数字化变电站GOOSE网络跳闸可靠性风险分析

摘要：文章从数字化变电站GOOSE网络通信原理出发，介绍了其报文传输可靠性满足数字化变电站的技术要求，在详细分析了GOOSE网络跳闸可靠性的影响因素以及安全性后，提出了一些提高GOOSE网络应用可靠性的措施。

关键词：数字化变电站；GOOSE报文；网络跳闸；网络结构；冗余方式

中图分类号：TM764 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）34-0128-03

数字化变电站是建设智能电网的基础，是国家电网建设的重点发展方向。在数字化变电站的技术水平不断提高的清况下，运行维护的水平也需要相应的提高。因此，如何在现有的数字化变电站方案基础上提高GOOSE报文的可靠性至关重要。针对数字化变电站中GOOSE网络可能出现的故障进行可靠性风险分析，可以为解决这些异常行为提出可行性方案，进而提出提高其可靠性的措施。

一、GOOSE通信简介

GOOSE服务是一种以替代传统的智能电子设备之间硬接线的网络数字通信方式，是以高速P2P通信为基础的。它的出现给整个数字化变电站IEC61850逻辑节点间的通信以及跳闸保护提供了新的可靠、高效和快速的方法。

GOOSE通信的快速、可靠、实时性得益于多方面的原因。一方面是它用的交换式以太网技术比较先进，为了保证传输报文的实时性，具有正优先级的标志虚拟技术也应用到其中。另一方面，是它的传输服务在应用层至表示层经编码后，不用经过传输层和网络层，而是直接映射到物理层和数据链路层。这样做，可以在一定程度上加速并使报文的解码、封装等过程得到简化。此外，为了保证接收侧能够收到消息并验证执行预期的操作，其消息报文中还包含数据有效性检查和消息的丢失、检查、重发机制所需各种信息。在IEC61850中提到的传送实时保护跳闸信号和间隔闭锁的应用方面，GOOSE网络的实时性和可靠性作用明显。

IEC61850标准中，对采样值的传输主要有三种协议：IEC61850-9-1/2，IEC60044-8。GOOSE网络主要实现的是对开关量和跳闸信号的传输。它们在报文的内容、结构和状态信息方面都有详细规定。在发送方和接收方都按照标准来实施的前提下，当系统出现故障时，接收方就能够迅速发现和报警。同时，预先设置的处理方法如闭锁保护等就会进行相应的处理。以下，结合笔者的工程实践来进行说明。

在某数字化变电站中，相应的开关量是通过GOOSE报文方式送出，接收装置可能是保护装置或测控装置。这些装置要解析所收到的报文，并通过人机界面把解析结果显示给用户。在对GOOSE网络组成的智能操作回路诊断后发现，整个回路的组成包括：保护装置、智能操作箱、光纤交换机等，如图1所示：

在数字化变电站中，传输开关量和跳闸信号等信息主要是通过GOOSE网络来实现的，其采用的是者/订阅者机制。基于信息的重要性，为了保证GOOSE网络较高的实时性和准确性，就要加上严格的校验措施来满足其准确性。然而，这样做又势必会影响到发送方的处理效率以及接收方的解析效率。为了解决这个问题，GOOSE网络采用了多播重发机制来同时兼顾信息传递的可靠性和准确性。当事件发生时，就立刻发送GOOSE报文，为了增加准确性，还要在一定时间后重发这条报文，亦可重发若干次。接收方可以根据这些信息，来判断GOOSE报文的可靠性和准确性。

二、GOOSE网络跳闸可靠性分析

与传统的继电保护装置相比，数字化变电站中采用GOOSE网络保护系统的可靠性主要与网络结构、冗余方式等有关。

（一）网络结构

以太网的基本结构主要有三种形式：总线形、星形和环形结构。总线形的优点是布线容易，是通过简单串接多台交换机组成的；其缺点就是处于总线中的任何一台交换机发生故障都会引起两边的通信中断，造成可靠性较低。星形结构则是任意两点之间通信线路最短，然而，缺点就是布线较多。与此同时，如果根交换机发生故障，将会使所有子交换机之间的通信受到影响，甚至中断。对此，可以根据变电站一次结构的特点，通过合理地布置交换机的方式来降低交换机或者链路故障对整个网络的影响，使其仅仅局限于单个线路。环形结构的特点是，其在正常工作情况下有一个逻辑断点，并且该逻辑断点会自动愈合当其它链路发生中断时。所以说，环形网络具有一定的冗余能力。该冗余能力能使其任意一根交换机连线中断或者任意一台交换机发生故障时不会影响到其他交换机互通信息的功能。目前，很多的以太网交换机生产厂商通过运用自主研发的私有协议来实现更快的自愈合速度。但是，在实际中，某些私有协议却是使其产生环网风暴的危险因素，从而影响到了信息的可

靠性。

此外，较为复杂的网络结构还有包括网状形结构以及各种复合型结构形式等，但是由于它们都相对比较复杂，满足不了继电保护快速、可靠的性能要求。在上述3种基本结构中，环形结构的可靠性最高，因为其具有一定的冗余能力；星形结构在交换机分配合理的情况下，可靠性其次；总线形结构的可靠性在三者当中是最差的。

