基于IEC61850的智能变电站GOOSE组网跳闸方式的分析

基于IEC61850的智能变电站GOOSE组网跳闸方式的分析

王睿

（广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山528000）

摘要：依据中国南方电网和国家电网智能变电站继电保护技术规范，智能变电站继电保护GOOSE分别采用“组网”和“直跳”两种模式，区别是经或不经交换机进行信息处理。网跳可能存在着数据丢包造成断路器拒动风险，而直跳存在着光口和光缆过多，配置复杂，运行维护不变等问题。本文主要针对智能变电站继电保护GOOSE组网跳闸进行简要分析。

关键词：智能变电站；IEC61850；GOOSE网络；组网跳闸

近年来，在国家政策的支持下，电网建设投资力度也在逐年增加，使电网规模不断壮大，同时，电网系统建设也越来越复杂，传统后备保护的整定配合越来越困难，难以适应现在电网的发展需求。随着智能电网的发展，建立高效、安全、环保、灵活多变的电力系统成为主要的运行发展模式。因此，在智能电网的模式下，继电保护是提高电力系统继电保护性能、适应智能电网发展的一条可研究道路。

一、智能变电站继电保护网络跳闸关键技术分析

从当下国家电网的智能变电站继电保护的发展模式来看，“直采直跳”是其主要模式，但是由于这一方式在应用过程中，存在着设备维修困难等问题，可能导致对供电的平稳性产生一定影响，使继电保护无法发挥应有作用。在利用GOOSE过程中，通过对网跳进行测试，可以有效地提升网跳的安全性，保证智能变电站继电保护取得更好地效果。

在进行智能变电站继电保护网络跳闸关键技术分析过程中，我们要注重对装置发送和接收GOOSE报文的干扰性问题予以明确，这可能导致继电保护出现延时，从而导致保护装置无法发挥应有的性能。

对此，在继电保护过程中，就需要保证跳闸、启动和闭锁等信号进行有效地传输。这一过程中，网卡能否对无效的报文进行剔除，避免其占用CPU资源，导致报文处理时间减缓，直接关系到了网跳保护的功能是否会得到发挥。因此，智能变电站继电保护网络跳闸的关键技术在于，对网络环境进行相应的改善，通过设置交换机VLAN或是组播地址，对无效报文进行处理，从而提升信号传输的效率和信息处理速度，能够在第一时间对故障问题进行申报，使其能够快速解决。

继电保护过程中，主要采取了阵列FPGA协助CPU对报文进行处理，这一过程中，FPGA由开发者设计的方式发挥功能，其主要依靠硬件实现功能，这一过程中，需要保证FPGA具有较快的处理速度。一般来说，在使用FPGA处理报文时，GOOSE的报文速度为100Mbit/s，这可以保证报文处理具有较快的速度，能够对故障进行较好的分析。GOOSE报文处置过程中，FPGA会根据GOOSE的特点进行定制，并且为了避免无效报文占据带宽，需要对GOOSE控制模块的报文数量进行限制，可以设计16个报文/GOOSE模块。在这样的设计情况下，对应的配置为16个MAC、AppID、GOID等，在对GOOSE进行解码过程中，会将这些信息一同提交给GPU，从而保证报文信息能够被快速的读取。在对网络跳闸关键技术应用过程中，需要保证GOOSE文件具有较强的简洁性，并保证其带宽满足GOOSE数据传输需要，使FPGA在对信息处理时，能够对无效报文进行剔除，从而更好地实现继电保护功能。采取FPGA对GOOSE进行处理时，通过利用智能电子设备，提升了GOOSE的处理速度，使其在1ms范围内，对报文信息进行获取，进而保证系统快速执行命令。

二、两种跳闸方式优缺点的对比

在两种保护跳闸方式提出以后，对于其如何应用一直存有较大争议。结合现阶段智能变电站验收调试及投运后的现状，对于这两种方式的优缺点综合分析如下：

2.1GOOSE点对点跳闸

优点：跳闸命令的传输不依赖于网络，不需要经过交换机，不存在交换延时；跳闸命令能被可靠传输，减小了数据丢包造成的断路器拒动风险；（针对单间隔保护）光纤熔点少，相应减少了故障接点。

