基于調度數據網IEC-101遠動數據網絡化傳輸方式研究

李新江，夏桂兵，陳慶華，劉 燁，孫高盼，曾慶國

(國網巴中供電公司調度控制中心，四川 巴中 636600)

電力系統是國家安全的重要組成部分，其穩定運行關系國計民生，其中電力監控系統更是電力系統的大腦和神經中樞，作為電力監控原始數據傳輸的安全防護更是重中之重。目前，國網巴中供電公司所轄廠站均分別采用IEC-101[1]和IEC-104[2-3]進行遠動數據傳輸，未達到雙調度數據網傳輸的冗余配置。

如何快速滿足國家電網公司及四川省公司的安全防護要求，對所轄廠站進行雙網冗余配置，已亟待解決。第一種方案是等待立項另外購買一套廠站端調度數據網設備(路由器、交換機、加密機)，第二種方案是探索一條既經濟節約又能滿足安全防護要求的研究路線。

1 基于IEC-101和IEC-104的遠動數據傳輸現狀

1.1 基于 IEC-101的傳輸

IEC60870-5-101規約(簡稱IEC-101規約)是國際電工委員會(IEC)制定的《遠動設備及系統第5-101部分：傳輸規約基本遠動任務配套標準》，對應我國電力行業標準DL/T634.5101—2002《遠動設備及系統第5101部分：傳輸規約 基本遠動任務配套標準》。其用于變電站與控制中心之間交換信息，不同控制中心之間交換信息，也可以用于集控站與控制中心之間交換信息。

1.2 基于 IEC-104的傳輸

IEC60870-5-104規約(簡稱104規約)定義了開放的TCP/IP接口的使用，這個網絡包含如傳輸DT/L634.5101—2002《遠動設備及系統第5104部分：傳輸規約 基本遠動任務配套標準》ASDU的遠動設備的局域網，包含不同廣域網類型(如X.25，幀中繼，ISDN等)的路由器可通過公共的TCP/IP局域網接口互聯。

2 基于調度數據網IEC-101遠動數據網絡化傳輸

2.1 選擇協議轉換方案

要實現IEC-101數據的網絡化傳輸，必須將IEC-101協議的數據接口進行網絡化轉換，目前市面上有兩種協議轉換裝置(設備)，分別從網絡路由、遠程管理、參數配置、端口數量、設備成本等方面進行了綜合比較分析，確定了最佳協議轉換方案。

方案1：采用RS-232轉RJ-45協議轉換器。RS-232轉RJ-45轉換器是RS-232到TCP/IP協議轉換的簡易設備，設備功能簡單，接口資源單一。通過購置1臺RS-232轉RJ-45轉換器，實現IEC-101遠動數據網絡化傳輸的轉換。

方案2：采用串口通信服務器(終端服務器)[4]。串口通信服務器是RS-232到TCP/IP協議轉換的專業設備，設備功能完備，接口資源豐富。通過購置1臺串口通信服務器，實現RS-232到TCP/IP的協議轉換，實現IEC-101遠動數據網絡化傳輸的轉換。

(1)方案比較：網絡路由。方案1、方案2均支持網絡路由功能，滿足廣域網的使用需求。方案1采用的是簡易設備，僅具備1個網絡接入能力，只具備1條靜態路由，不滿足未來雙平面接入需求。方案2采用的是專用設備，具備2個網絡接入能力，可配置2條靜態路由，可以滿足未來雙平面接入需求。

(2)方案比較：遠程管理。方案1、方案2均支持遠程配置和WEB訪問配置功能，滿足設備的遠程管理需要。方案1不支持Linux操作系統終端訪問配置，設備配置管理方式單一。方案2支持Linux操作系統終端訪問配置，設備配置管理方式靈活。

