GOOSE协议及其在系统完整性保护方案中的应用

GOOSE协议及其在系统完整性保护方案中的应用摘要：IEC61850标准发展的下一步是扩展其在变电站外的应用，它改进了许多其功能，以便更好用于智能电网。本文讨论了R-GOOSE消息的定义、与传统GOOSE的区别及其在系统完整性保护方案中的应用。关键词：IEC61850；智能电网；R-GOOSE；GOOSE；IED；SIP；引言近十年来，因为GOOSE（通用面向对象变电站事件）消息这一特点使IEC61850被确定为智能电网的基本技术和核心要素。它支持IED（多功能智能电子设备）之间的点对点通信，满足保护和自动化所需的高速性能要求。但它最初设计却是变电站内通过局域网使用的不可路由消息。用于变电站保护的GOOSE消息对广域保护系统中的IED来说非常具有吸引力。本文首先介绍了可路由GOOSE（R-GOOSE）的概念，然后讨论了它在广域保护和控制中的应用。即使GOOSE消息已经用于变电站外的保护和自动化应用，但它们通过广域网传输使它们容易受到网络攻击。为了解决这些问题，IECTC57第10工作组编制了IEC6185090-5，其中定义了广域网上同步相量和GOOSE的通信。通信基于完整的七层OSI堆栈，采用TCP/UDP广播。本文还根据IEC62351标准中的定义描述了端到端网络安全的使用。安全点对点通信允许在分布式广域保护系统中使用R-GOOSE消息，现场IED和广域保护系统控制器之间的双向信息交换，用于监测电力系统，以及执行隔离故障区段和维持电网稳定所需的操作。1、系统完整性保护方案系统完整性保护方案（SIP）是一种分布式系统。它基于电力系统中不同变电站或馈线上的IED之间的信息和控制信号交换。通过不同的高级保护和控制功能，在保持电力系统的可靠性方面起着非常关键的作用，例如：系统重新配置自适应保护设置控制分布式能源控制负荷管理甩负荷由于其起着关键作用，所以在投入使用之前必须经过适当的测试是非常重要的。SIP包含了系统监控、保护和操作三种主要功能，其中“系统监控”的功能是检测电力系统拓扑结构的变化、系统负载的变化和发电量的变化。“保护”功能是确定上述任何变化或其组合是否对电力系统的稳定性构成威胁。如果存在局部或广域干扰的可能性，则需要做出决定并发送信号，以便采取必要的措施防止干扰或至少限制事件的影响。“操作”的功能是接收来自SIP的信号并在本地执行所需的动作。SIP可以是简单的，也可以是复杂的，根据系统的复杂程度，层次结构中的级别数不同。一个多级SIPS系统一般使用IED作为系统监控和操作设备。并且这样大范围的保护系统需要不同类型的通信接口，每种通信接口可以基于不同的协议并且使用不同类型的通信链路。IEC61850正在发挥越来越重要的作用，因为其在高速数据传输和点对点信息的优势在智能电网系统中起着关键作用。如电流、电压、有功和无功功率测量，同步相量测量，监测与输电线路、变压器和发电机相关的断路器的状态。以及操作断路器或其他开关设备。2、GOOSE和R-GOOSE的对比GOOSE消息使用三层堆栈和MAC多广播协议，专为点对点变电站通信而设计。点对点是IEC61850的基础特征通信类型，是该标准的显著特点之一，对保护和控制非常有优势。与主/从通信方式不同，连接到变电站通信网络的任意对IED都具有同等的信息交换权力，基于IEC61850的保护和控制系统中的高速点对点通信采用了一种专门设计的方法来满足各种要求。非常重要的是，GSE模型的概念不是基于命令，而是基于特定变电站事件已发生的函数的发送指示。它使用无连接的发布者-订阅者通信机制，旨在支持不同设备或应用程序之间的可靠高速通信，并允许通过通信消息交换替换设备之间的硬接线信号，同时改进保护、自动化和控制系统的功能。该模型包括一些可用于提高系统可靠性和可用性的功能，同时在供应商的实施中正确使用这些特性将减少维护并提高系统的灵活性。