智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全策略分析與研究

徐東偉，陳 惠，陳志源，呂 毅（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

?

智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全策略分析與研究

徐東偉，陳 惠，陳志源，呂 毅
（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

〔摘 要〕智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全直接影響著變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其發(fā)展也給變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全帶來了新的挑戰(zhàn)。在介紹智能變電站組網(wǎng)方式及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，詳述了各種網(wǎng)絡(luò)報文的特征并計算其流量大小，并從威脅站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全的3個方面分析了智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀。最后，針對智能變電站網(wǎng)絡(luò)存在的安全威脅，從技術(shù)和管理2個方面提出了適用于智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全的策略。

〔關(guān)鍵詞〕智能變電站；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；流量分析；網(wǎng)絡(luò)安全策略

0 引言

隨著以通信平臺網(wǎng)絡(luò)化為特征的智能變電站大規(guī)模建設(shè)，二次設(shè)備通信嚴(yán)重依賴網(wǎng)絡(luò)，站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的重要性已經(jīng)大大超過傳統(tǒng)的綜合自動化變電站。智能變電站網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性決定了站內(nèi)智能終端、合并單元、保護(hù)裝置、測控裝置、自動化系統(tǒng)等各設(shè)備之間信息流的傳輸質(zhì)量，會對變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。

國家電網(wǎng)公司于2012年6月發(fā)布了《新一代智能變電站關(guān)鍵技術(shù)框架》，其中提出未來智能變電站網(wǎng)絡(luò)信息結(jié)構(gòu)的預(yù)期目標(biāo)為：將現(xiàn)在普遍采用的“三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡化為“兩層一網(wǎng)”，采用MMS（Manufacturer Message Specification，制造報文規(guī)范）、GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event，面向通用對象的變電站事件）、SV（Sampled Value，采樣值）和IEEE1588對時信息“四網(wǎng)合一”共網(wǎng)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式，以減少智能變電站網(wǎng)絡(luò)層級和交換機(jī)數(shù)量，提高網(wǎng)絡(luò)利用效率。如此一來，智能變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的重要性更是不言而喻。

因此，關(guān)注和重視智能變電站內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性，研究適應(yīng)于智能變電站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全策略十分必要。

以下在現(xiàn)有智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，重點分析站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀，最后針對網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險探討智能變電站網(wǎng)絡(luò)的安全策略，以為智能變電站網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)維提供參考。

1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及流量分析

1.1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能變電站站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)屬于局域網(wǎng)范疇，局域網(wǎng)中常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線型、環(huán)型、星型等幾種。它們各有特點，適用于不同的場合。為了滿足傳輸速度和可靠性的要求，智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用雙星型結(jié)構(gòu)。這既符合網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)雙重化設(shè)計規(guī)范，又能實現(xiàn)信息流的快速可靠傳遞。

圖1為某新建220 kV變電站網(wǎng)絡(luò)過程層結(jié)構(gòu)拓?fù)?。其中，站?nèi)的過程層配置的是2個相互獨(dú)立的星型網(wǎng)絡(luò)，并分別以各自位于母差保護(hù)屏上的中心交換機(jī)組網(wǎng)，互為備用。這是目前新建智能變電站應(yīng)用最多也是最適用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)報文流量特征及分析

從圖1變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)淇梢钥闯觯行慕粨Q機(jī)接受的是跨間隔信息，信息量的大小及中心交換機(jī)的性能直接關(guān)系到站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的安全性。目前，智能變電站一般采用100 Mbit/s的工業(yè)交換機(jī)，因此有必要對網(wǎng)絡(luò)報文流量特性進(jìn)行分析及計算。

1.2.1 SV網(wǎng)絡(luò)報文流量特征及分析

合并單元發(fā)送給測控裝置、故障錄波裝置、網(wǎng)絡(luò)報文分析裝置、智能電表等設(shè)備的報文均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，是站內(nèi)SV網(wǎng)絡(luò)的主要流量數(shù)據(jù)。在智能變電站中一般采用2層組播方式傳輸，正常時流量很大但是相對穩(wěn)定，基本上不會突變，除非裝置異?；蛘咄ǖ澜渝e。

按IEC61850-9-2《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)，工程中實際最大報文長度采樣通道一般在200 B左右，每250 μs發(fā)送1幀報文，因此單個合并單元每秒的數(shù)據(jù)流量為：

