GOOSE協(xié)議及其在系統(tǒng)完整性保護(hù)方案中的應(yīng)用

GOOSE協(xié)議及其在系統(tǒng)完整性保護(hù)方案中的應(yīng)用摘要：IEC61850標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的下一步是擴(kuò)展其在變電站外的應(yīng)用，它改進(jìn)了許多其功能，以便更好用于智能電網(wǎng)。本文討論了R-GOOSE消息的定義、與傳統(tǒng)GOOSE的區(qū)別及其在系統(tǒng)完整性保護(hù)方案中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：IEC61850；智能電網(wǎng)；R-GOOSE；GOOSE；IED；SIP；引言近十年來，因?yàn)镚OOSE（通用面向?qū)ο笞冸娬臼录┫⑦@一特點(diǎn)使IEC61850被確定為智能電網(wǎng)的基本技術(shù)和核心要素。它支持IED（多功能智能電子設(shè)備）之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信，滿足保護(hù)和自動(dòng)化所需的高速性能要求。但它最初設(shè)計(jì)卻是變電站內(nèi)通過局域網(wǎng)使用的不可路由消息。用于變電站保護(hù)的GOOSE消息對廣域保護(hù)系統(tǒng)中的IED來說非常具有吸引力。本文首先介紹了可路由GOOSE（R-GOOSE）的概念，然后討論了它在廣域保護(hù)和控制中的應(yīng)用。即使GOOSE消息已經(jīng)用于變電站外的保護(hù)和自動(dòng)化應(yīng)用，但它們通過廣域網(wǎng)傳輸使它們?nèi)菀资艿骄W(wǎng)絡(luò)攻擊。為了解決這些問題，IECTC57第10工作組編制了IEC6185090-5，其中定義了廣域網(wǎng)上同步相量和GOOSE的通信。通信基于完整的七層OSI堆棧，采用TCP/UDP廣播。本文還根據(jù)IEC62351標(biāo)準(zhǔn)中的定義描述了端到端網(wǎng)絡(luò)安全的使用。安全點(diǎn)對點(diǎn)通信允許在分布式廣域保護(hù)系統(tǒng)中使用R-GOOSE消息，現(xiàn)場IED和廣域保護(hù)系統(tǒng)控制器之間的雙向信息交換，用于監(jiān)測電力系統(tǒng)，以及執(zhí)行隔離故障區(qū)段和維持電網(wǎng)穩(wěn)定所需的操作。1、系統(tǒng)完整性保護(hù)方案系統(tǒng)完整性保護(hù)方案（SIP）是一種分布式系統(tǒng)。它基于電力系統(tǒng)中不同變電站或饋線上的IED之間的信息和控制信號(hào)交換。通過不同的高級(jí)保護(hù)和控制功能，在保持電力系統(tǒng)的可靠性方面起著非常關(guān)鍵的作用，例如：系統(tǒng)重新配置自適應(yīng)保護(hù)設(shè)置控制分布式能源控制負(fù)荷管理甩負(fù)荷由于其起著關(guān)鍵作用，所以在投入使用之前必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏y試是非常重要的。SIP包含了系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)和操作三種主要功能，其中“系統(tǒng)監(jiān)控”的功能是檢測電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化、系統(tǒng)負(fù)載的變化和發(fā)電量的變化。“保護(hù)”功能是確定上述任何變化或其組合是否對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。如果存在局部或廣域干擾的可能性，則需要做出決定并發(fā)送信號(hào)，以便采取必要的措施防止干擾或至少限制事件的影響。“操作”的功能是接收來自SIP的信號(hào)并在本地執(zhí)行所需的動(dòng)作。SIP可以是簡單的，也可以是復(fù)雜的，根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，層次結(jié)構(gòu)中的級(jí)別數(shù)不同。一個(gè)多級(jí)SIPS系統(tǒng)一般使用IED作為系統(tǒng)監(jiān)控和操作設(shè)備。