(3)方案比較：參數配置。方案1、方案2均支持RS-232基本參數(波特率及校驗位)的設置，也支持TCP端口設置，滿足IEC-101遠動數據網絡化接入的基本需求。方案1設備功能單一，不支持監聽功能；方案2具備監聽功能，可適應設備多樣化使用需求。

(4)方案比較：端口數量。方案1僅支持單端口，僅滿足1路IEC-101遠動數據網絡化接入需求。方案2支持多端口，滿足多鏈路接入需求，適應主調、備調系統同步接入功能需求。

(5)方案比較：設備成本。方案2的串口通信服務器價格差不多是方案1的RS-232轉RJ-45轉換器的兩倍。

表1為各方案綜合得分(優勢越大分越高)。方案2綜合得分最高，因此選擇方案2“采用串口通信服務器”為最佳協議轉換方案。

表1 兩個方案的綜合得分

2.2 選擇網絡組建方案

欲實現IEC-101遠動數據的網絡化傳輸，其次需要解決落實的問題是網絡通道組建方式。為此，根據日常工作經驗與實際，初步形成了3套網絡組建方案。

下面從設備成本、維護成本、推廣成本、人工成本、技術難度、安全風險、安裝空間、傳輸帶寬等多維度進行了比較分析，最終確定了最佳網絡組建方案。

方案1：基于協議轉換器組建專用網絡。購置E1-RJ45接口轉換器2對(4臺)，由通信專業分別開通主站(主調)—站端、主站(備調)—站端帶寬為2 M的E1傳輸通道，組建點對點專用網絡。

方案2：基于傳輸以太網組建專用網絡。購置傳輸以太網板3塊，由通信專業分別開通主站(主調)-站端、主站(備調)—站端帶寬為2 M的以太網，組建點對點專用網絡。

方案3：復用現有調度數據網專用網絡。復用現有調度數據網軟硬件資源，由自動化專業自行組建基于網絡路由的網狀網絡。

(1)方案比較：設備成本(以實施1個站進行統計分析)。方案1、方案2均需購置設備材料以組建專用網絡，設備投資較大；方案3復用現有調度數據網設備，無需設備投入。

(2)方案比較：維護成本(以維護1個站進行統計分析)。方案1、方案2的設備材料不具備網絡管理功能，不具備遠程巡檢條件，只能進行現場維護，設備巡檢頻度低、巡檢耗時長；方案3設備具備網絡管理功能，可以開展遠程巡檢，設備可巡檢頻度高、巡檢耗時少。

(3)方案比較：推廣成本(以推廣1個站進行統計分析)。方案1、方案2在大規模進行IEC-101遠動數據網絡化改造時均需新購置一套組網設備材料，技術推廣成本高昂；方案3調度數據網設備已覆蓋全部35kV及以上變電站，技術推廣使用時無需購置新的組網設備材料。

(4)方案比較：人工成本(以實施1個站進行統計分析)。方案1、方案2在現場實施時均需通信專業人員配合，需在調度主站端、變電站端開展設備安裝調試工作，自動化及通信專業人力需求大；方案3因無需購置新的組網設備材料，因此無安裝調試工作，無需投入人力組建網絡。

(5)方案比較：技術難度。方案1、方案2采用的是星型輻射網絡，網絡結構簡單；整個網絡同屬一個局域網，網絡規劃簡單；星型網絡故障定位準確，故障排查簡單。方案1設備配置調試簡單；方案2傳輸以太網板設備配置復雜。方案3采用的是網狀型網絡，網絡結構復雜，網絡規劃復雜；設備具備網絡管理功能，故障排查簡單；設備配置命令繁多，配置調試復雜。

(6)方案比較：安全風險。方案1、方案2組建的網絡均屬于局域網，存在廣播風暴的風險，網絡穩定性差，故障影響范圍大；網絡路由靠人工指定，不具備自動路由功能，路由冗余性差。方案3設備技術成熟，網絡穩定性高；采用MPLS/VPN技術[5-6]，具備自動路由功能，路由冗余性好；每個變電站業務接入層屬于不同的局域網，相互隔離，網絡風暴影響范圍小。

