基于智能數字化變電站的關鍵技術及以太網信息安全技術研究

摘要:基于智能變電站自動化的發展歷程，分析了智能數字化變電站的關鍵技術、IED、IEC 61850標準來分析以太網信息安全技術的缺陷及其解決方法。

關鍵詞:智能數字化;IED;以太網

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)21-6127-02

基于國家電網公司落實智能數字電網計劃中的變電站轉為智能數字變電站的發展，一次、二次設備融為智能數字控制系統，這是用信息化融合傳統的科技轉化。基于新設備的融合技術都已全面打通命脈，比如在智能數字變電站關鍵技術方面，國家電網頒布了智能數字變電站關鍵技術的整體設計規劃，要求新舊設備必須符合新的技術設計規范。智能傳統變電站與智能ZigBee 數字化變電站融合，提高了智能數字變電站的應用能力，比如自動識別和協調、互動融合、PID控制系統等。在全國數字化變電站大市場中排前列，應用測試訓練點也多，采集了許多經驗，因此把傳統變電站與智能數字化變電站通過一、二次智能設備融合實現信息化智能數字變電站，也是國家電網一次大的挑站。基于ZigBee 無線傳感器網絡中的智能數字變電站的主要研究是以ZigBee無線傳感器網絡中的BP算法等數字智能化設備在無線傳感器網絡監控系統中的繼電保護的應用研究;同時采用IEC 61850標準和IEEE1588標準實現測量關鍵技術、以太網控制系統分析設備在線監測和狀態檢修及無線移動互聯網監視等功能的智能數字化嵌入式數字化變電站自動識別系統來實現 ZigBee無線傳感器網絡的IEEE1588標準實現硬件和軟件信息平臺。

1 智能數字化變電站關鍵技術

智能數字化變電站主要由基于電光效應的互感器稱為光學電流/電壓互感器(OCT/OVT)或無源式互感器;其余泛稱為電子式電流/電壓互感器(ECT/EVT)或有源式互感器基礎上分層融合，能夠實現智能設備間信息共享和互操作的現代化變電站。

1.1 智能數字變電站一次、二次設備融合體系化

基于國家電網公司落實智能數字電網計劃中的變電站轉為智能數字化變電站的發展，一次、二次設備融為智能數字控制系統，這是用信息化融合傳統的科技轉化。基于新設備的融合技術都已全面打通命脈，比如在智能數字變電站關鍵技術方面，國家電網頒布了智能數字變電站關鍵技術的整體設計規劃，要求新舊設備必須符合新的技術設計規范。智能傳統變電站與智能ZigBee數字化變電站融合，提高了智能數字變電站的應用能力，比如自動識別和協調、互動融合、PID控制系統等。在全國數字化變電站大市場中排前列，應用測試訓練點也多，采集了許多經驗，因此把傳統變電站與智能數字化變電站通過一、二次智能設備融合實現信息化智能數字變電站，也是國家電網一次大的挑站。基于ZigBee無線傳感器網絡中的智能數字變電站的主要研究是以ZigBee無線傳感器網絡中的BP算法等數字智能化設備在無線傳感器網絡監控系統中的繼電保護的應用研究;同時采用IEC 61850標準和進程通信IEEE1588標準實現測量關鍵技術、以太網控制系統分析設備在線監測和狀態檢修及無線移動互聯網監視等功能的智能數字化嵌入式數字化變電站自動識別系統來實現ZigBee無線傳感器網絡的IEEE1588標準硬件和軟件平臺。因為今年將有很多智能數字化變電站項目融合實施，為了融合國家電網新的技術規劃需求，將很快研究出新標準的新產品，如新能源風能發電并網技術須和ZigBee智能電網融合。根據我國的地理位置風能基地分布在西北、東北，如沒有一個固定穩定電力網絡結構來統一協調管理，就不能夠實現多種風能的分布式融合。比如太陽能是清潔能源，用來發電不穩定，需用電網整體結構協調應用。基于各國對智能電網的研究的方式一樣，因此在各國電網智能設備市場中，中國國內公司與國外的大公司是融會同一起跑線上。密切相關，因此智能電網將給電力自動控制化和電子信息技術安全融合巨大的利潤，物聯網進程通信、物聯網中心數據處理模塊、以及Atmegal28+CC2430的設計芯片和電子元器件等領域都將受益。

