電力局域網通信安全態勢智能感知系統設計

何 玨，王 奇，孫 萌，黃懷霖

（中國南方電網超高壓輸電公司，廣東 廣州 510700）

電力通信網絡是為了保證電力系統穩定運行而存在的應用結構體系，它與調度自動化系統、繼電保護控制系統并稱為電網環境的三大支柱。在傳輸方面，電力通信網絡將光纖通信作為核心發展方向，電網內蘊藏的通信資源能夠被有效運用；在業務網方面，電力通信網絡同時包含IP（網絡之間互連的協議）、ATM（異步傳輸模式）兩類綜合型業務應用平臺，前者負責為相關電力企業與用戶提供穩定的電信號傳輸服務，而后者更注重對電力配電線路的建立與布設[1-2]。在局域網背景下，電力通信網絡的電信號供應量能夠直接決定整個網絡體系的服務能力。

電力態勢感知是指在特定的空間與時間環境下，對相關電信號元素進行觀察、理解，并最終預測其未來走向趨勢的執行思想。電力局域通信網絡作為一種復雜的人工CPS（信息物理系統）體系，其穩定運行離不開傳輸電量信號的控制與監測。傳統的總線型電力局域網控制系統采用H3C 無線控制器配合Fit AP節點完成對組網環境的配置，再聯合IP 配置體系，實現對通信節點的層層布施[3]。然而此系統對于電力通信數據的承載能力有限，并不能使整個網絡體系呈現絕對穩定的連接狀態。為解決上述問題，設計新型電力局域網通信安全態勢智能感知系統。

1 通信安全態勢智能感知系統總體設計

電力局域網通信安全態勢智能感知系統的總體應用結構由B/S 框架體系、網絡分層模式、外部接口三部分共同組成，具體設計方法如下。

1.1 B/S框架體系

B/S 框架負責連接電力局域網通信安全態勢智能感知系統的表示層、邏輯層與數據層結構，可在Browse 主機、電信號服務器等多個元件設備的作用下，實現對電量數據邏輯形式的重新表示，具體結構形式如圖1 所示。B/S 架構也稱組合式Browser/Server 結構，就是指整個執行環境中，只包含一個獨立的服務器主機，且下級客戶端能夠自發選擇瀏覽器運行模式的連接框架形式[4-5]。對于電力局域網而言，電信號服務器能夠借助通信業務處理模塊，將電量數據反饋至底層數據庫服務器中，且由于Browse主機的存在，電力局域網中的用戶界面能夠直接面向所有開放的服務器設備。

圖1 B/S框架示意圖

B/S 框架能夠充分利用電力局域網的硬件應用優勢，將信息通信任務按需分配至客戶端與服務器主機中，因此可以較好提升網絡主機對于通信數據的實時承載能力。

1.2 網絡分層模式

電力局域網絡由采集層、應用層、表示層三個縱深體系共同組成。

1）采集層

采集層主機主要負責獲取電力局域網中的基礎配置數據，如主機名、MAC 地址、IE 版本等信息，可通過增、刪、改、重命名數據文件的處理方式，確定與通信參量匹配的存儲安全位置，并以此實現對電力通信態勢的準確感知[6]。

2）應用層

應用層主機執行電力局域網通信數據的核心處理功能，主要監管客戶端態勢節點的功能變化情況，并可結合區域環境中數據庫主機的實際連接形式，對待傳輸的通信數據進行按需處理。

3）表示層

表示層主機的連接完全遵循B/S 框架體系，對于通信數據的訪問請求采取“客戶化”處理原則[7]。當所有用戶接口都保持動態連接狀態時，表示主機的工作頻率能夠間接反映電力局域網對于通信數據的承載能力。

1.3 外部接口

外部接口的存在實現了電力局域網通信數據的安全性跨域傳輸，在B/S 框架體系中，處于動態連接狀態的接口數量越多，表示通信主機對于傳輸信息參量的感知能力越強[8-9]。在電力局域網絡的分層模式中，用戶界面層也稱外部接口的核心接入層。根據通信數據組成形式的不同，接口組織所屬的連接位置也會有所不同，但由于B/S 框架體系的存在，這些接口結構也同時擔負著補充通信數據間對話功能的角色[10]。而在電力局域網的通信數據動態傳輸方面，外部接口的連接形態還可以用來檢查輸入信息的有效性，一般來說，為保證電網主機能夠準確感知局域網對于通信數據的承載能力，接口節點的接入數量必須具備一定的可調節性。

2 電力局域網的通信需求分析

在通信安全態勢智能感知系統硬件應用架構的基礎上，按照服務端通信線程建立通信指令轉發、數據信息解析的處理流程，實現電力局域網的通信需求分析。

2.1 服務端通信線程

電力局域網的服務端通信線程負責接收客戶端主機發出的消息與命令，并可在網絡態勢感知主機中，對這些數據信息參量進行集中處理。為使電力局域網始終保持較強的通信數據承載能力，服務端通信線程的存儲與傳輸應是兩個相對獨立的應用流程。其中，通信線程存儲主要發生于局域網數據庫主機中，一般來說，累積的線程數量越多，表示電力局域網的通信能力越強[11-12]。通信線程傳輸是指對于通信指令的擴散處理，為滿足感知主機的應用需求，這些指令的傳輸目的地并不能局限于同一物理位置。設i、s表示電力服務端兩個不同的通信服務連接系數，As、Ai表示兩個不同的線程服務傳輸基向量，β表示電力局域網環境中的通信數據感知系數，φis表示電力通信數據的單位傳輸量。聯立上述物理量，可將電力局域網的服務端通信線程表示為：

