變電站綜合自動化的現(xiàn)狀分析及改進(jìn)研究

張 貝，商 懿，周 信，倪彬彬

華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430074

0 引言

近年來，隨著構(gòu)建智能電網(wǎng)的設(shè)想提出，變電站自動化系統(tǒng)飛速發(fā)展進(jìn)入智能化時代，但是常規(guī)的變電站綜合自動化系統(tǒng)因?yàn)槠涑墒於?、安全性和穩(wěn)定性，將在很長的一段時間內(nèi)仍然在整個變電站系統(tǒng)中占據(jù)重要的位置，因此對變電站綜合自動化系統(tǒng)的完善有著很重大的現(xiàn)實(shí)意義。本文主旨是，立足變電站綜合自動化系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，從調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)的角度對間隔層、過程層和變電站層進(jìn)行分析、探討變電站綜合自動化系統(tǒng)問題，并提供可靠的解決措施。

1 數(shù)據(jù)采集的安全穩(wěn)定性分析

間隔層在變電站綜合自動化系統(tǒng)中起著數(shù)據(jù)采集的作用，數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)性、安全性和穩(wěn)定性制約著整個系統(tǒng)的發(fā)展，而且從調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)的角度來講，數(shù)據(jù)采集工作也影響這系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 測控裝置調(diào)試

測控裝置在信息共享和遙控操作的全局防誤閉鎖中起到非常重要的作用。不同廠家、不同型號的測控裝置具體配置方式、配置文件不一樣，使得現(xiàn)場工作中測控裝置的配置尤其復(fù)雜，所以廠家在裝置出廠前，就已經(jīng)完成配置文件，并且固化到裝置內(nèi)部。這樣雖然保證了一定的安全性，但是靈活性不足。如果在現(xiàn)場臨時需要增加或者修改開入、開出功能時，就需要重新配置并灌入程序。在進(jìn)行這項(xiàng)工作時，極其容易出錯，將大大增加了現(xiàn)場工作人員，包括調(diào)試人員和廠家工作人員的工作任務(wù)。

應(yīng)從設(shè)計的角度簡化測控裝置的配置流程，并加強(qiáng)通信管理機(jī)的研發(fā)升級，盡可能減少現(xiàn)場對測控裝置配置的操作。

1.2 網(wǎng)關(guān)

所有的保護(hù)、測控裝置都是按間隔上屏安裝，有利于現(xiàn)場工作的實(shí)施和變電站的監(jiān)控。每臺保護(hù)、測控裝置配置一個網(wǎng)關(guān)，來對裝置485 接口發(fā)出的IEC103 報文進(jìn)行TCP/IP 規(guī)約轉(zhuǎn)換，再將裝置信息上傳到操作員站和工程師站。如果現(xiàn)場需要用到電能儀表之類的非103 規(guī)約的裝置，就需要根據(jù)具體的裝置規(guī)約、點(diǎn)表來單獨(dú)修改網(wǎng)關(guān)程序，來進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換。以前，因?yàn)樵O(shè)計和使用原因，外置的網(wǎng)關(guān)非常容易損壞，變電站不允許保護(hù)的網(wǎng)關(guān)外置在保護(hù)裝置外面，必須集成到保護(hù)裝置內(nèi)部，而且也規(guī)定了保護(hù)裝置與后臺主站的通訊必須是網(wǎng)絡(luò)接口輸出。這種做法雖然對系統(tǒng)集成性有很大的幫助，對模塊化有了更明確的要求，但是，很多公司并沒有對網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，只是單純的將網(wǎng)關(guān)做成了一個網(wǎng)絡(luò)插件，網(wǎng)關(guān)易壞的問題仍然存在。這樣給變電站網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行、升級和優(yōu)化也帶來了很大的隱患。

應(yīng)加強(qiáng)對網(wǎng)關(guān)的重視，技術(shù)上對網(wǎng)關(guān)的通信質(zhì)量、抗干擾性等技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)厲把關(guān)；工程上要嚴(yán)格備份網(wǎng)關(guān)程序，特別是重視A、B 網(wǎng)的切換測試，保證網(wǎng)絡(luò)的通暢。

1.3 IP 地址分配

IP 網(wǎng)絡(luò)在配電自動化中的應(yīng)用對于實(shí)現(xiàn)配電終端之間的通信及方便實(shí)現(xiàn)配電終端接入主站都會起到促進(jìn)作用，將會推動高級配電自動化及智能電網(wǎng)的發(fā)展[1]。而實(shí)現(xiàn)IP 網(wǎng)絡(luò)的最關(guān)鍵步驟就是對網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行IP 地址分配。

