智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性與安全性分析

鄧蕭洵

（中國能源建設(shè)集團(tuán)華中電力試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

智能變電站中信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與安全性是一個(gè)重要研究課題，較多研究人員對(duì)此做過相關(guān)研究，并取得了一定成果。但是智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)自身特點(diǎn)和數(shù)據(jù)傳輸需求，導(dǎo)致目前通信網(wǎng)絡(luò)還存在一定的缺陷和不足。如何保證智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和信息傳輸?shù)陌踩裕乾F(xiàn)階段需要解決的關(guān)鍵問題之一。

1 智能變電站加強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性與安全性的重要性

1.1 有利于加強(qiáng)智能變電站的安全防護(hù)水平

變電站信息安全防護(hù)技術(shù)需要綜合考慮系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、數(shù)據(jù)及服務(wù)5 個(gè)層次，以應(yīng)對(duì)各類安全威脅。智能變電站的信息安全防護(hù)系統(tǒng)采用“以端防端”的思路，從各個(gè)層次進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于智能變電站來說，通過采用雙網(wǎng)通信模式，在監(jiān)控主機(jī)與站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置防火墻，可防止來自外部的攻擊；在站端設(shè)備和變電站主站之間設(shè)置防火墻，可防止來自站端的攻擊[1]。

1.2 有利于加強(qiáng)變電站配電網(wǎng)的智能調(diào)控體系建設(shè)

智能變電站的實(shí)現(xiàn)，將以智能終端、智能電表以及光纖環(huán)網(wǎng)等為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)一的通信網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度管理系統(tǒng)相連接，形成一個(gè)完整的調(diào)度運(yùn)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行過程中的監(jiān)控、保護(hù)、測量、計(jì)量以及自動(dòng)控制等功能，同時(shí)與調(diào)度管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。智能變電站采用站控層網(wǎng)絡(luò)，將大量數(shù)據(jù)以通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸{(diào)度中心，因此通信網(wǎng)絡(luò)的安全直接關(guān)系到電力系統(tǒng)配網(wǎng)調(diào)控管理體系的穩(wěn)定。而電力系統(tǒng)配網(wǎng)調(diào)控管理體系是以配網(wǎng)自動(dòng)化為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建起來的一個(gè)完整的電力系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)。因此，必須要高度重視電力系統(tǒng)配網(wǎng)調(diào)控管理體系中存在的信息安全問題，以確保調(diào)度管理體系能夠正常運(yùn)行。

1.3 有利于提高智能變電站的電力資源使用率

智能變電站的出現(xiàn)，能夠很好地解決以往變電站存在的一系列問題。在智能變電站中，信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用使得整個(gè)智能變電站的運(yùn)行更加順暢，進(jìn)一步提高電力資源的利用率。同時(shí)，通過對(duì)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，大大減少電能消耗與電能浪費(fèi)。此外，智能變電站的出現(xiàn)不僅使電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)更加安全、可靠，而且使電力系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，從而為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供良好的保障。隨著智能變電站相關(guān)工作的開展，智能變電站系統(tǒng)已經(jīng)成為我國電力系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。因此，只有保證智能變電站信息網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，才能確保電力系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。但是我國在這方面缺乏專業(yè)知識(shí)和技術(shù)人才等，使得智能變電站信息網(wǎng)絡(luò)存在很多安全隱患和漏洞。因此，要想提高智能變電站工作的質(zhì)量和效率，必須要解決這些問題[2]。

2 現(xiàn)階段智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展存在的問題

通信網(wǎng)絡(luò)是智能變電站的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)變電站中各智能電子設(shè)備之間信息共享、數(shù)據(jù)交換的重要手段[3]。智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)通過采用網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備間的互連互通、信息共享及互操作，從而達(dá)到提高變電站自動(dòng)化水平的目的。在對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，不僅要滿足一般通信網(wǎng)絡(luò)的要求，還需要滿足IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的性能要求。本章從技術(shù)角度探討IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)模型和同步技術(shù)等方面，并結(jié)合某220 kV 智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，總結(jié)出現(xiàn)階段智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)存在的問題。