并且這樣大范圍的保護(hù)系統(tǒng)需要不同類型的通信接口，每種通信接口可以基于不同的協(xié)議并且使用不同類型的通信鏈路。IEC61850正在發(fā)揮越來越重要的作用，因?yàn)槠湓诟咚贁?shù)據(jù)傳輸和點(diǎn)對點(diǎn)信息的優(yōu)勢在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。如電流、電壓、有功和無功功率測量，同步相量測量，監(jiān)測與輸電線路、變壓器和發(fā)電機(jī)相關(guān)的斷路器的狀態(tài)。以及操作斷路器或其他開關(guān)設(shè)備。2、GOOSE和R-GOOSE的對比GOOSE消息使用三層堆棧和MAC多廣播協(xié)議，專為點(diǎn)對點(diǎn)變電站通信而設(shè)計(jì)。點(diǎn)對點(diǎn)是IEC61850的基礎(chǔ)特征通信類型，是該標(biāo)準(zhǔn)的顯著特點(diǎn)之一，對保護(hù)和控制非常有優(yōu)勢。與主/從通信方式不同，連接到變電站通信網(wǎng)絡(luò)的任意對IED都具有同等的信息交換權(quán)力，基于IEC61850的保護(hù)和控制系統(tǒng)中的高速點(diǎn)對點(diǎn)通信采用了一種專門設(shè)計(jì)的方法來滿足各種要求。非常重要的是，GSE模型的概念不是基于命令，而是基于特定變電站事件已發(fā)生的函數(shù)的發(fā)送指示。它使用無連接的發(fā)布者-訂閱者通信機(jī)制，旨在支持不同設(shè)備或應(yīng)用程序之間的可靠高速通信，并允許通過通信消息交換替換設(shè)備之間的硬接線信號(hào)，同時(shí)改進(jìn)保護(hù)、自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的功能。該模型包括一些可用于提高系統(tǒng)可靠性和可用性的功能，同時(shí)在供應(yīng)商的實(shí)施中正確使用這些特性將減少維護(hù)并提高系統(tǒng)的靈活性。雖然最初GOOSE是為變電站通信而開發(fā)的，但由于它的諸多優(yōu)異特性，所以有必要將其用于變電站到變電站或廣域通信。為了理解變電站GOOSE和廣域GOOSE之間的區(qū)別，我們需要研究通用變電站事件模型的一些細(xì)節(jié)。GSE方法可以看作是一種邏輯設(shè)備上報(bào)的機(jī)制，因此速度性能、可用性和可靠性是否能實(shí)現(xiàn)取決于設(shè)備的性能。GOOSE消息中的數(shù)據(jù)是定義為數(shù)據(jù)集成員的數(shù)據(jù)屬性值的集合,接收器從本地緩沖區(qū)讀取值,發(fā)布服務(wù)器中的GSE控制用于控制進(jìn)程，如果至少一個(gè)數(shù)據(jù)屬性的值已經(jīng)改變，則發(fā)布者的傳輸緩沖器用本地服務(wù)“PUBLISH”更新，并且用GOOSE消息傳輸這些值。發(fā)布者/訂閱者機(jī)制允許源IED到達(dá)多個(gè)接收IED，從而顯著提高通信接口的效率。在變電站通信網(wǎng)絡(luò)中，這是基于在以太網(wǎng)中使用MAC多播目標(biāo)地址。GOOSE消息包含的信息使接收設(shè)備不僅可以知道狀態(tài)已更改，還可以知道上次狀態(tài)更改的時(shí)間。這允許接收設(shè)備設(shè)置與給定事件相關(guān)的本地計(jì)時(shí)器。同時(shí)，重復(fù)機(jī)制允許對通信接口進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，這在傳統(tǒng)的硬接線系統(tǒng)中是不可能的。狀態(tài)號(hào)和序列號(hào)可用于檢測入侵，從而顯著提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性，而無需加密或其他網(wǎng)絡(luò)安全方法。IEC61850第2版中定義的GOOSE控制塊類包括定義點(diǎn)對點(diǎn)通信的屬性，并且與邏輯設(shè)備相關(guān)。IEC6185090-5中定義的R-GOOSE控制塊的Dst地址為UDPCOMMADR。它支持同時(shí)使用IPv4和IPv6地址的屬性。如前所述，GOOSE消息的內(nèi)容允許接收設(shè)備執(zhí)行數(shù)據(jù)處理以執(zhí)行所需的動(dòng)作。