變電站二次系統(tǒng)安全防護(hù)策略的研究

董峰

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安710065）

近些年來(lái)，我國(guó)發(fā)電系統(tǒng)從分散控制發(fā)展到了微機(jī)控制階段，已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步。但還是和世界先進(jìn)水平還有不小的差距，例如管控手段不足，設(shè)備有代差，安全防護(hù)缺乏全局性等等，這些因素制約了我國(guó)變電站進(jìn)一步的發(fā)展。本文深入分析了二次系統(tǒng)的技術(shù)手段，有針對(duì)性的全局考慮，提出了一些相關(guān)的防護(hù)策略。

1 二次系統(tǒng)的技術(shù)分析

與輸變電直接相關(guān)的儀器設(shè)備稱為一次設(shè)備，這些設(shè)備有變壓器、發(fā)電機(jī)、輸電線、電容器、斷路器、電抗、刀閘等等。這些設(shè)備組成的系統(tǒng)就是一次系統(tǒng)。相對(duì)的，對(duì)一次系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)控、控制和保護(hù)的系統(tǒng)就是二次回路系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為二次系統(tǒng)。二次回路可以分為繼電保護(hù)回路、直流操作電源回路、自動(dòng)裝置回路、測(cè)量回路、控制回路以及信號(hào)裝置回路。

1.1 繼電保護(hù)系統(tǒng)

1.1.1 繼電保護(hù)的要求。繼電保護(hù)回路是保證系統(tǒng)安全運(yùn)行最重要的回路。它是一個(gè)完整的體系，能夠根據(jù)電氣元件的故障狀態(tài)及時(shí)動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)。其中最常見(jiàn)的故障狀態(tài)就是短路，例如三相短路，線圈匝間短路等。發(fā)變電站主要的繼電保護(hù)分為四類(lèi)。分別是發(fā)電機(jī)、變壓器、母線以及線路的繼電保護(hù)。

如何分辨正常與故障狀態(tài)的關(guān)鍵，就是找出正常和故障狀態(tài)下的電氣參數(shù)變化規(guī)律，差別越大，繼電保護(hù)性能越佳。[1]以下總結(jié)了工作中經(jīng)常出現(xiàn)的參數(shù)變化，以及保護(hù)狀態(tài)。并以過(guò)電流保護(hù)為例進(jìn)行說(shuō)明：

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如圖所示，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，由于Ir=If，這時(shí)L J 不會(huì)變化。但是當(dāng)If=Id＞Idz時(shí)，L J 動(dòng)，導(dǎo)致了SJ 延時(shí)動(dòng)作。緊接著XJ 動(dòng)，信號(hào)出現(xiàn)變化，TQ動(dòng)就會(huì)跳閘。

過(guò)電流保護(hù)單相圖

1.1.2 發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)。發(fā)電機(jī)是變電站的核心，決定了變電站的供電質(zhì)量。發(fā)電機(jī)本身也是貴重的設(shè)備，所以必須裝備繼電保護(hù)設(shè)備。發(fā)電機(jī)的保護(hù)可以分為八種類(lèi)型。分別是：?jiǎn)蜗嘟拥乇Ｗo(hù)，過(guò)電壓保護(hù)，發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)和兩點(diǎn)接地保護(hù)，負(fù)序電流保護(hù)，縱差動(dòng)保護(hù)和橫差動(dòng)保護(hù)。

這些保護(hù)主要針對(duì)了發(fā)電機(jī)各種不正常工作狀態(tài)。例如：危害最大的定子繞組相間短路；定子繞阻一相匝間短路；轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路電流突然下降；轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)或兩點(diǎn)接地等。

1.1.3 變壓器的繼電保護(hù)。變壓器的繼電保護(hù)就是針對(duì)變壓器的不正常狀態(tài)，用斷路器將故障變壓器切斷。這些不正常工作狀態(tài)主要分為油箱內(nèi)故障和油箱外故障。油箱內(nèi)故障主要是繞組相間和匝間短路、單相接地短路以及直接接地短路。油箱外故障主要有引出線相間短路或一相接地。