圖1 某220 kV智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

因此，15組SV報文在1臺交換機(jī)內(nèi)的傳輸速率就會接近100 Mbit/s。

1.2.2 GOOSE網(wǎng)絡(luò)報文流量特征及分析

在智能變電站GOOSE網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腉OOSE報文主要有：智能終端發(fā)給保護(hù)及測控裝置的開關(guān)、隔離開關(guān)位置開入信息；保護(hù)裝置發(fā)給智能終端及測控裝置的重合閘、聯(lián)閉鎖信息；測控裝置發(fā)給智能終端的開關(guān)、隔離開關(guān)的控制信號等控制信息；保護(hù)裝置之間需要交換的閉鎖及啟動量，如母差保護(hù)接受來自線路保護(hù)的失靈信號及線路保護(hù)接受來自母差保護(hù)的遠(yuǎn)跳信號等；站內(nèi)所有智能二次設(shè)備發(fā)送的自檢狀態(tài)、告警信息及遠(yuǎn)方復(fù)歸等GOOSE報文。在智能變電站中，一般亦采用2層組播方式傳輸，GOOSE流量通常很小；當(dāng)發(fā)生故障時，GOOSE流量會突然增大。

正常情況下，每5 s傳輸1幀GOOSE報文，其流量在200-1 000 B；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，將按照2 ms，4 ms，8 ms……時間遞增的方式發(fā)送GOOSE報文，則GOOSE單組報文每秒的數(shù)據(jù)流量為：

此傳輸速率遠(yuǎn)小于工業(yè)交換機(jī)100 Mbit/s的傳輸速率。

1.2.3 “四網(wǎng)合一”網(wǎng)絡(luò)報文流量特征及分析

“四網(wǎng)合一”更能代表未來智能變電站網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向，且未來網(wǎng)絡(luò)工況更加嚴(yán)酷，變電站對網(wǎng)絡(luò)性能要求更高。目前，智能變電站全站對時多采用網(wǎng)絡(luò)方式的SNTP（Simple Network Time Protocol，簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）對時方案，而周期性發(fā)送的SNTP報文對GOOSE網(wǎng)絡(luò)性能會有一定的影響。智能變電站報文流量特征如表1所示。

表1 智能變電站報文流量特征

2 智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀分析

智能變電站網(wǎng)絡(luò)面臨的安全威脅主要有3個方面：網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)硬件問題對站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)造成的風(fēng)險；網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴造成站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；人為專業(yè)攻擊造成的破壞。

2.1 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)硬件風(fēng)險

變電站在正常和異常運(yùn)行時，均會產(chǎn)生不同程度的電磁干擾，如高壓電氣設(shè)備的倒閘操作、短路故障等電磁暫態(tài)過程及高壓電氣設(shè)備周圍產(chǎn)生的靜電場和磁場、雷電、電磁波輻射、人體與物體的靜電放電等。這些電磁干擾會對交換機(jī)的通信傳輸產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的報文出錯，甚至丟失整幀報文，影響智能變電站網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運(yùn)行。因此，在強(qiáng)電磁干擾的情況下，交換機(jī)必須滿足零丟幀的要求，以滿足過程層數(shù)字化的需求。而在實際生產(chǎn)現(xiàn)場，智能變電站的交換機(jī)選型配置及驗收都無明確的負(fù)責(zé)機(jī)構(gòu)及硬件把關(guān)負(fù)責(zé)人員，導(dǎo)致交換機(jī)管理處于無序甚至空白狀態(tài)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴

交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)核心通信設(shè)備，如果自身的報文轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制異常，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，給智能變電站網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維留下極大的隱患。網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的基本表現(xiàn)為：大量重復(fù)報文在網(wǎng)絡(luò)中快速傳播，大量信息排隊等待，直至占滿帶寬或耗盡交換機(jī)CPU資源，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的原因很多，其中重要的原因是網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題。

（1） 對過程層網(wǎng)絡(luò)來說，雖然工程應(yīng)用上通過靜態(tài)VLAN劃分或GMRP組播技術(shù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離，但如果網(wǎng)絡(luò)環(huán)路發(fā)生在同一VLAN內(nèi)，仍會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

（2） 對站控層網(wǎng)絡(luò)來講，由于沒有采用任何組播報文隔離技術(shù)，GOOSE報文組播范圍為站控層全網(wǎng)；一旦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)形成重復(fù)鏈路，GOOSE報文就會形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

2.3 人為專業(yè)攻擊

在智能變電站網(wǎng)絡(luò)條件下，人為專業(yè)攻擊主要分為以下2種。

（1） 主動破壞。非法專業(yè)用戶接入網(wǎng)絡(luò)后，通過監(jiān)聽、攔截對站內(nèi)信息及設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制操作，再偽造信息向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送大量無用報文，使站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備異常、死機(jī)甚至無法重啟，最后導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

（2） 無意識破壞。專業(yè)用戶正常接入網(wǎng)絡(luò)后，由于誤操作導(dǎo)致大量組播報文在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳播，對網(wǎng)絡(luò)造成破壞和損失。

3 網(wǎng)絡(luò)安全策略

針對現(xiàn)有智能變電站網(wǎng)絡(luò)安全現(xiàn)狀，從技術(shù)和管理2方面提出站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全策略，以避免智能變電站內(nèi)可能出現(xiàn)的各種網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險。

