网络设备以及网络拓扑结构等几方面来实现的[4]。对于链路层来说，可靠性主要是表现在如何对网络中的数据进行可靠的传送，极力避免信息的干扰、丢失以及信息顺序不正确等问题的发生。为了提高可靠性，一般将物理层中可能出现错误的物理连接替换为数据链路，这样只要逻辑链路的逻辑没有差错，其对应的网络层就可以视为无差错的线路。对于网络设备方面，要想提高可靠性，除了使用可靠性更好的网络设备外，也可以利用功能冗余来提高整个网络的可靠性。当网络中的一台设备发生故障时，由于存在一定的冗余能力，所以网络的其他设备能够补充故障推出设备的功能，来避免发生整个网络因为一台设备故障就瘫痪的情况。网络的拓扑结构对保证网络的可靠性也起到了很关键的作用。实际中一般为了提高可靠性都采用网络冗余的方法，其中对一些较为重要的网络会使用双网结构来满足其对可靠性的要求。

在多种冗余方式中最常采用的是任意一个链路或交换机发生故障后网络仍可正常工作的双网冗余。但由于IEC 61850标准并没有制定相应的冗余机制，实际的工程中一般都采用自主开发的协定[5]。为保证通信传递的实时性，GOOSE的双网不能采用一网工作另一网备用的形式，而必须要双网同时工作，来避免网络切换时所带来的时间差。所以双网冗余方式会使装置的通信程序更加复杂，也无法消除一些网络严重故障所带来的影响，并且双网冗余由于采用两套网络设备，将会使网络设备的成本费用增加1倍。

继电保护双重化按照设计规范中的规定，包括保护装置的双重化及保护配合回路的双重化。保护装置按照双重化原则配置时，保护及其回路之间不应有直接的电气联系而应当完全相互独立。采用GOOSE报文传输时，可以将双重化原则用到网络配置中来，即保护装置及其网络不应有直接的网络联系而应当完全独立。按照双重化原则配置的保护装置将与网络之间完全独立运行，这样可以防止当网络中的任意一台保护装置、一条链路或一个交换机发生故障时会因为与保护直接连接而导致保护的功能失效情况的发生，可靠性较高。但这样配置，需要将传统链接中一些如开关失灵及重合闸等没有必要进行双重化的保护设备，也进行双重化配置。结果会使保护装置的费用增加，还使得在保护配置时，需要考虑由于双重化带来的自动重合闸可能发生的二次重合等问题。

3 安全性分析

对于安全性方面，IEC 61850标准并没有对变电站网络做任何的规定。电力系统是一个要求高安全稳定性和可靠性的系统，而数字化变电站采用的是统一的、开放的网络技术，网络的无边界性、开放性和高自主性使得电力系统的网络安全问题成为诸多学者关注的焦点。在解决网络安全问题时，首先要考虑如何把保护的通信网络从开放的、无边界的互联网络变成可控制、可管理的内部网络。必须将通信网络独立出来，这样信息网络的安全性才能得以实现。与此同时，在考虑网络安全性基础上，还需要将人工因素对网络安全性的影响考虑进来。据统计数据显示，在我国220 kV及以上系统继电保护不正确动作次数当中有50%是由于人工因素造成的[6]。综合考虑造成网络不安全的各种因素，为提高GOOSE网络安全性应采取以下几个方面措施。

1）确立保护专用GOOSE网络的设计原则

变电站对外通信主要有远动通信、故障信息通信与办公自动化的MIS网络3种方式。为了使保护有专用的网络，应将保护的网络与远动通信、MIS网、故障信息系统相独立。对于这一点，可以设计保护专用的GOOSE网络，即GOOSE网的GOOSE报文不通过交换机与故障信息系统及远动通信相联系而只提供给相关保护使用。

2）GOOSE网络设计考虑运行、检修和扩建等情况的安全性

电力系统的继电保护一般会按间隔配置，具有一定的特殊性，各个间隔之间通常联系较少甚至没有直接的联系，而母线则与母线上所有间隔都有信号联系。这些信号数据与继电保护配置和一次接线方式密切相关。因此，在配置交换机和划分VLAN时可以按照间隔来分散地进行。这样可以使大部分的GOOSE多播报文在只与本间隔相关的交换机内进行传输。

4 结论

本文对IEC61850标准中的GOOSE技术进行深入研究，为了满足电力系统继电保护选择性、速动性、灵敏性和可靠性等要求，本文对GOOSE技术从实时性、可靠性、安全性3个维度展开分析。GOOSE报文的发送和接受延时取决于装置的通信处理方式以及处理能力，本文提出采用分级、多播过滤的传输机制，规划网络结构和交换机分配方式，使其达到GOOSE技术的实时性要求；通过提高网络可靠性，采用多种冗余方式实现GOOSE技术的可靠性要求；通过提高专用网络设计原则保障GOOSE技术的安全运行。GOOSE技术在继电保护中的日益应用，有很多相关内容都未进行详细的探讨和研究，这些将是我们未来研究的方向和动力。

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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 颖（1980），男，工程师，硕士，从事继电保护及自动化方面的工作。

（编辑 徐花荣）

1674-3814（2015）08-0047-03

TM734

A

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