在分間隔對保護(hù)、測控裝置進(jìn)行IP 設(shè)置的時候，需要先在裝置面板上進(jìn)行操作分配IP 地址，再給裝置里面的網(wǎng)絡(luò)插件分配同樣的IP 地址，并且需要用專門的工具給網(wǎng)絡(luò)插件灌入配置文件。由于這種配置文件需要在現(xiàn)場進(jìn)行配置，而且不同的裝置配置文件不一樣，這樣繁瑣的操作會給現(xiàn)場的調(diào)試工作帶來不小的難度。雖然可以通過后臺系統(tǒng)進(jìn)行配置文件的批處理操作（通過IP 地址識別），但是因?yàn)榉浅Ｈ菀壮鲥e，所以都是逐個進(jìn)行配置。

在分配IP 地址之前，要首先保證網(wǎng)關(guān)的可靠性，考慮整個變電站系統(tǒng)，盡可能地按照間隔順序分配IP。IP 地址的正確配置也極大的依賴于保護(hù)、測控裝置的自動化程度，所以要解決IP 地址配置繁瑣的問題，需要大力加強(qiáng)后臺系統(tǒng)批處理網(wǎng)關(guān)配置文件的能力。

2 監(jiān)控系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間的配合分析

2.1 小電流接地選線

具體做法主要有2 種，一種是單獨(dú)裝設(shè)一臺小電流接地選線裝置，來對整個35kV 或者10kV 的母線和出線進(jìn)行基波零序電流、零序電壓的監(jiān)測，這種做法需要加裝專用的零序電流互感器。一種是在監(jiān)控軟件上進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置基波零序電壓、零序電流的門檻值，再根據(jù)裝置自產(chǎn)的3I0 和3U0，選擇適當(dāng)?shù)乃惴▉韺?shí)現(xiàn)故障選線。即把選線功能分散于各10kV 線路保護(hù)裝置再與后臺系統(tǒng)通信組成網(wǎng)絡(luò)型的小電流接地選線裝置[2]。前一種做法因需要鋪設(shè)大量電纜來采集信息，造成成本的增加，同時由于制造商的不同，小電流接地選線裝置的通訊與監(jiān)控系統(tǒng)存在規(guī)約匹配問題。第二種做法雖然節(jié)省了資源，但是因?yàn)檠b置自產(chǎn)的3I0 達(dá)不到測量的精度，使得變電站現(xiàn)場經(jīng)常將小電流接地選線閑置。

安裝零序電流互感器，通過原有的通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)線路零序電流的精確采集，再配合零序過流保護(hù)來大力改進(jìn)監(jiān)控系統(tǒng)中集成的小電流接地選線的功能和算法。

2.2 五防系統(tǒng)

目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的是監(jiān)控系統(tǒng)與五防系統(tǒng)分別獨(dú)立運(yùn)行模式的傳統(tǒng)微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)[3]。五防系統(tǒng)主要是針對現(xiàn)場的開關(guān)、隔離刀閘、接地刀閘的工作狀況來進(jìn)行五防判別，防止誤操作。每一個保護(hù)間隔都會有一把五防鎖，五防鎖的鑰匙碼，必須通過五防系統(tǒng)來給出，五防鎖的鑰匙上記錄了開關(guān)和刀閘的操作順序，只有按照鑰匙上給出的順序才能打開五防鎖。五防系統(tǒng)與操作員站相互配合、相互協(xié)調(diào)，共同保證變電站系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[3]已經(jīng)指出現(xiàn)有的五防系統(tǒng)的各種弊端：不能及時反映現(xiàn)場變化的情況、鎖具易壞、五防主機(jī)與電腦鑰匙的通訊可靠性不足等。由于五防系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)是獨(dú)立分開安裝在兩臺計算機(jī)上，所以需要對五防系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的配置，使得現(xiàn)場工作量大大增多，因?yàn)槲宸赖墓ぷ魍枰O(jiān)控系統(tǒng)的配合，所以其工作周期往往會很長，降低了工作效率。而且，一旦變電站結(jié)構(gòu)變化或者刀閘、開關(guān)的遙信點(diǎn)變化之后，就需要五防廠家進(jìn)行大量組態(tài)、閉鎖邏輯的修改工作，對人力資源是極大的浪費(fèi)。

盡量保證五防廠家跟監(jiān)控廠家一致，根本目的是要保證五防軟件和監(jiān)控軟件的配合協(xié)調(diào)性，減少五防和監(jiān)控的重復(fù)性工作。

2.3 對時系統(tǒng)