(7)方案比較：安裝空間。方案1主站端和變電站端都需安裝新設備，設備數量多，占用空間多；方案2主站端和變電站端也需安裝新設備，但僅需占用原設備槽位，占用空間少。方案3無需安裝新設備，不占用空間。

(8)方案比較：傳輸帶寬。方案1、方案2、方案3在接入層(變電站端)都采用固定帶寬接入方式，占用相同帶寬(2 M)。方案1在匯聚層仍采用固定帶寬接入，帶寬利用率低；方案2在匯聚層按匯聚節點采用局部共享帶寬方式，帶寬利用率居中；方案3在匯聚層采用交叉組網方式，全面共享帶寬，帶寬利用率高。

表2為三個方案的綜合得分(優勢越大分越高)。方案3的綜合得分最高，因此選擇方案3“復用現有調度數據網專用網絡”為最佳網絡組建方案。

表2 三個方案的綜合得分

2.3 選擇網絡規劃方案

在確定“復用現有調度數據網專用網絡”為最佳網絡組建方案后，下一步從具體網絡規劃探討出兩個方案，并從地址規劃難度、設備配置難度、地址充裕程度、安全影響程度等多方面進行了比較分析，最終確定了最佳網絡規劃方案。

方案1：復用調度數據網實時VPN。直接復用當前調度數據網已配置運行的實時VPN(VPN-RT)，借用當前實時VPN的業務IP地址作為IEC-101遠動數據網絡化傳輸所需的業務IP地址。

方案2：新建調度數據網專用VPN。在現有調度數據網的基礎上新建專業VPN(VPN-101)，獨立規劃IEC-101遠動數據網絡化傳輸所需業務IP地址。

(1)方案比較：地址規劃難度。方案1復用調度數據網現運行的實時VPN，直接借用該VPN的業務IP地址，因此無需規劃公網地址、私網地址、業務地址，地址規劃簡單。方案2需新建VPN-101，需在現運行OSPF公網的基礎上新規劃私網地址和業務地址，地址規劃難度大。

(2)方案比較：設備配置難度。方案1無需修改設備配置，路由器、交換機、服務器等設備均不需要配置，實施簡單。方案2需要修改路由器配置新建VPN-101網絡；需要修改交換機配置新建業務接入網絡；需要修改調度主站端前置服務器配置，新接入VPN-101網絡、添加網絡路由，網絡配置復雜。

(3)方案比較：地址充裕程度。方案1需借用原VPN-RT業務地址，可借用的地址少，占用原備用業務地址；方案2采用新規劃業務地址，可用地址多，不占用原備用的業務地址。

(4)方案比較：安全影響程度。方案1采用借用地址方式，因地址管理問題在運行中可能會出現地址沖突問題；因不需修改設備配置，故不存在相應的影響和安全隱患。方案2采用新規劃地址方式，不存在地址沖突的可能性；因需修改設備配置，可能會誤動原設備配置或因新添加的配置影響當前運行配置；因新配置未經原設計專家審核，可能會存在潛在安全隱患。

表3為各方案綜合得分(優勢越大分越高)。

表3 各方案綜合得分

結論：方案1綜合得分最高，因此選擇方案1“復用調度數據網實時VPN”為最佳網絡規劃方案。

2.4 選擇安全配置方案

IEC-101遠動數據原來采用專線傳輸方式時不具備安全加密功能，只能進行明文傳輸。現IEC-101遠動數據將實現網絡化傳輸，數據傳輸方式有“明文傳輸”和“密文傳輸”兩種安全配置方案，對兩種方案進行了比較，確定了最佳安全配置方案。

方案1：延續IEC-101專線明文傳輸方式。不改變IEC-101遠動數據原有傳輸方式，只實現單純的網絡化傳輸，傳輸的數據仍延續明文傳輸方式，縱向加密裝置僅配置明通策略。