2.1 變電站通信網(wǎng)絡(luò)傳輸體系缺乏靈活性

由于智能變電站中的電子式互感器、合并單元等設(shè)備的通信以模擬信號(hào)為主，傳輸?shù)男畔⒘肯鄬?duì)較少，而且這些設(shè)備之間存在著多種類型的連接方式，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性較差。例如，某220 kV 智能變電站采用的是單母線分段接線方式，即一次設(shè)備在母線上安裝智能電子式互感器、合并單元以及相應(yīng)的智能控制裝置，其過程層設(shè)備為智能斷路器、保護(hù)測控裝置。但是由于線路較長，而且多以模擬信號(hào)為主，導(dǎo)致變電站內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘枯^少。在對(duì)智能變電站進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性問題，因此，為提高通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性，將采用光纖與以太網(wǎng)相結(jié)合的方式[4]。

2.2 變電站維保人員專業(yè)水平有待提升

智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和智能終端組成，在這2 部分的技術(shù)人員需要具備相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)。由于目前變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的工作人員普遍文化水平偏低，技術(shù)能力有限，對(duì)于智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)設(shè)備和技術(shù)指標(biāo)了解不全面，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過程中容易出現(xiàn)安全隱患[5]。例如，在智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)所需的各種設(shè)備、技術(shù)指標(biāo)都需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，但在實(shí)際操作過程中，由于部分工作人員缺乏專業(yè)知識(shí)，計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確而導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不符合要求。此外，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)涉及眾多環(huán)節(jié)和因素，需要各個(gè)部門進(jìn)行協(xié)調(diào)配合。同時(shí)在實(shí)際操作過程中，由于各個(gè)部門之間溝通不到位，導(dǎo)致工作效率較低。

2.3 變電站網(wǎng)絡(luò)安全體系存在缺陷

在設(shè)計(jì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須要保證通信網(wǎng)絡(luò)具有實(shí)時(shí)性，并保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。同時(shí)，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)需要具備安全性，以保證信息傳輸?shù)陌踩浴Ｄ壳埃悄茏冸娬就ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性和安全性方面存在的漏洞主要有以下2 個(gè)方面。一方面，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)采用的是點(diǎn)到點(diǎn)的連接方式，在一定程度上限制信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，從而影響信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。此外，點(diǎn)到點(diǎn)連接方式中節(jié)點(diǎn)之間采用交換機(jī)進(jìn)行連接，增加了智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換速率降低。另一方面，智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)采用的是以太網(wǎng)連接方式，使節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換速率降低。因?yàn)橐蕴W(wǎng)是一種面向連接的結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新的節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，原來的節(jié)點(diǎn)就會(huì)被隔離出來。這種方式在可以增加智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的安全性[6]。

3 加強(qiáng)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性與安全性的主要措施

3.1 提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性

3.1.1 增加光纖傳輸設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)各單元間的數(shù)據(jù)快速可靠地傳輸，提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，需要采用光纖傳輸設(shè)備來構(gòu)建智能變電站內(nèi)各單元之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。光纖傳輸設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)變電站之間的數(shù)據(jù)交換，從而提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和安全性。

3.1.2 采用冗余光纖網(wǎng)絡(luò)

冗余光纖網(wǎng)絡(luò)指在連接多個(gè)交換機(jī)時(shí)，使用2條或更多相同或不同時(shí)間工作的光纖，使其同時(shí)或先后處于工作狀態(tài)。冗余光纖網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可有效減少丟包的概率，提高通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3.1.3 采用冗余交換機(jī)

冗余交換機(jī)指在網(wǎng)絡(luò)中使用2 個(gè)或更多具有相同功能的交換機(jī)，并且每個(gè)交換機(jī)上都具有一個(gè)獨(dú)立的冗余通道。采用冗余交換機(jī)可以提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，從而提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。另外，冗余交換機(jī)可以對(duì)交換機(jī)上連接的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，當(dāng)其中某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，冗余交換機(jī)可以自動(dòng)切換到其他設(shè)備并繼續(xù)工作，從而有效提高信息傳輸?shù)陌踩訹7]。