3.1 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)可視化在線監(jiān)測技術(shù)

實際工程應(yīng)用對智能變電站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)視僅停留在網(wǎng)絡(luò)斷鏈報警和復(fù)歸等基本功能上，而對站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時交換機(jī)內(nèi)部狀態(tài)、流量狀況、網(wǎng)絡(luò)冗余度、負(fù)載率等關(guān)鍵實時性指標(biāo)完全無法實現(xiàn)監(jiān)控。這導(dǎo)致變電站無法評估交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，且正常運(yùn)維時缺乏對二次網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的有效巡視手段，致使?jié)撛谌毕莶荒鼙患皶r發(fā)現(xiàn)并解決。

通過增加交換機(jī)管理功能模塊DSP和處理器CPU，擴(kuò)展出讀取智能變電站SCD文件的功能；進(jìn)而根據(jù)源數(shù)據(jù)MAC地址和APPID信息感知并計算數(shù)據(jù)流量，且進(jìn)行可視化呈現(xiàn)；然后配置VLAN和端口限速，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行檢測、報警及可視化等功能。以某智能變電站110 kV部分交換機(jī)為例，其網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)警及可視化示意如圖2所示。

當(dāng)某一交換機(jī)由于網(wǎng)絡(luò)接線或者外來攻擊信息導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴時，流量預(yù)警功能能迅速監(jiān)測并發(fā)出告警，且通過可視化手段給運(yùn)維人員明確的故障定位，使運(yùn)維人員能立即進(jìn)行人工干預(yù)，降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴發(fā)生的可能性。

3.2 交換機(jī)硬件選型及管理

為阻止智能變電站發(fā)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，要求過程層網(wǎng)絡(luò)擁有較高的應(yīng)對突發(fā)數(shù)據(jù)的能力。由于過程層交換機(jī)的級聯(lián)端口轉(zhuǎn)發(fā)壓力最大，因此24端口交換機(jī)級聯(lián)端口可采用1 000 Mbit/s的速率。根據(jù)國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)MV采用組網(wǎng)或與GOOSE共網(wǎng)的方式傳輸時，用于母線差動保護(hù)或主變差動保護(hù)的過程層交換機(jī)應(yīng)支持在任意1 000 M網(wǎng)口出現(xiàn)持續(xù)0.25 ms（為80點采樣速率時的1個采樣周期）的2 000 M突發(fā)流量時不丟包。

針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題，除了加強(qiáng)管理，保證工程實施時避免環(huán)路接線外，在交換機(jī)選型時要選擇可以生成樹協(xié)議的交換機(jī)。當(dāng)交換機(jī)設(shè)備生成樹協(xié)議后，能使交換機(jī)在環(huán)路處形成虛斷，避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的產(chǎn)生。

此外，針對交換機(jī)管理無序的現(xiàn)狀，要明確站內(nèi)交換機(jī)管理職責(zé)，定期對交換機(jī)性能進(jìn)行專業(yè)測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析、處理、存檔。在大量性能測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對交換機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行專業(yè)評估。通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z查分析，使智能變電站交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)得到更好的維護(hù)與管理。

圖2 網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)警及可視化示意

4 結(jié)束語

未來的智能電網(wǎng)將會具備快速自愈功能，并且不僅僅體現(xiàn)在網(wǎng)架物理結(jié)構(gòu)上，同樣表現(xiàn)在二次信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。未來應(yīng)搭建控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特性的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險綜合評估模型，并在此模型的基礎(chǔ)上建立大電網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計方法、網(wǎng)絡(luò)安全指標(biāo)和評價工具，最終達(dá)到抵御外界侵襲并抑制內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險的目的，保證電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

1 張清枝，魏 勇，趙成功.變電站網(wǎng)絡(luò)化二次系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（8）：47-52.

2 汪 強(qiáng).基于IEC61850的光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（13）：113-115.

3 鄭新才，施魯寧，楊 光，等.IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)下采樣值傳輸規(guī)范9-1，9-2的對比和分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（18）：47-50.

4 國家電網(wǎng)公司.Q/GDW429—2010智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國電力出版社，2010.

5 徐 勇，陸玉軍，張 雷.智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在線監(jiān)測設(shè)計與實現(xiàn)［J］.江蘇電機(jī)工程，2014，33（2）：52-55.

徐東偉（1986-），男，工程師，主要從事變電運(yùn)維工作，email：1987229520@qq.com。

陳 惠（1982-），女，助理工程師，主要從事變電運(yùn)維工作。

陳志源（1955-），男，高級技師，主要從事變電運(yùn)維工作。

呂 毅（1967-），男，高級技師，主要從事變電運(yùn)維工作。

收稿日期：2016-01-18。

作者簡介：