根據外部接口連接形式的變動，電力局域網服務端通信線程作用時長也會有所不同。

2.2 通信指令轉發

通信指令轉發是電力局域網通信安全態勢智能感知系統設計的關鍵執行環節，可對網絡主機發出的信息參量進行整合處理，并借助傳輸信道，將這些文件指令反饋至相關硬件應用設備結構體系之中。一般情況下，網絡主機發出的信息參量中總是包含大量的態勢節點，且由于傳輸目的地的不同，這些節點的排列形式也會有所不同[13-14]。若不考慮轉發行為的作用及影響，電力通信主機只能對這些信息數據進行集中識別，這就會在一定程度上增加網絡主機的穩定執行壓力，從而使得整個網絡體系對于通信數據的承載能力大幅下降。而通信指令轉發行為的存在，數據信息中的關鍵文件可在傳輸過程中直接被感知主機提取并識別，無形當中減少了網絡主機所面臨的執行壓力。設ξ表示電力局域網通信指令的編碼系數，表示單位時間內的電網通信數據傳輸均值量，f表示電力通信信號感應系數，表示電信號傳輸特征值，聯立式（1），可將通信指令轉發條件定義為：

在電力局域網環境中，隨著通信數據傳輸量的增大，通信指令的轉發處理速率也會逐漸加快。

2.3 數據信息解析

在電力局域網通信安全態勢智能感知系統中，數據信息解析是主機元件確定數據庫存儲等級的必要操作步驟。對于一個完整的智能感知體系而言，數據庫存儲能力能夠直接決定電力局域網絡的實時覆蓋面積[15-16]。假設一個具有安全風險的通信數據參量能夠在局域網環境中自由傳輸，當所有外界節點完全連通時，該數據所攜帶的風險性數據參量會被各級硬件設備結構多次提取，并在數據庫主機中大量累積，若實際累計數值超過額定限度標準時，系統數據庫會陷入相對混亂的工作狀態，并最終失去準確感知電力局域網安全通信情況的能力。具體的解析處理流程如圖2 所示。

圖2 數據信息解析流程圖

至此，完成對相關軟硬件執行環境的搭建，在不考慮其他干擾條件的情況下，實現電力局域網通信安全態勢智能感知系統的順利應用。

3 實驗分析

電力局域網對于通信數據的承載能力能夠用來描述整個通信網絡所呈現出的連接穩定程度，一般情況下，前者的承載能力越強，后者所表現出的連接穩定程度也就越高。

圖3 記錄了在無外界干擾情況下（常規承載量數值），電力局域網承載能力與電信號容量間的影響關系。

圖3 不同電信號容量下的電網承載能力

分析圖3 可知，該次實驗截取了容量水平處于0～40 mA 之間的電信號參量。由于電力局域網的組成形式相對較為復雜，即便在無外界干擾的情況下，電信號容量對于網絡承載能力的影響形式也呈現多樣化狀態。當電信號容量處于0～20 mA 區間時，電力局域網承載能力始終保持連續上升的數值變化趨勢；當電信號容量處于20～26 mA 區間時，電力局域網的承載能力水平則相對較為平穩，并無明顯的上升或下降變化趨勢；在電信號容量達到34 mA 之前，電力局域網的承載能力又開始持續下降；而當電信號容量處于34～40 mA 區間時，電力局域網承載能力又開始呈現了再一次的上升變化狀態。

分別采用通信安全態勢智能感知系統、總線控制型系統對上述電力局域網絡進行干擾，其中前者作為實驗組、后者作為對照組。記錄干擾過程中，電力局域網承載能力的數值變化情況，并將其與理想數值進行對比，詳情如表1 所示。

表1 電網承載能力比對

分析表1 可知，實驗組的電力局域網承載能力數值水平相對較高，整個實驗過程中其最大值達到了1.094 2×103kW·h，與理想最大值1.089 2×103kW·h相比，上升了0.005×103kW·h。對照組的電力局域網承載能力數值水平則略低于理想數值，整個實驗過程中的最大值達到1.089 2×103kW·h，與理想數值完全一致，但始終低于實驗組數值水平。

綜上可知，與總線控制型系統相比，通信安全態勢智能感知系統可從根本上提升電力局域網對于通信數據的承載能力，不但能使通信網絡體系保持長期穩定的連接狀態，也可實現對電力局域網分層模式的按需劃分，具備較強的可行性應用價值。

4 結束語

電力局域網通信安全態勢智能感知系統在傳統總線控制型系統的基礎上，建立全新的B/S 框架體系，再借助外部接口設備，對服務端通信線程的應用特性進行準確分析，在已知通信指令轉發流程的前提下，解析得到的通信數據可供電力主機直接應用，不但能夠較好維護通信網絡的連接穩定性，也可以在一定程度上加強電力局域網對于通信數據的承載能力。