缺点：保护装置光口多，CPU的发热量增加，装置的故障几率稍有增加；增加了独立跳闸光缆，现场施工量增加；（针对多间隔保护，例如母线保护）光纤熔点多，相应故障接点多；不便于故障分析；装置、通道维护工作量增加；全寿命周期造价高。

2.2GOOSE网络跳闸

优点：光纤敷设量少，工程量小；（针对多间隔保护，例如母线保护）光纤熔点少，相应故障接点少；方便故障分析；全寿命周期造价低。

缺点：跳闸命令传输有中间环节；存在数据丢包造成断路器拒动风险；（针对单间隔保护）光纤熔点多，相应故障接点多；过程层交换机故障会导致多间隔断路器拒动。

从上面对比可以看出在经济性和建设、维护的工作量方面GOOSE网络跳闸方式有相对优势，而在关键性的指标，跳闸命令的可靠传输方面GOOSE点对点跳闸方式无疑具有很大优势。电力系统对继电保护有可靠性、速动性、选择性和灵敏性四个要求，尤以可靠性最为重要。因此，如何提高组网跳闸方式的可靠性是我们需要研究的问题。

三、GOOSE网络跳闸方案和约束条件

采用GOOSE网络跳闸模式时，应采取适当的方案和措施防止因网络问题降低保护动作的快速性和可靠性。

3.1网络方案

以太网工作时，报文在任意时刻只有一个物理传输路径（采用特殊技术的除外），这是保障交换机不发生“网络风暴”的关键，通常都是采用快速生成树协议（RSTP）将环路上某些链路切断，形成逻辑断点。但是这样的网络结构存在报文传输路径长，传输路径不确定，网络故障重构时间长等缺点。因此过程层网络宜采用星形结构，设计时应将同间隔装置连接到同一台交换机，减少报文传输路径。交换机还是要支持RSTP协议，防止工程中有人误将网络接成环路引起风暴。

变电站设计阶段给出合理的过程层交换机局域网规划，确保每个变电站网络落实局域网配置，尽可能减少或避免无效GOOSE背景报文对保护装置接收延时的影响。技术成熟时，可以推动采用动态组播注册协议（GMRP）实现组播报文自动划分，减少交换机人工配置和管理工作。

3.2约束条件

交换机是网络跳闸的核心，必须采用经权威部门测试过的工业以太网交换机。现阶段应采用技术成熟、功能简单（支持VLAN，RSTP及优先级传输）的交换机不宜采用支持精确时钟对时协议（PTP）等新技术的交换机。

合理的组态配置为网络跳闸提供良好的运行条件。工程配置时保护GOOSE报文采用最高优先级传输，测控等四遥报文采用低优先级，减少重要GOOSE报文的网络排队延时。保护装置不宜将“保护启动”等同时发生的信号放入GOOSE数据集，避免系统扰动时出现大量有效GOOSE背景报文影响装置接收延时。

四、GOOSE网络跳闸可靠性分析

4.1抗电磁干扰能力

过程层交换机均通过KEMA认证，按照IEC的标准要求，通过抗电磁干扰、抗电磁辐射等各项测试，能够保证在变电站的恶劣环境下稳定运行。

4.2抑制网络风暴能力

如果有非法装置接入网络，交换机的“未知单播地址抑制”功能可以起到很好的防御作用；如果网络中出现大量异常广播，交换机的“端口速率限制”功能可以有效防御。

4.3高负载处理能力

现在的过程层工业交换机采用存储/转发机制，并采用完全双工的连接，即使数据流量增加，延时也不会明显增加。由此可见随着技术的逐步发展，GOOSE网络跳闸方式可靠性，关键在于保证跳闸命令传输的可靠性和实时性已能保证，满足电力系统对继电保护跳闸方式的要求。

结语

GOOSE报文传输延时中，装置的报文发送和接收延时占大部分，网络传输延时仅占很小部分，与网跳相比，直跳并没有快速性优势。网跳方式物理接线简单，简化设计、安装、调试、运行和维护，从而提高了运维的安全性，而直跳比传统电缆连接并无优势。通过合理的入网检测，促使厂家提升装置的性能，确保继电保护系统性能。

参考文献

[1]韩本帅,王倩,孙中尉,林泽源,崔海鹏.智能变电站继电保护跳闸实现方式研究[J].中国电力,2012.

[2]侯伟宏,裘愉涛,吴振杰,吴靖.智能变电站继电保护GOOSE回路安全措施研究[J].中国电力,2014.