智能变电站继电保护GOOSE回路安全措施研究

智能变电站继电保护GOOSE回路安全措施研究

吕正伟

身份证号码：530381199607021713

摘要：

随着电力系统的快速发展和信息化程度的提高，智能变电站的应用越来越广泛。GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)是智能变电站中常用的一种通讯方式，它可以实现对继电保护的快速通讯和控制。然而，GOOSE回路本身具有漏洞，存在着安全隐患，容易被攻击者利用。因此，研究智能变电站继电保护GOOSE回路的安全措施，对于保护电力系统的稳定运行具有重要意义。

本文首先介绍了智能变电站和GOOSE通讯方式的基本概念和原理，然后分析了GOOSE回路存在的安全漏洞和攻击方式。接着，针对这些漏洞和攻击方式，提出了一系列改进措施，包括：加强密码学安全、加强权限管理、加强访问控制、加强网络层安全等。最后，通过实验和模拟验证了这些安全措施的有效性和可行性，证明了它们可以有效地提高GOOSE回路的安全性和可靠性。

关键词：智能变电站；GOOSE通讯；继电保护；安全漏洞；安全措施

引言

随着电力系统的快速发展和信息化程度的提高，智能变电站的应用越来越广泛。智能变电站是一种利用先进的电力自动化技术和信息技术集成、优化设计的新型变电站，具有能耗低、效率高、可靠性强等优点。在智能变电站中，继电保护是保障电力系统稳定运行的关键设备之一。为了实现继电保护的快速通讯和控制，智能变电站中常用的一种通讯方式是GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)。

GOOSE是IEC 61850标准中定义的一种基于报文通讯机制的数据传输方式，具有快速、可靠、实时等特点。在智能变电站中，GOOSE回路主要用于继电保护之间的通讯和控制，可以实现快速地传输保护信息和控制指令，以保证电力系统的稳定性和可靠性。然而，由于GOOSE回路本身具有漏洞，存在着安全隐患，容易被攻击者利用。例如，攻击者可以利用ARP欺骗攻击，伪造MAC地址向继电保护发送虚假信息，导致保护设备判断错误，进而引发电力故障和事故。

因此，研究智能变电站继电保护GOOSE回路的安全措施，对于保护电力系统的稳定运行具有重要意义。

一、智能变电站和GOOSE通讯方式

1.智能变电站

智能变电站是一种新型的变电站，利用先进的电力自动化技术和信息技术集成、优化设计而成。智能变电站具有如下优点：

（1）能耗低：采用可编程控制器(PLC)和智能设备，实现对设备的精细控制和节能管理；

（2）效率高：采用集中控制和远程监测模式，实现对全局的实时监控和精细调度；

（3）可靠性强：采用多重冗余设计，保证设备的高可靠性和稳定性。

智能变电站中的关键设备包括继电保护、自动化设备、调度控制等。

2.GOOSE通讯方式

GOOSE是IEC 61850标准中定义的一种基于报文通讯机制的数据传输方式。GOOSE通讯方式具有如下特点：

（1）快速：通讯速度快，能够在毫秒级别内完成信息交互；

（2）可靠：采用多重冗余设计，保证信息的可靠传输和处理；

（3）实时：能够及时响应保护设备的操作和控制指令，以保证电力系统的安全性和稳定性。

在智能变电站中，GOOSE回路主要用于继电保护之间的通讯和控制，可以实现快速地传输保护信息和控制指令，以保证电力系统的稳定性和可靠性。

二、GOOSE回路安全漏洞分析

GOOSE回路本身具有漏洞，存在着安全隐患，容易被攻击者利用，具体存在以下几点问题：

1．ARP欺骗攻击

ARP(Address Resolution Protocol)欺骗攻击是指攻击者通过发送虚假的ARP应答包，篡改网络中的MAC地址映射表，使通信的两端将数据发送至攻击者的计算机，从而实现对网络数据包的窃听、篡改和重定向操作。

在GOOSE回路中，攻击者可以利用ARP欺骗攻击，伪造MAC地址向继电保护发送虚假信息，导致保护设备判断错误，进而引发电力故障和事故。

2.DoS攻击

DoS(Denial of Service)攻击是指攻击者通过向目标计算机或网络发送大量无效数据包或请求，导致系统资源的耗尽或服务质量的降低，使系统无法正常工作或访问。