（二）冗余方式

双网冗余是冗余方式中最常见的一种，它能够保证在链路或者任意一台交换机发生故障后网络工作仍然正常。但是，在IEC61850标准中，并没有规定其冗余机制。在实际工程应用中，为保证其实时性，可以采用一定的私有协定。为了减少网络切换带来的时间差，GOOSE双网必须同时进行工作而不是只有主设备工作。所以说，双网冗余使得装置通信程序的复杂程度增加了，并且也很难消除网络风暴等严重的网络故障对其的影响。此外，双网冗余还增加了网络设备的投资，使其投资额将近翻了一番。

根据继电保护的设计要求，继电保护双重化主要有两种，即保护配合回路（包括通道）的双重化和保护装置的双重化。对于双重化配置的回路和保护装置，不该存在直接的电气联系，而要将它们完全独立起来。把这原则应用到GOOSE网络的网络配置中，即在保证其网络没有直接联系的情况下，将双重化的网络连接和保护装置独立起来。这样做是为了保证在任意一台交换机、保护装置或者任意一条链路发生故障，甚至是网络风暴等严重故障使保护功能失效时，双重化保护网络与装置仍然能够独立安全地运行，从而提高了其可靠性。但是，这样做就需要把传统设计中不需要双重化的部分（如开关失灵以及重合闸等）进行保护，并且进行双重化配置。这样做不仅增加了保护装置的投资，而且还要考虑到在双重化运行中自动重合闸可能会发生二次重合等情况。

三、GOOSE网络安全性分析

在数字化变电站中，继电保护的安全性主要是由不误动的可靠性来体现的。继电保护的设计应考虑如运行、扩建和检修等情况的安全性。此外，在采用GOOSE网络时，对网络交换机分配模式的影响仍然要进行考虑。考虑到数字化变电站中电力系统的继电保护有按间隔配置的特殊性，间隔之间信号的联系较少，甚至于没有信号之间的联系，而母线和母线上所有的间隔之间都存在着信号的联系。这些信号量和继电保护配置以及一次接线方式的关系比较密切，由此，可以按照间隔分散来配置交换机，对VLAN进行划分，对于大部分只和本间隔有联系的GOOSE多播报文在本间隔交换机内进行信息传输。

与集中组屏配置相比较，按间隔分散配置交换机不仅容易隔离间隔间多播报文，提高系统运行的安全性，同时也有利于继电保护的检修和扩建。在进行间隔检修时，只需要把母线交换机到间隔交换机的连接断开就可以了。在进行间隔扩建时，要先把间隔内的保护调试完毕，然后才能把间隔交换机接入到母线交换机中进行调试。这种方式无论是检修还是扩建，它的安全性都比较可靠，而且措施实行比较简便。

同时，按分散配置还一定程度上减小了单台交换机故障对整个系统造成的影响，提高了保护系统的可靠性。缺点就是，这样的配置方式会增加交换机的数量，却使得单母线或双母线间隔内的装置数量很少。

四、提高GOOSE网络应用可靠性措施

GOOSE网络结构的选择是提高继电保护的重要外因，而相关功能执行的主体――保护装置则是体现其应用性能的内因。所以说，在数字化变电站中，采取适合的网络保护GOOSE网络跳闸可靠性的信息传递是非常重要的，而提高各项软硬件性能的措施则是其中的关键。这些措施可以归结为以下几点：

1．保护装置的保护GOOSE专用网络报文的接口要独立于MMS报文接口。为了提高信号处理的实时性，可以将该网络接口直接与保护DSP相连。

2．为了确保数据传输不丢失，保护装置应具有双重化的光纤口用来连接独立的300SE双网。

3．只有在保护GOOSE板中检查到有效的保护起动信号后，才能发送保护动作跳闸GOOSE信号。否则，始终默认这些信号为“0”。

4．保护装置要对接收到的GOOSE报文多播地址进行严格检查。

5．可以在装置没有收到预期的GOOSE报文时，通过后台的人机界面报相应GOOSE断链报警信息，以此来提示用户对相关链路进行检查。

五、结语

数字化变电站区别与传统变电站的重要标志就是其GOOSE网络的应用，分析GOOSE报文传输可靠性则是其中的重要技术难点。本文通过对GOOSE网络报文的可靠性、安全性进行分析，提出了一些能够提高GOOSE网络应用可靠性的措施，具有一定的借鉴

意义。

参考文献

[1] 高翔．智能变电站应用技术[M]．北京：中国电力出版社，2008．

[2] 任燕铭，秦立军，杨奇逊．变电站自动化系统通信网络的国际标准简介[J]．供用电，2000，17（5）．

[3] 张沛超，高翔．数字化变电站系统结构[J]．电网技术，2006，30（24）．

[4] 李小滨，韩明峰．GOOSE实时通信的分析与实现[J]．电力系统保护与控制，2009，（10）．