PMU在智能電網中的應用

王濤

摘 ?要：隨著智能電網的發展和相關軟硬件的升級，傳統的電網在安全防護和狀態估計等各方面的性能有了顯著提升，但同時也面臨著新的挑戰。當前信息時代已經到來，通信網絡在現代電力系統中得到了廣泛的應用。然而，黑客可以通過通信網絡攔截和篡改這些相關信息。為了保證電網的安全和可靠運行，許多測量單元都不斷地監測電力系統的重要數據，如潮流中母線注入功率數據，以及通過數據采集與監控系統傳輸到調度中心的監測數據。相量測量單元（PMU）作為廣域測量系統的主力結構，利用全球定位系統可以得到時間標定的動態測量數據，在電力系統虛假數據注入攻擊和檢測中有著不可忽視的作用。

關鍵詞：智能電網;動態網絡攻擊;檢測機制;相量測量單元

中圖分類號：TM76 ?文獻標識碼：A

1 概述

智能電網是一個及其復雜的電力系統，隨著通信網絡的發展，電網數據安全面臨著嚴重的挑戰，攻擊者一旦獲得虛假數據并注入攻擊，將會破壞電網的穩定運行，甚至從中獲得巨大的經濟利益，危害社會發展。

2003年8月，影響巨大的美加大停電事故給人們敲響了警鐘，在美國東北部地區及加拿大首都渥太華和商業中心多倫多發生了大范圍的停電事故。據著名經濟學家戴維·羅森伯格估計，整個事故造成經濟損失大約在300億美元，這是北美有史以來最大范圍的停電，受影響人數高達五千萬人次。2015年12月，烏克蘭電網遭遇突發大停電事故，該停電事故是由7個變電站開關動作引起的，停電時間為3～6 h不等，共導致80000個用戶停電。該次停電事故被認為是人類歷史上信息安全問題影響電力系統穩定運行的里程碑事件。在世界范圍內層出不窮的大停電事故發人深思，也引發了國內外各專家學者的深度研究以保護電力系統的穩定和安全。

2 網絡攻擊現狀

隨著互聯網等技術的不斷發展和應用使得新型智能電網面臨著各種各樣的網絡攻擊。傳統的電網安全主要依靠物理防護，但面對新型的網絡攻擊并不能達到很好的防御效果。關于當前智能電網的網絡攻擊的研究可分為兩類。

第一類主要研究如何從攻擊者的角度進行隱形攻擊，避免被SCADA系統檢測識別。提出了虛假數據注入攻擊、負載再分配攻擊、網絡拓撲攻擊、拒絕服務攻擊和傳輸線評級攻擊，時間同步攻擊、共振攻擊和中斷攻擊等，進而實現其攻擊目標。

第二類主要是研究從物理安全、通信安全和信息安全三個方面檢測網絡攻擊并研究其對狀態估計的影響。物理安全指的是保護措施安排于最佳位置，以維護電力系統網絡的可觀測性，最優地定位一組基本測量裝置或相量測量單元，以確保智能電網免受網絡攻擊。通信安全的研究多反應于使用各種加密技術中，如協議、加密、身份認證，數據聚合等措施來防止未經授權的訪問并加以識別。在信息安全方面，多項研究提出了基于統計和非統計方法的狀態估計器，以可靠地跟蹤各種惡意攻擊下智能電網中的動態變化。

3 防御策略研究現狀

電力系統的構建模塊主要包括發電、輸電、配電以及消費者和控制中心，它們之間是通過雙向通信聯系。電力系統通過通信網絡收集總線上的電源注入數據和分支上的電力流等儀表測量值，采用儀表，傳感器和執行器等遠程終端單元進行數據采集。

有兩種方法可以抵御惡意數據攻擊。第一，直接通過保護測量系統免受攻擊者的攻擊?？梢酝ㄟ^保護多個測量子集來防止隱形攻擊，或通過部署相量測量單元直接監測狀態信息來實現。第二，識別測量過程中注入的錯誤數據，然后放棄被操縱更改的錯誤數據或更正它們。傳統的假數據檢測方法基于殘差檢驗，它們只能在一定范圍內保護狀態估計免受黑客設計的隱形攻擊。近年來，隨著智能電網的發展，不斷發展出了新的檢測方法。