3.2 加強(qiáng)安全防護(hù)措施

在智能變電站的建設(shè)過程中，存在的各種安全問題給智能變電站的通信網(wǎng)絡(luò)帶來了一定的威脅，因此有必要采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施來確保通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。根據(jù)智能變電站自身特點(diǎn)，可以從以下4 個(gè)方面加強(qiáng)安全防護(hù)措施。一是對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，提高其安全性，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下的身份認(rèn)證及訪問控制。對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份認(rèn)證，使其具有訪問控制能力。二是采用安全報(bào)文機(jī)制對(duì)各種通信協(xié)議報(bào)文進(jìn)行控制，使其可以相互隔離。三是采用可信計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建可信環(huán)境，以保證信息傳輸?shù)陌踩裕缤ㄟ^軟件來控制對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)的訪問權(quán)限。四是采用多層次安全防護(hù)，有效提高智能變電站的安全性，主要包括信息加密、身份認(rèn)證、訪問控制以及信息隔離等。

3.3 建立完善的安全機(jī)制

為保證智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的安全性，應(yīng)建立完善的安全機(jī)制。首先要建立相關(guān)的安全管理制度，在設(shè)備入網(wǎng)時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格審查，對(duì)其進(jìn)行安全等級(jí)劃分，并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)管理；其次是要建立設(shè)備的使用、維護(hù)以及管理制度；再次是要建立設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)、檢修制度；最后是要建立定期和不定期的檢查制度。

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的安全性與其自身的特點(diǎn)密不可分。隨著智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)其安全性提出更高要求。為提高智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的安全性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其安全技術(shù)的研究，提高技術(shù)水平。另外，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)人員的培訓(xùn)力度，提高工作人員的專業(yè)水平和安全意識(shí)。

3.4 提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行分類。對(duì)于過程層和站控層，存在3 種類型的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)不同的通信協(xié)議采取不同的傳輸方式，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。對(duì)于過程層與間隔層之間的通信，應(yīng)采用一對(duì)多的通信方式，即通過一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)將站內(nèi)所需要傳輸?shù)男畔l(fā)送給多個(gè)變電站，再由各變電站接收信息并進(jìn)行處理。過程層與間隔層之間的通信采用以太網(wǎng)技術(shù)，因此在數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要通過交換機(jī)等設(shè)備，也不存在延遲問題。

對(duì)于站控層之間的通信，應(yīng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，即通過一個(gè)光纖通道將站控層之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。該方式具有實(shí)時(shí)性高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的局限性。光纖通道本身存在一定的損耗問題，且在傳輸過程中易受外界環(huán)境因素影響，因此當(dāng)光纖通道發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法及時(shí)傳輸。

對(duì)于間隔層與站控層之間的通信，應(yīng)采用多對(duì)一的通信方式。該方式可以有效避免由于光纖通道出現(xiàn)故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法正常傳輸問題。此外，在間隔層與站控層之間增加一條虛擬網(wǎng)絡(luò)通道，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.5 規(guī)范系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理

在變電站系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)中，必須要嚴(yán)格按照國家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作，這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。在設(shè)備運(yùn)行過程中，由于設(shè)備自身原因或者外界因素影響，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)一些異常情況，如通信報(bào)文異常、設(shè)備告警等。當(dāng)發(fā)生這些情況時(shí)，應(yīng)立即停止設(shè)備的運(yùn)行，對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行處理。

同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)人員的培訓(xùn)力度，使其掌握自動(dòng)化系統(tǒng)的基本操作和故障處理方法。嚴(yán)格按照規(guī)章制度開展工作，不能違規(guī)操作、冒險(xiǎn)行事。要規(guī)范系統(tǒng)操作人員的行為舉止，確保其具備相應(yīng)的專業(yè)技能和素質(zhì)。定期開展安全檢查工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除安全隱患。只有這樣才能保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

4 結(jié) 論

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與安全性是智能變電站建設(shè)中必須要重點(diǎn)關(guān)注的問題。因此，我國必須加強(qiáng)對(duì)智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性與安全性的研究，并根據(jù)智能變電站的發(fā)展趨勢(shì)及需求，不斷優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，從而有效提高智能變電站運(yùn)行的可靠性。