變壓器的繼電保護(hù)需要加裝的保護(hù)有瓦斯保護(hù)、縱差動(dòng)保護(hù)和電流速斷保護(hù)。瓦斯保護(hù)主要用來(lái)防范各種短路故障以及油面降低，瓦斯保護(hù)較為重要。

1.1.4 母線和線路的繼電保護(hù)。母線和線路的繼電保護(hù)較為簡(jiǎn)單，通常遵循差動(dòng)原理。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)∑I=0，故障狀態(tài)時(shí)∑I＞0。相位上看，正常運(yùn)行時(shí)，至少有一個(gè)元件中相位和其它相位相反。故障狀態(tài)時(shí)，元件是同相位的（除電流等于0 的元件外）。根據(jù)此原理，可以設(shè)計(jì)相位比較回路，裝備差動(dòng)保護(hù)裝置。

1.2 直流操作電源回路

直流操作系統(tǒng)是對(duì)信號(hào)和各種自動(dòng)裝置提供電源，保證監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。直流操作電源系統(tǒng)有蓄電池式、整流式以及電容直流式，在我國(guó)最常用的是蓄電池式。蓄電池式也分為鉛酸式蓄電池和堿性蓄電池。堿性電池雖然操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，但其滲漏問(wèn)題還沒(méi)解決，發(fā)變電站中使用較少。鉛酸蓄電池使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)腫脹釋放大量的酸性氣體。高頻開(kāi)關(guān)和微型充電裝置都是鉛酸蓄電池，安全性較好。[2]

2 二次系統(tǒng)的安全防護(hù)策略

二次系統(tǒng)的安全防護(hù)首先需要確定正確的防護(hù)原則，在以上技術(shù)分析的基礎(chǔ)上。可以以“網(wǎng)絡(luò)專用，安全分區(qū)，橫向隔離，縱向認(rèn)證”為基本的防護(hù)原則。

安全防護(hù)主要針對(duì)的二次系統(tǒng)回路是監(jiān)控系統(tǒng)回路。當(dāng)然其它回路系統(tǒng)也需要定時(shí)檢查確保設(shè)備沒(méi)有處于“帶病”工作狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)回路是以通信技術(shù)為支撐，需要強(qiáng)化邊界防護(hù)，加強(qiáng)內(nèi)部數(shù)據(jù)安全，以及網(wǎng)絡(luò)、主機(jī)、通信鏈路安全。從全局考慮，應(yīng)落實(shí)安全防護(hù)制度，嚴(yán)格人員、設(shè)備、系統(tǒng)建設(shè)、系統(tǒng)運(yùn)維的管理，提高整體安全。電力系統(tǒng)的安全防護(hù)是一個(gè)復(fù)雜的體系工程，其總體的安全水平取決于最薄弱點(diǎn)的安全水平。它的安全防護(hù)是一個(gè)長(zhǎng)期的、動(dòng)態(tài)的防護(hù)過(guò)程，應(yīng)該形成一個(gè)監(jiān)測(cè)、響應(yīng)、實(shí)施、評(píng)估的閉環(huán)工程。[4]

2.1 安全分區(qū)

安全防護(hù)系統(tǒng)可以劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)和信息管理大區(qū)。生產(chǎn)控制大區(qū)又可分為控制區(qū)（安全區(qū)1）和非控制區(qū)（安全區(qū)2）。

控制區(qū)直接縱向的調(diào)度電力信息數(shù)據(jù)和專用通道，是電力防護(hù)系統(tǒng)的重點(diǎn)和核心。非控制區(qū)是電力運(yùn)行不可缺少的地方，可以在線運(yùn)行，但不具有控制功能。信息管理大區(qū)即信息管理系統(tǒng)，分為內(nèi)部網(wǎng)數(shù)據(jù)調(diào)度系統(tǒng)，內(nèi)部電話及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，調(diào)度管理系統(tǒng)等。