4 PMU基本結構

基于狀態估計器的現代EMS系統的啟動始于1965年北美東北電網的災難性故障。在基于實時測量來確定電力系統狀態的技術方面進行了大量研究。該技術可以通過順序掃描獲得測量值，并從中獲得由非線性狀態估計器估計的電力系統狀態。

由于衛星系統的部署不完全，早期的GPS接收器價格昂貴，因為它們需要非常精確的內部晶體時鐘來精確地保持時間，直到下一顆GPS衛星出現為止。如今，隨著衛星系統的完整和全面部署，一套GPS接收機的費用較之前有了較大的下降。

PMU測試原理圖

PMU原理如圖所示。WAMS監測系統依托當前高速的通信網絡，根據不同位置的幅值和相位信息來接收測量到的數據，并根據這些信息來建立電力系統中動態的狀態，進而對電力系統的狀態在統一的時間坐標系上進行處理分析。當系統運行正常時，同步相量測量主要用于動態的監控與模型驗證等。而當系統受到未知的擾動時，同步相量測量可用于指導系統的故障定位，防止事故的逐步擴大甚至導致電網的崩潰。

5 PMU相關應用

PMU為傳統的電力問題提供了創新的解決方案，并提供了一系列的便利。它可以定期獲取電源系統狀態的精確估計值，從而可以從核心位置觀察各模塊的動態變化，并采取適當的控制措施。

5.1 電力系統有效監控

PMU可用于電力系統的事后分析，這是因為最初時期，PMU的可用性較低且實時監視和控制通信信道中涉及的成本頗高。通過監視電力系統中的事件可對系統行為有更多了解，通常在傳輸網絡內或傳輸網絡附近會發生影響整個電力系統的嚴重事件，因此最好在傳輸系統變電站進行監控。這對設備提出了很高的要求，并且由于數據成為傳輸系統運營商的所有物，通常數據的使用在一定程度內會被限制。所謂的數字系統故障記錄儀便是應用了這一特性，它可以從電力系統中捕獲各種各樣的數據，并擴展了幾種設備的監控應用。

5.2 電力系統充分保護

PMU通過獲取的同步測量值有助于提升電力系統的保護技術。它有助于將故障部分與系統其余部分隔離開來，以防止斷電，并為許多復雜的電力系統保護問題提供了解決方案。電力系統對先進的網絡保護體系進行實時監控，對先進的控制方案也可實時查探。

5.3 電力系統合理控制

隨著PMU的出現，可以在全球范圍內完成對電力系統的控制。對此，僅基于局部測量和系統的數學模型來采取控制措施，在某些特定情況下可能導致控制措施的無效。因此，使用PMU可以將系統參數從遠程位置直接實時反饋到控制中心，這將增加電力系統的整體穩定性。

在線安全監控和評估系統是對PMU特性的高效應用，例如，它可以直接建立在相量測量部門的測量結果，該系統提供了對網絡拓撲和操作條件進行實時建模的可能性。同時存在多種監視，檢測和定位電力傳輸和分配系統中故障的方法。這些方法大多數都利用來自變電站或開關站的電壓和電流互感器的測量結果來進行分析。為了了解有關干擾及其影響的知識，有必要使用具有足夠帶寬的測量設備在更多的地理位置上實施監視系統。

廣域測量技術不斷發展趨向成熟，除了精確的狀態估計之外，PMU還提供了各種可行的應用方向，可以改善現代電力系統上的保護和控制措施。由于大量的可再生能源，開放的輸電網絡和放松管制的行業而使電力系統的性質發生了變化，因此不可避免的是，未來的電力系統將不得不面對更多的壓力，在這種情況下，必須進行改進基于PMU的廣域測量系統以應對所面臨的各種挑戰。

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