方案2：借鑒IEC-104網絡密文傳輸方式。改變IEC-101遠動數據原有傳輸方式，在網絡化傳輸的基礎上，借鑒IEC-104網絡密文傳輸方式實現加密傳輸，縱向加密裝置配置密通策略。

方案1延續明文傳輸方式，縱向加密裝置僅配置明通策略，設備調試簡單，數據處理效率高，但會對調度數據網引入新的網絡安全風險，因此不選擇本方案。

方案2借鑒IEC-104網絡密文傳輸方式采用加密傳輸，縱向加密裝置需配置密通策略，設備調試復雜，數據處理效率有所降低，但IEC-101遠動數據通信量少，數據處理效率降低影響甚微，鑒于本方案不會為調度數據網引入新的網絡安全風險，故選擇此方案。

結論：方案2“借鑒IEC-104網絡密文傳輸方式”為最佳安全配置方案。

2.5 選擇業務割接方案

業務割接是IEC-101數據網絡化傳輸的最后一個必要環節，業務割接的關鍵點在于遠動通信管理機與串口通信服務器之間連接線及接口的重新連接。

為此，基于“新布放制作轉接線纜”和“改造利舊原通信線纜”兩種方案進行了比較和選擇。

方案1：新布放制作轉接線纜。重新布放遠動通信管理機與串口通信服務器之間的通信線纜，按照兩端接口標準制作線纜接頭，線纜測試成功后，在遠動通信管理機側替換插入原通信接口，在串口通信服務器側直接接入規劃的通信接口。

方案2：改造利舊原通信線纜。利舊原來布放的通信線纜，按照串口通信服務器側的接口標準重新制作原RS-232配線架側的通信接頭，接頭測試成功后，直接接入規劃的通信接口，遠動通信管理機側的接口保持不變。

方案1線纜布放、接頭制作等前期準備時間長，但線纜布放完畢后即可直接投入使用，可同時完成主調、備調IEC-101業務的接入，對已運行的IEC-101業務影響小，中斷時間短，故選擇此方案。

方案2利舊原通信線纜，只需重新制作串口通信服務器側的通信接頭，業務割接工作量少，但是因制作通信接頭比較耗時，制作期間已運行的IEC-101業務處于中斷狀態，中斷時間長，故不選擇此方案。

結論：方案1“新布放制作轉接線纜”為最佳業務割接方案。

3 結果與分析

IEC-101遠動數據實現網絡化傳輸后，對傳輸過程中經過的通信設備和專線(RS-232)斷點數量再次進行了調查和統計。專線通信斷點數量如圖1所示。

圖1 專線通信斷點數量

通過本次研究，實現了IEC-101遠動數據的網絡化傳輸，僅變電站側遠動通信管理機與串口通信服務器之間的傳輸方式為專線傳輸，其余與調度主站的通信環節均為網絡化傳輸，專線傳輸斷點數量縮減為了1個。

同時，有效利用了遠動通信管理機的IEC-101專線通信接口資源，充分發揮IEC-101專線通信成熟穩定優勢，解決IEC-101專線通信傳輸速度慢、通道誤碼高、數據無法加密、故障定位困難等問題，繼續保持了主調系統“IEC-104+IEC-101”雙協議、雙通道接入方式，同步實現備調系統“IEC-104+IEC-101”雙協議、雙通道接入，能真正意義上實現了備調系統廠站的全接入。

4 結語

本文提出了一種基于IEC-101遠動數據網絡化傳輸方式，既可滿足安全防護的要求，又可結合雙規約的共同優點進行遠動數據的可靠傳輸，同時也可實現備調系統“IEC-101+IEC-104”方式的雙通道接入，滿足了備調系統實時數據冗余性需求。通過試驗取得了令人滿意的效果。

本文的工作還存在一定不足，下一步包括實現站端自動化設備控制口的集中接入管理等工作。