監(jiān)控系統(tǒng)控制區(qū)的設(shè)備主要有：廠級(jí)分散控制系統(tǒng)（DCS 系統(tǒng)，該系統(tǒng)位于控制區(qū)，分為機(jī)組單元控制，自動(dòng)發(fā)電控制，輔機(jī)控制，機(jī)組保護(hù)和公共系統(tǒng)等），輪機(jī)控制系統(tǒng)（TCS），自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)（AVC），廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)，升壓站監(jiān)控系統(tǒng)，相量測(cè)量裝置PMU，自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（AGG），變電站自動(dòng)化系統(tǒng)。位于非控制區(qū)的有：故障錄波系統(tǒng)RTU 和電能量采集裝置。其中，DCS、TCS、廠級(jí)信息監(jiān)控系統(tǒng)、火警探測(cè)、管理系統(tǒng)都是變電站內(nèi)部監(jiān)控設(shè)備，其它設(shè)備是與調(diào)度中心有關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)。[5]

2.2 生產(chǎn)控制大區(qū)的安全防護(hù)

（1）生產(chǎn)控制大區(qū)安全等級(jí)大于管理信息大區(qū)。禁止生產(chǎn)控制大區(qū)使用郵件服務(wù)，控制區(qū)禁止使用web 服務(wù)。（2）重要數(shù)據(jù)采取加密手段，例如電力交易數(shù)據(jù)，SCADA/AGC/AVC等。（3）特殊情況下允許非控制區(qū)使用web 服務(wù)，但也應(yīng)采取專用協(xié)議。（4）內(nèi)部主站端和重要端口必須采用惡意代碼防護(hù)系統(tǒng)。防止病毒攻擊。（5）根據(jù)邊界防護(hù)原則，在大區(qū)邊界上采用入侵檢測(cè)手段。（6）對(duì)于生產(chǎn)大區(qū)中的撥號(hào)訪問(wèn)，都應(yīng)使用經(jīng)過(guò)國(guó)家檢測(cè)認(rèn)證的加固系統(tǒng)。（7）強(qiáng)化安全審計(jì)系統(tǒng)，嚴(yán)格進(jìn)行登錄認(rèn)證和授權(quán)。

2.3 信息管理大區(qū)的安全防護(hù)

統(tǒng)一部署防火墻，定時(shí)進(jìn)行病毒庫(kù)更新。確保病毒庫(kù)、木馬庫(kù)經(jīng)過(guò)安全檢測(cè)，更新時(shí)注意離線進(jìn)行更新。部署桌面終端防護(hù)系統(tǒng)。在滿足國(guó)家安全防護(hù)的要求下，將信息錄入安全監(jiān)管系統(tǒng)。[6]

網(wǎng)絡(luò)專用。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由防護(hù)，采用虛擬專網(wǎng)技術(shù)。針對(duì)控制區(qū)和非控制區(qū)劃分獨(dú)立的實(shí)時(shí)子網(wǎng)和非實(shí)時(shí)子網(wǎng)，保證高水平的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)邊界防護(hù)，經(jīng)過(guò)授權(quán)的節(jié)點(diǎn)才可以接入電力數(shù)據(jù)系統(tǒng)；進(jìn)行合理的安全配置以及分層分區(qū)設(shè)置。

2.4 橫向隔離

在生產(chǎn)大區(qū)和信息管理大區(qū)之間進(jìn)行嚴(yán)格的橫向隔離。必須設(shè)置經(jīng)過(guò)國(guó)家檢測(cè)的電力隔離設(shè)備，橫向隔離強(qiáng)度應(yīng)無(wú)限接近或達(dá)到物理隔離水平。生產(chǎn)控制大區(qū)內(nèi)各個(gè)安全區(qū)之間也應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行控制訪問(wèn)，進(jìn)行邏輯隔離。專用的橫向隔離設(shè)備需要滿足信息的正向或反向傳遞要求，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的傳輸信息。

3 結(jié)論

變電站的安全防護(hù)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅需要了解二次系統(tǒng)各個(gè)組成部分的詳細(xì)原理，還需要根據(jù)原理進(jìn)行總體的安全部署。在進(jìn)行安全防護(hù)時(shí)注意“網(wǎng)絡(luò)專用，安全分區(qū)，橫向隔離，縱向認(rèn)證”的防護(hù)原則，根據(jù)該原則合理的采用上述防護(hù)手段，可以起到較好的防護(hù)作用。