1.2 智能數字變電站網絡化

基于一種變電站直流智能設備網絡化監測管理系統，包括分布在各變電站的智能檢測設備，還包括數據采集設備、VPN局域網絡和信息處理單元，智能檢測設備的信息輸出端接入信息采集設備的輸入端，信息采集設備將信息轉換為符合VPN技術的TCP/IP通訊協議的數據包，信息采集設備的輸出端接入VPN局域網絡后傳送信息至信息處理單元，本實用新型能夠方便接入各種智能設備，并將所采集數據信息送入開放實時數據庫，便于設備運行狀態信息處理單元進行分析處理，使設備信息能得到充分利用，對數據進行處理分析并web發布，對變電站直流電源系統各設備的運行情況進行實時監控，提高供電系統的可靠性。

1.3 IED的互操作性

為了保證IED的互操作性，需要對其進行一致性測試和性能測試。一致性測試屬于“證書”測試，目的是測試IED是否符合特定標準。一致性測試一般由授權機構完成，而性能測試則由用戶組織實施。與常規變電站相比，數字化變電站系統中的一致性測試和應用測試的聯系更為緊密。一致性測試是應用測試的基礎，產品只有通過了一致性測試才具備構成應用系統以執行應用測試的條件。由于IEC 61850標準的復雜性、其性能在網絡異常時的未知性以及保護、監控系統對實時性的嚴格要求等原因，很可能出現單獨產品已通過一致性測試，將其構成應用系統時卻不能通過應用測試的情況。

2 智能數字化變電站以太網信息安全技術對策

IEEE1588所定義的精確網絡同步協議實現了網絡中的高度同步，使得分配控制工作時無需再進行專門的同步通信，從而達到了通信時間模式與應用程序執行時間模式分開的效果。智能數字化變電站內由于各種智能電子設備的大量應用，變電站內運行、狀態和控制等智能數字化信息需要傳送，負責傳送這些信息的網絡通訊系統成為智能數字化變電站的重要平臺，因而，網絡可靠性直接關系著智能數字化變電站的良好運行。

2.1 基于數字化變電站

數據加密技術是一種防止數據采集發收篡改的方法，其中用到人工神經網絡中的BP算法來貫卻任意大小的數據消息，而BP神經網絡權值、閾值的修正融合函數下降最快負梯度方向。如xk+1=xk-αkgk;其中xk是當前的權值和閾值矩陣，gk是當前表現函數的梯度， αk是數據加密。

2.2 VPN技術

雖然實現VPN的技術和方式很多，但所有的VPN均應保證通過電網網絡平臺傳輸數據的專用性和安全性。在安全性方面，由于VPN直接構建在電網網上，實現簡單、方便、靈活，但同時其安全問題也更為突出。電力公司必須確保其VPN上傳送的數據不被攻擊者窺視和篡改，并且要防止非法用戶對網絡資源或私有信息的訪問。VPN技術網應當為電力數據提供不同等級的服務質量保證。不同的用戶和業務對服務質量保證的要求差別較大。在網絡優化方面，構建VPN技術的另一重要需求是充分有效地利用有限的VPN局域網資源，為重要數據提供可靠的帶寬。VPN局域網流量的不確定性使其帶寬的利用率很低，在流量高峰時引起網絡阻塞，使實時性要求高的數據得不到及時發送;而在流量低谷時又造成大量的網絡帶寬空閑。QoS和PB算法通過流量預測與流量控制策略，可以按照優先級分實現帶寬管理，使得各類數據能夠被合理地先后發送，并預防阻塞的發生。

