VPN技術在遠程供配電監控系統中的工程應用

劉 霞

（河北滄州師范學院計算機系，河北滄州 061001）

電力是現代工業生產的主要能源和動力，是人類現代文明的物質技術基礎。供配電技術是研究電力供應和分配的環節。供配電系統運行的安全可靠，對于保證企業生產和國民經濟的發展具有十分重要的作用。

供配電監控系統是保證電力供應的有效手段，它能夠對變電站內各用電設備進行監視和管理，是電能質量提高的基本保證。而近年來，隨著電力電子技術的不斷應用，各種高精度的設備也應用到了生產實踐當中。這些設備的自動化程度一般較高，因此，這些設備對電能質量和供電可靠性也提出了更高的要求。

變電站自動化監控系統是利用計算機軟硬件技術、網絡通信技術和自動化技術對在線運行的變電站全部設備進行實時監視、測量、保護、控制和管理的自動化系統。監控系統的存在，可以對設備的運行狀態進行有效地監控，以保證運行的可靠性和安全性[1]。

1 VPN技術要點及在監控系統中的應用分析

VPN的英文全稱是“Virtual Private Network”，就是“虛擬專用網絡”，是一種依靠ISP（Internet服務提供商）和其它NSP（網絡服務提供商），在公用網絡中建立專用數據通信網絡的技術。

變電站自動化監控系統具有兩種基本形式：一種是集中監控，一種是遠程監控。集中監控一般位于變電站比較集中的地方，利用局域網構建通信網絡，這種方式具有數據傳輸速率較高、控制命令執行迅速、系統安全性高等優點。但是集中監控的缺點也比較明顯，一方面是在每一個集中監控點都需要有值班人員，無法實現真正意義上的無人值守，另一方面是由于集中監控的每一個監控點無法了解其它的監控點的基本情況，無法協調整個區域內的供配電情況；遠程監控系統可以利用通信公網來實現變電站設備的監控，因此具有監控范圍廣且可有效實現協調等特征。但是由于公網的數據傳輸速率不高、安全性差等問題，使遠程監控的誤操作率大大增加。針對以上的問題，結合集中和遠程兩種方式的優點，構建基于局部集中，整體遠程的監控方式是一種最優的選擇。

局部集中、整體遠程的變電站監控方式需要借助兩種網絡來實現：一種是變電站監控局域網，而另一種是通信公網。這兩種網絡的結合不僅帶來了網絡的復雜性，還帶來了管理和安全性的問題。因此，利用VPN技術來實現這兩種網絡的數據傳輸，可有效地保證數據傳送的安全性，也可有效地降低傳輸費用。

VPN技術的核心是“利用IP機制在公共數據網絡上構建或仿真出一個私有的廣域網，以形成一條點到點的專線技術實現數據通信”。這里有兩個基本要點，一個是虛擬；另一個是專用。虛擬是指用戶不真正擁有實際的長途數據線路，而是借助于公共的Internet網絡進行長途數據傳輸；而所謂的專用，是指用戶可以利用VPN技術為自已制定出一個最符合自已需求的網絡。

目前，VPN技術主要分兩類，一類是基于MPLS（多協議標記交換）和L2TP（第二層隧道協議）等標準的VPN技術；另一種是基于IPSec的VPN技術。具體結構如圖1所示。由于第二種方式利用了隧道技術、加密技術、認證技術、密鑰技術等，所以可以簡單、方便地實現企業點到點安全、可靠的數據傳輸服務。

圖1 基于IPSec的VPN技術結構圖

2 基于VPN技術的供配電監控系統整體設計

供配電監控系統采用分層形式來實現，整體采用三層結構：第一層為現場控制層；第二層為通訊層；第三層為遠程監控中心層。具體結構如圖2所示。

現場控制層的主要功能是變配電站內各設備的數據采集與處理。這一環節是對供配電系統內各設備的電氣參數進行實時和定時的采集。所采集的設備參數主要有兩種：一種是模擬量，主要是各設備的電流、電壓、功率、頻率、溫度、環境等各種參數；另一種是數字量，主要有斷路器及各種隔離開關的位置信號、自動裝置信號、設備運行狀態信號等。在這兩種信號中，模擬量信息需要進行A/D模式的轉換后，與數字量一起，傳送至現場監控主機[2]。

圖2 監控系統整體結構圖

現場監控主機采用PC機來完成，PC機中設置小型數據庫，一方面可以對現場的采集數據進行合理性校驗、上下限比較，并為其他自動化系統的相應管理功能提供必要的信息支持；另一方面也可以將數據處理的一部分功能在這里完成，以減輕中央監控中心的負擔。

現場監控中心與各設備監測點之間的通訊依靠構造局域網來完成。目前構造工業監控局域網有兩種方式：一種是利用底層RS-485子網，將有關信息輸送至PC機監控中心來完成數據的現場通信。這種方式數據傳輸速度快、安全穩定性高，但是由于網線一旦布好，修改比較困難，因此對于設備經常有所變化的場合并不適用；第二種方式是根據設備的分布構建無線傳感網，目前構建無線傳感網主要依靠的是ZigBee技術。該技術具有近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的基本特點，是一種常用于工業監控體系的雙向無線通訊技術。對于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據的數據傳輸有很好的傳輸效率。

現場控制層是供配電系統監視和控制的基礎。本設計構建了以現場監控PC機為中心，以無線局域網為通訊網絡的現場控制子系統，可以有效地完成現場設備運行狀態監控的目的。

現場監控層與中央監控中心之間用通訊層來完成數據的上行和下達的通訊任務。本系統的通信層利用Internet網絡來完成。系統在每一個監控單體上設置唯一的IP地址，利用這個IP地址可以準確地標識系統上傳數據的來源。由于在監控系統網絡中監控單體IP地址是唯一的，同時在數據傳輸的過程中，利用了VPN技術構建了相應的數據安全通道，因此可以有效地保證數據包在系統網絡中傳輸的安全性和可靠性。

遠程中央監控中心采用高性能工業計算機，可實現整個供配電系統中的各種電氣設備的遙信、遙測、遙控、遙調等功能，以實現變配電站無人值守的設計要求。系統采用專業電力監控組態軟件來實現，可有效地對所有電氣設備運行狀態進行實時監控、電氣參數實時測量、事故異常報警、事件記錄和打印、電能管理和負荷控制、電力品質分析、統計報表的生成和打印、各種匯總圖表的生成等。系統內設置大型數據庫，接收來自現場監控PC機的數據，從而形成有效的設備運行數據庫。

3 總結

隨著國民經濟自動化程度的不斷提高，各種智能化設備也應用到了社會的各個方面。這些智能化設備的出現，對于電力的供應提出了更高的要求。因此，安全、可靠的供配電監控系統就成為了保證自動化系統良好運行的必要基礎。

本設計采用三層結構來實現監控系統：現場控制層采用無線傳感網技術來實現數據的采集和匯總；通訊層利用VPN技術來構造公網數據安全通道；遠程監控中心采用組態軟件來實現人機界面系統和監控管理系統。這種結構符合未來供配電系統的發展方向，具有一定的推廣價值。

[1]李炯．基于PLC的供配電監控系統的設計[J]．機電工程技術，2011(40)：43-44.

[2]冀斌．淺析智能供配電監控系統的應用[J]．甘肅科技，2012(9)：60-61.