根據(jù)接收IED的設(shè)置，GOOSE用戶將向其應(yīng)用程序報(bào)告模擬消息的值，而不是“真實(shí)”消息，這并不適用于需要通過廣域網(wǎng)發(fā)送的消息。因此IEC6185090-5根據(jù)IEEEC37.118使用IEC61850傳輸同步相量信息，選擇UDP/IP作為通過任意大距離傳輸數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。因特網(wǎng)協(xié)議（IP）是第3層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層在數(shù)據(jù)鏈路層之上增加了路由的概念，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，將檢查每幀中包含的源地址和目標(biāo)地址，以確定數(shù)據(jù)是否已到達(dá)其最終目的地。如果這是“真”的，那么第3層將數(shù)據(jù)格式化為傳送到傳輸層的數(shù)據(jù)包。IP允許在任何距離的不同網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包。用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）是傳輸層4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。TCP是一種面向連接的協(xié)議，需要首先在客戶端和服務(wù)器之間建立通信，而UDP是無連接的，這使得它更適合GOOSE通信。UDP網(wǎng)絡(luò)流量以數(shù)據(jù)包的形式組織，一個(gè)數(shù)據(jù)包包括一個(gè)消息單元。數(shù)據(jù)包的前8個(gè)字節(jié)包含報(bào)頭信息，其余字節(jié)包含消息數(shù)據(jù)。UDP校驗(yàn)和保護(hù)消息數(shù)據(jù)不被篡改。校驗(yàn)和值表示數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)的編碼，首先由發(fā)送方計(jì)算，然后由接收方計(jì)算。如果校驗(yàn)和不匹配，UDP協(xié)議會(huì)檢測到傳輸過程中數(shù)據(jù)是否被篡改或損壞。在UDP中，校驗(yàn)和是可選的而TCP是必需的。IEEEC37.118協(xié)議的許多實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，使用UDP傳輸同步相量數(shù)據(jù)是一種行之有效的方法。3、R-GOOSE在SIPS中的應(yīng)用R-GOOSE在SIPS中有多種應(yīng)用，特別是當(dāng)它們基于無線通信技術(shù)時(shí)可以為廣域分布式應(yīng)用帶來一些顯著的益處。IEC6185090-5和IEC62351中定義的網(wǎng)絡(luò)安全特性所提供高級(jí)別的安全性正是SIPS的關(guān)鍵要求。R-GOOSE可用于分層SIP中的垂直和水平通信,以下是R-GOOSE通信在SIPS中的一些主要應(yīng)用：基于模擬R-GOOSE在SIPS的本地監(jiān)控元件和SIPS層次結(jié)構(gòu)的更高級(jí)別之間交換負(fù)載和潮流信息基于R-GOOSE在SIPS的本地監(jiān)控元件和SIPS層次結(jié)構(gòu)的更高級(jí)別之間交換斷路器和開關(guān)狀態(tài)信息在基于R-GOOSE和模擬R-GOOSE的SIPS層次結(jié)構(gòu)的更高級(jí)別之間交換聚合負(fù)載、潮流和狀態(tài)信息基于R-GOOSE在SIPS層次結(jié)構(gòu)的更高級(jí)別和本地執(zhí)行元件之間交換跳閘和控制信號(hào)4、結(jié)論R-GOOSE是智能電網(wǎng)SIPS開發(fā)的保護(hù)和控制工程師提供的工具庫的重要補(bǔ)充,它允許開發(fā)和實(shí)施基于高速對等通信的系統(tǒng)完整性保護(hù)方案，從而提高電網(wǎng)的可靠性。參考文獻(xiàn)[1]IECTR618507-2:2010變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第7-2