2.3 信息的同步性

為避免電氣量的相位和幅值產生誤差，二次設備需要在同一時間點上獲得采樣數據。傳統電磁式互感器輸出的模擬信號不存在上述問題，但由合并單元輸出的數字采樣信號就必須含有時間信息。應在現場進行試驗來驗證合并單元進行數據采樣的時間同步準確度，以滿足系統測量和控制的要求。由于傳統以太網自身的限制，通過多播方式在網絡內實現時間同步很困難。IEC 61850采用SNTP實現不同設備間的同步采樣，以UTC作為時鐘同步源。由于過程層總線的負載大，要求同步誤差控制在1μs，因此過程層同步標準必須采取IEEE 1588標準。1個IEEE1588精密時鐘系統包括多個節點，每個節點代表1個時鐘，時鐘之間經由網絡連接。按工作原理可將時鐘分為普通時鐘和邊界時鐘，普通時鐘只有1個TVP端口，而邊界時鐘具有多個TVP端口。在網絡中，每個時鐘都可能處于從屬時鐘、主時鐘和原主時鐘共3種狀態，時鐘所處的狀態是根據最優化的時鐘算法確定的。

2.4 以太網接口芯片POE在智能電網嵌入式中的應用

基于POE標準是以太網的傳輸電纜輸送直流電到POE兼容的嵌入式設備定義為兩種方法:一種是“中間跨接法”是以太網電纜中沒有被使用的空閑線對來傳輸直流電，融合的PSE支持POE功能的以太網HC3交換機、S9800核心路由器、集線器或其他網絡交換設備。二種是“末端跨接法”是在傳輸數據采集的芯線上同時傳輸直流電，其輸電融合以太網數據采集信號不同的頻率。PSE是嵌入式交換機專門的電源管理設備。它對應每個端口有兩個RJ45插孔，一個用短線連接至交換機，另一個連接遠端設備。可以省去設置獨立輸電的專用線，這對于僅有8芯的電纜和相配套的標準RJ-45插座意義特別重大。

PD設備與POE標準融合時就直接通過RJ-45插座從以太網電纜供電，對于與POE不融合的設備可以采用直流變換器或抽頭分壓裝置的方法，將其電壓變換成POE兼容的電壓被稱為有源以太網分裂器。

2.5 ZigBee協議棧

要實現的是電量等信息匯總到監控機上，采用的是IEEE802.15.4標準的Atmegal28+CC2430的芯片來實現各個節點網絡連接的融合的實現整個IEEE802.15.4標準的TCP/IP協議棧。基于變電站各個節點模塊中， IEEE802.15.4標準的Atmegal28單片機是通過SPI接口和CC2430通信融合，在IEEE802.15.4標準實現ZigBee協議棧的融合實現數據在ZigBee無線傳感器網絡定位中的傳輸。軟件方面，采用IEEE802.15.4標準Atmegal28中實現一個精簡的Zigbee協議棧，完成ZigBee鏈路層的建立和數據的傳輸和多種網絡拓撲融合體系結構。

3 結束語

IEC61850標準的實施、非常規互感器的應用以及智能斷路器技術的成熟將逐步推進數字化變電站示范性工程的建設，這意味著變電站自動化技術將進入全面數字化的新階段。在未來10年內，數字化變電站必將成為變電站自動化技術發展的主流，同時也將為未來“數字化電網”的建設奠定堅實的基礎。減少了設備的退出次數和時間，提高了設備的可用性;減少了自動化設備的數量，從而簡化了二次接線，提高了系統的可靠性;設備的互操作性為維護、更新和擴展設備的功能提供了方便。實現了信息在運行系統和其它支持系統之間的共享，減少了重復建設的投資以及變電站壽命周期內的總體成本。

參考文獻:

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