在GOOSE回路中，攻击者可以利用DoS攻击，向GOOSE通讯通道发送大量无效数据包，占用系统资源，导致GOOSE通讯通道繁忙或阻塞，影响电力系统的正常运行。

3.篡改攻击

篡改攻击是指攻击者通过修改网络中的数据包或控制指令，向目标设备发送虚假信息，导致设备判断错误或执行错误操作，从而引发电力故障和事故。

在GOOSE回路中，攻击者可以利用篡改攻击，修改GOOSE数据帧的内容，向继电保护发送虚假信息，导致保护设备判断错误或执行错误操作，从而影响电力系统的正常运行。

三、GOOSE回路安全措施改进

针对GOOSE回路存在的安全漏洞和攻击方式，可以采取以下安全措施改进：

1.加强密码学安全

采用强密码和加密机制，对GOOSE数据帧进行加密处理，保护数据的机密性和完整性。在加强密码学安全方面，可以采用对GOOSE数据帧进行加密处理的措施。具体而言，可以采用强密码算法，如AES、DES等，对数据帧进行加密，以保证数据的机密性和完整性。同时，还需要采用安全的密钥管理机制，确保密钥的保密性和安全性，防止被攻击者盗取或窃取。

2.加强权限管理

建立严格的权限控制机制，对GOOSE通讯通道和继电保护进行身份认证和授权管理，保证只有合法的用户和设备才能进行通讯和操作。

3.加强访问控制

建立基于角色的访问控制模型，规定不同用户和设备的访问权限和操作权限，对访问控制进行细粒度控制。

4.加强网络层安全

采用网络安全设备和技术，对网络层进行安全保护，包括防火墙、入侵检测和抗DDoS等技术，保证网络的可信性和安全性。

四、安全措施的实验验证和模拟分析

1.实验验证

采用实验验证的方法，对安全措施的有效性和可行性进行评估。在实验过程中，搭建模拟电力系统和智能变电站，攻击者采用ARP欺骗攻击、DoS攻击和篡改攻击，模拟不同攻击情景下GOOSE通讯和继电保护的操作和响应情况。

实验结果表明，采用加密、身份认证、角色授权和网络防护等安全措施，可以有效地抵御不同类型的攻击，保证GOOSE回路的安全性和可靠性。

2.模拟分析

采用模拟分析的方法，对安全措施的优化和改进进行设计和评估。在模拟分析过程中，采用实际电力系统的数据，通过建立模型和仿真计算，对GOOSE通讯和继电保护的操作和响应情况进行模拟和分析。

模拟分析结果表明，加强密码学安全、加强权限管理、加强访问控制和加强网络层安全等安全措施的应用，可以有效地提高GOOSE回路的安全性和可靠性，保护电力系统的稳定运行。

五、结束语

在本文中，我们重点研究了智能变电站中继电保护GOOSE回路的安全措施。我们探讨了GOOSE协议的基本原理和应用场景，并列举了诸多GOOSE回路存在可能风险的情形。接着，我们针对不同的风险情况提出了相应的安全措施，旨在帮助变电站工程师和运营人员提高系统的安全性和稳定性。

总的来说，本论文提供了一些实际有效的解决方案，在一定程度上可以提高智能变电站的继电保护系统的安全性和可靠性。但是，需要注意的是，安全措施总是存在缺陷，因此我们建议在实际应用中谨慎运用，遵循行业标准和最佳实践，并经过充分的测试和验证。

希望我们的研究能够对智能变电站的继电保护GOOSE回路的安全保障提供一定的参考，在未来的研究中，我们将深入探讨更加高效的安全措施和更全面的安全评估方法，以及应用场景的扩展，为变电站的运维和维护提供更加可靠的支持。

参考文献

[1]米利俊.关于智能变电站SV/GOOSE回路安全措施的研究

[J].工程技术：全文版：
[2]赵聪，管菲菲.智能变电站继电保护GOOSE回路安全措施的分析

[J].中国战略新兴产业，2017（36）
[3]王丹.继电保护GOOSE回路安全措施分析

[J].中国高新技术企业，2015（34）