時鐘同步技術(shù)對電力系統(tǒng)運(yùn)行具有重大意義，目前技術(shù)條件下，在變電站內(nèi)，將時間報文（網(wǎng)絡(luò)對時）和脈沖信號（PPS信號對時）相綜合的綜合對時方式（包括TRIG-B）仍是保證對時精度的有效手段[4]。35kV 電壓等級變電站的對時為了節(jié)省成本采用網(wǎng)絡(luò)對時，110kV 及以上電壓等級的變電站都需要采用GPS 對時。但是，由于GPS 對時系統(tǒng)的成本大，精度和穩(wěn)定性容易受衛(wèi)星信號和裝置硬件的影響，所以在很多110kV 變電站中，通常只對遠(yuǎn)動裝置進(jìn)行GPS 對時，而其他的裝置都采用網(wǎng)絡(luò)對時，這不僅是對GPS 資源的浪費(fèi)，也給通信系統(tǒng)帶來了極大的隱患。而且，通信系統(tǒng)過分的依賴國外的GPS 技術(shù)，也會給系統(tǒng)帶來隱患。

現(xiàn)階段，應(yīng)該從調(diào)試、運(yùn)行的角度加大對變電站對時系統(tǒng)的理解和應(yīng)用體會；通過改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件配合的方式，對網(wǎng)絡(luò)對時的精度和穩(wěn)定性經(jīng)行改進(jìn)；加強(qiáng)并完善我國的“北斗”對時系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3 遠(yuǎn)動系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性分析

在完成變電站層的調(diào)試工作后，需要進(jìn)行與調(diào)度主站的通訊調(diào)試。具體工作如下：

1）需要2 臺或者更多的RTU 裝置（實(shí)現(xiàn)雙機(jī)雙通道的切換與備用），在后臺系統(tǒng)上用專門的軟件進(jìn)行遠(yuǎn)動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置，可以直接導(dǎo)入操作員站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也可以單獨(dú)的加入或者修改。

在進(jìn)行直接導(dǎo)入操作時，由于操作員站的信息極其龐大，所以，經(jīng)常容易出現(xiàn)漏洞，甚至導(dǎo)致配置軟件系統(tǒng)內(nèi)裝置信息的全部丟失，特別是在進(jìn)行老站改造，需要加入新的信息點(diǎn)給遠(yuǎn)動裝置的時候，這種狀況特別容易發(fā)生；

2）在遠(yuǎn)動系統(tǒng)配置完成后，根據(jù)調(diào)度所需要的遙信點(diǎn)、遙測量和遙控點(diǎn)，對需要上傳的信息點(diǎn)進(jìn)行配置，要保證遙信的信點(diǎn)號的連續(xù)性，防止上送的遙信報文發(fā)生間斷、紊亂；

3）將配置好的文件灌入到遠(yuǎn)動裝置中去，重啟遠(yuǎn)動裝置。在重啟的過程中，主站與子站的通信會斷掉，帶來了安全隱患，而且在遠(yuǎn)動重新上電之后，為了保證安全性，需要對子站的所有的遙信、遙測點(diǎn)進(jìn)行核對，又帶來了很大的工作負(fù)擔(dān)；

4）再對照主站總召的報文和現(xiàn)場實(shí)際情況來對每個遙信點(diǎn)、遙測數(shù)據(jù)和SOE 信息的檢驗(yàn)。由于子站和主站系統(tǒng)不一定是一個廠家，所以規(guī)約的解析方式往往存在著很大的差異，所以，要完成調(diào)度主站與子站的通信調(diào)試，需要雙方技術(shù)人員和工程人員的極大配合。在調(diào)試遠(yuǎn)動通道時，分析報文是一個很好的手段，遠(yuǎn)動系統(tǒng)的所有問題，大多數(shù)都可以通過分析報文來發(fā)現(xiàn)[5]。由于運(yùn)動通道會采用IEC101 規(guī)約、CDT 規(guī)約等多種規(guī)約切換的方式進(jìn)行通訊，所以現(xiàn)場工程人員需要對各種遠(yuǎn)動規(guī)約有很詳細(xì)的了解。傳輸協(xié)議的冗余設(shè)計不僅給遠(yuǎn)動裝置帶來了負(fù)擔(dān)，也給變電站遠(yuǎn)動部分的正常運(yùn)行造成了隱患。而且，在遠(yuǎn)動裝置上傳的報文中，有很多是干擾或者無用的信息，給通信網(wǎng)絡(luò)增加了負(fù)擔(dān)，所以在對遠(yuǎn)動裝置進(jìn)行完善和優(yōu)化的同時，也要極大加強(qiáng)對變電站工作人員的規(guī)約培訓(xùn)，增加其報文的解讀能力、定位系統(tǒng)問題的能力。