虽然最初GOOSE是为变电站通信而开发的，但由于它的诸多优异特性，所以有必要将其用于变电站到变电站或广域通信。为了理解变电站GOOSE和广域GOOSE之间的区别，我们需要研究通用变电站事件模型的一些细节。GSE方法可以看作是一种逻辑设备上报的机制，因此速度性能、可用性和可靠性是否能实现取决于设备的性能。GOOSE消息中的数据是定义为数据集成员的数据属性值的集合,接收器从本地缓冲区读取值,发布服务器中的GSE控制用于控制进程，如果至少一个数据属性的值已经改变，则发布者的传输缓冲器用本地服务“PUBLISH”更新，并且用GOOSE消息传输这些值。发布者/订阅者机制允许源IED到达多个接收IED，从而显着提高通信接口的效率。在变电站通信网络中，这是基于在以太网中使用MAC多播目标地址。GOOSE消息包含的信息使接收设备不仅可以知道状态已更改，还可以知道上次状态更改的时间。这允许接收设备设置与给定事件相关的本地计时器。同时，重复机制允许对通信接口进行连续监控，这在传统的硬接线系统中是不可能的。状态号和序列号可用于检测入侵，从而显著提高系统的网络安全性，而无需加密或其他网络安全方法。IEC61850第2版中定义的GOOSE控制块类包括定义点对点通信的属性，并且与逻辑设备相关。IEC6185090-5中定义的R-GOOSE控制块的Dst地址为UDPCOMMADR。它支持同时使用IPv4和IPv6地址的属性。如前所述，GOOSE消息的内容允许接收设备执行数据处理以执行所需的动作。根据接收IED的设置，GOOSE用户将向其应用程序报告模拟消息的值，而不是“真实”消息，这并不适用于需要通过广域网发送的消息。因此IEC6185090-5根据IEEEC37.118使用IEC61850传输同步相量信息，选择UDP/IP作为通过任意大距离传输数据的选项。因特网协议（IP）是第3层协议，网络层在数据链路层之上增加了路由的概念，当数据到达网络层时，将检查每帧中包含的源地址和目标地址，以确定数据是否已到达其最终目的地。如果这是“真”的，那么第3层将数据格式化为传送到传输层的数据包。IP允许在任何距离的不同网络之间路由数据包。用户数据报协议（UDP）是传输层4网络协议。TCP是一种面向连接的协议，需要首先在客户端和服务器之间建立通信，而UDP是无连接的，这使得它更适合GOOSE通信。UDP网络流量以数据包的形式组织，一个数据包包括一个消息单元。数据包的前8个字节包含报头信息，其余字节包含消息数据。UDP校验和保护消息数据不被篡改。校验和值表示数据报数据的编码，首先由发送方计算，然后由接收方计算。如果校验和不匹配，UDP协议会检测到传输过程中数据是否被篡改或损坏。在UDP中，校验和是可选的而TCP是必需的。IEEEC37.118协议的许多实际应用证实，使用UDP传输同步相量数据是一种行之有效的方法。3、R-GOOSE在SIPS中的应用R-GOOSE在SIPS中有多种应用，特别是当它们基于无线通信技术时可以为广域分布式应用带来一些显著的益处。IEC6185090-5和IEC62351中定义的网络安全特性所提供高级别的安全性正是SIPS的关键要求。R-GOOSE可用于分层SIP中的垂直和水平通信,以下是R-GOOSE通信在SIPS中的一些主要应用：基于模拟R-GOOSE在SIPS的本地监控元件和SIPS层次结构的更高级别之间交换负载和潮流信息基于R-GOOSE在SIPS的本地监控元件和SIPS层次结构的更高级别之间交换断路器和开关状态信息在基于R-GOOSE和模拟R-GOOSE的SIPS层次结构的更高级别之间交换聚合负载、潮流和状态信息基于R-GOOSE在SIPS层次结构的更高级别和本地执行元件之间交换跳闸和控制信号4、结论R-GOOSE是智能电网SIPS开发的保护和控制工程师提供的工具库的重要补充,它允许开发和实施基于高速对等通信的系统完整性保护方案，从而提高电网的可靠性。参考文献[1]IECTR618507-2:2010变电站通信网络和系统第7-2