4 通信網(wǎng)絡(luò)的安全性分析

通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，給變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了巨大的發(fā)展空間，同時也給系統(tǒng)的安全性帶來了不可避免的隱患。各類電力信息系統(tǒng)由于信息共享和寫作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)互連，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議也逐步采用開放通用TCP/IP 協(xié)議，這使得非法者可以采用各種攻擊技術(shù)在信息空間對電力信息系統(tǒng)經(jīng)行攻擊，破壞電力系統(tǒng)信息安全[6]。正是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)腡CP/IP 報文有著各種固定的規(guī)范，使得網(wǎng)絡(luò)容易被黑客攻擊。針對調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)雖然是一個專門的通信網(wǎng)，與常用的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立，但是除了計算機(jī)自帶的防火墻和網(wǎng)絡(luò)防火墻以外，基本沒有硬件、軟件保護(hù)措施，只要找到通信網(wǎng)絡(luò)就能夠通過很簡單的代碼指令實(shí)現(xiàn)對調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的非法接入，極大地破壞通信系統(tǒng)的安全性。

除了來自網(wǎng)絡(luò)的安全性威脅，還有來自移動存儲裝置的威脅。在變電站中，安裝有后臺圖形用戶界面系統(tǒng)的計算機(jī)上（操作員站和工程師站），一般都禁止裝殺毒軟件，防止殺毒軟件將GUI 系統(tǒng)創(chuàng)建的文件當(dāng)作是病毒刪除。這樣的做法，使得移動存儲單元接入時，會帶來病毒，危害后臺系統(tǒng)。

現(xiàn)在的通信協(xié)議都不能正確處理一些無意識的錯誤，比方說電力系統(tǒng)裝置的誤操作、通信裝置失靈和一些故意的破壞等行為。我們應(yīng)加強(qiáng)對電力系統(tǒng)操作的通信要求和安全措施的潛在影響的正確理解；加大在計算機(jī)安全策略、安全技術(shù)和安全措施方面的投入，大力建立并推廣同電力行業(yè)特點(diǎn)相適應(yīng)的電力信息安全體系。

5 結(jié)論

變電站自動化系統(tǒng)不斷的發(fā)展至今，已經(jīng)取得了很多重大的成果。雖然智能化變電站是變電站發(fā)展的大趨勢，但是目前來看，變電站綜合自動化系統(tǒng)仍然在電力系統(tǒng)中扮演者主要的角色。文章從測試裝置的調(diào)試、網(wǎng)關(guān)的設(shè)計以及IP 地址的分配出發(fā)，分析變電站綜合自動化系統(tǒng)間隔層的弊端，對綜合自動化系統(tǒng)的其他模塊比如小電流接地選線、五防系統(tǒng)和對時系統(tǒng)的弊端提出改進(jìn)建議，并指出了變電站子站與調(diào)度主站通訊的安全隱患，最后強(qiáng)調(diào)了綜合自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性，指出了系統(tǒng)的改進(jìn)方向。當(dāng)下，我們必須立足現(xiàn)在，展望未來，綜合考慮成本、安全性以及可靠性，客觀選擇變電站綜合自動化系統(tǒng)或者智能化變電站。

[1]韓國政，徐丙垠.IP網(wǎng)絡(luò)在配電自動化中的應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動化，2011，35(7).HAN Guozheng，XU Bingyin.Application of IP Network in Distribution Automation.2011.Vol.35 No.7.

[2]黃志興，狄瑞坤，袁樹林.小電流接地選線技術(shù)的分析.華東電力，2006，4，34(4).HUANG Zhi-xing，YUAN Shu-lin.Line selection technology for small current grounding systems.East China Electric Power.2006. Vol.34 No.4.

[3]胡巨，陳宏輝.一種新型的變電站在線式五防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(19).HU Ju，CHEN Hong-hui.Application of the on-line anti-maloperation system in substation.Power System Protection and Control.2010.Vol.38 No.19.

[4]張信權(quán)，梁德勝，趙希才.時鐘同步技術(shù)及其在變電站中的應(yīng)用.繼電器，2008，36(9).ZHANG Xin-quan, LIANG De-sheng, ZHAO Xi-cai.Time synchronization and its application in substation.RELAY，2008.Vol.36 No.9.

[5]張士勇，陳春，賈大昌，陳云侖.應(yīng)用101（104）規(guī)約的“電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)”在現(xiàn)場調(diào)試維護(hù)中的關(guān)鍵技術(shù)分析.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(5).

ZHANG Shi-yong，CHEN Chun，JIA Da-chang，CHEN Yun-lun.Analysis of pivotal technique in fieldwork of electric power grid SCADA system which applied 101(104).protocols.Power System Protection and Control.2011.Vo1.39 No.5.

[6]李文武，游文霞，王先培.電力系統(tǒng)信息安全研究綜述.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(10).LI Wen-wu，YOU Wen-xia，WANG Xian-pei.Survey of cyber security research in power system.Power System Protection and Control.2011.Vol.39 No.10.