基于電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)原則下的網(wǎng)絡(luò)搭建

任 益，姚 遠(yuǎn)，邵 毅，王洪凱

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展及與工業(yè)控制系統(tǒng)的深度融合，極大提高了工業(yè)控制系統(tǒng)工作效率的同時(shí)，也帶來(lái)了嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題[1]。電網(wǎng)系統(tǒng)作為國(guó)家的重點(diǎn)基礎(chǔ)行業(yè)，關(guān)系著國(guó)計(jì)民生。在電力網(wǎng)絡(luò)安全管理工作中，存在諸多網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。比如網(wǎng)絡(luò)病毒、黑客入侵、數(shù)據(jù)盜取等都給電力企業(yè)帶來(lái)極大損失[2]。

目前電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)覆蓋全行業(yè)的安全防護(hù)體系已基本建成，電力監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)行和電力的可靠供應(yīng)已得到了有效保障?，F(xiàn)今國(guó)家電網(wǎng)有限公司已將防范和控制大電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)的重要性提升到了確保國(guó)家安全的戰(zhàn)略高度，因此電網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)章制度的建立與落實(shí)勢(shì)必將納入到安全管理體系中[3]。

電廠(chǎng)作為生產(chǎn)電力的基礎(chǔ)單元，有著相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)控制機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行，但它同樣不可避免的存在著與電網(wǎng)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)以及其他控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、信息交互。因此，規(guī)范系統(tǒng)通信的實(shí)施方法，完善網(wǎng)絡(luò)安全的防護(hù)措施，對(duì)電廠(chǎng)運(yùn)行生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定起到積極的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

某火電廠(chǎng)為優(yōu)化熱電負(fù)荷分配，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益，增設(shè)了電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需通過(guò)對(duì)單元機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)和省網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，通過(guò)計(jì)算得出最優(yōu)的電、熱負(fù)荷指令，為單元機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供指導(dǎo)和參考。本文通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)搭建過(guò)程的介紹，給出了一套成熟、可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨浮Ｍㄟ^(guò)檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全性，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明了其系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，為電力監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)搭建提供了借鑒。

1 電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全防護(hù)基本原則

電力作為關(guān)系到人民生活、生產(chǎn)，社會(huì)穩(wěn)定、發(fā)展的重要能源，需要保證其調(diào)度、生產(chǎn)的安全與穩(wěn)定。為了保證電力監(jiān)控系統(tǒng)的安全，國(guó)家能源局于2015年出臺(tái)了《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案》，用于防范黑客及惡意代碼等對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)的攻擊和侵害，防止電力監(jiān)控系統(tǒng)的崩潰或癱瘓，以及由此造成的電力設(shè)備事故或電力安全事故。

電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)體系的總體原則是“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”。安全分區(qū)是指將電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)體系劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)2個(gè)部分，其中生產(chǎn)控制大區(qū)可根據(jù)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是否具有直接控制功能拆分為控制區(qū)(安全區(qū)Ⅰ)和非控制區(qū)(安全區(qū)Ⅱ)。網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用是指生產(chǎn)控制大區(qū)服務(wù)的專(zhuān)用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)在專(zhuān)用通道上使用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組網(wǎng)，安全區(qū)的外部邊界網(wǎng)絡(luò)之間的安全防護(hù)隔離強(qiáng)度應(yīng)該和所連接的安全區(qū)之間的安全防護(hù)隔離強(qiáng)度相匹配。橫向隔離是電力二次安全防護(hù)體系的橫向防線(xiàn)，是生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間的必備邊界防護(hù)措施，是橫向防護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備?？v向加密認(rèn)證是電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)體系的縱向防線(xiàn)。采用認(rèn)證、加密、訪(fǎng)問(wèn)控制等技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)方安全傳輸以及縱向邊界的安全防護(hù)。

在電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過(guò)程中，需要將安全防護(hù)作為重中之重，時(shí)刻保持認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，嚴(yán)格遵守總體原則的設(shè)計(jì)要求，從根本上杜絕網(wǎng)絡(luò)缺陷和系統(tǒng)漏洞帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，將網(wǎng)絡(luò)安全落實(shí)在實(shí)處。

2 電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)搭建

電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)對(duì)機(jī)組調(diào)度計(jì)劃曲線(xiàn)與機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的計(jì)算與分析，得出機(jī)組電、熱負(fù)荷的最優(yōu)分配，并以其作為DCS控制系統(tǒng)調(diào)整機(jī)組出力的參考依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)鍋爐煤耗的降低和機(jī)組效率的提升。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)需要與調(diào)度管理系統(tǒng)(OMS系統(tǒng))、分散控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)(NCS系統(tǒng))進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

考慮到控制算法在運(yùn)行初期可能存在問(wèn)題，為確保機(jī)組運(yùn)行的安全性，在系統(tǒng)投入前，搭建仿真系統(tǒng)用于對(duì)策略算法的仿真和推演，以驗(yàn)證控制策略的合理性及控制算法的可靠性。仿真系統(tǒng)的建立能夠有效提升電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)的靈活性。因此增加1套仿真系統(tǒng)，用于對(duì)策略算法的調(diào)試和檢驗(yàn)。仿真系統(tǒng)采集OMS系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， SIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)用于替代機(jī)組DCS控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)源，這是因?yàn)镾IS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與處理對(duì)機(jī)組的安全生產(chǎn)運(yùn)行影響較小，便于根據(jù)算法的需求進(jìn)行調(diào)整，有利于對(duì)策略算法的考驗(yàn)與完善。通過(guò)對(duì)仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證，能夠?yàn)殡姛嵴{(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)提供充分的試驗(yàn)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐，驗(yàn)證其正確性與可靠性。

2.1 DCS系統(tǒng)通信的建立

與DCS系統(tǒng)通信有Modbus協(xié)議和OPC協(xié)議2種方式可供選擇?？紤]到機(jī)組DCS系統(tǒng)是火電生產(chǎn)大區(qū)下的核心控制單元，其網(wǎng)絡(luò)安全要求極為嚴(yán)格，Modbus協(xié)議相對(duì)于OPC協(xié)議來(lái)說(shuō)，其網(wǎng)絡(luò)安全性更為可靠。這是因?yàn)镸odbus485通信方式傳輸信號(hào)為電信號(hào)，能夠有效避免電腦病毒與網(wǎng)絡(luò)攻擊。而為實(shí)現(xiàn)同樣的安全效果，采用OPC協(xié)議則需要加裝隔離網(wǎng)閘，這不僅使得系統(tǒng)的搭建更為繁瑣，也增加了系統(tǒng)的建設(shè)成本。因此，最終確定采用Modbus485通信方式作為電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)的通信手段。

DCS系統(tǒng)通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)與電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)服務(wù)器建立主從通信模式連接。電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)通過(guò)modbussalve服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解析，寫(xiě)入實(shí)時(shí)庫(kù)，最終通信示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 DCS系統(tǒng)與電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)通信示意圖

2.2 OMS系統(tǒng)通信的建立

火電廠(chǎng)設(shè)計(jì)有OMS調(diào)度專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)接收調(diào)度管理系統(tǒng)的信息。因此僅需要從廠(chǎng)內(nèi)OMS系統(tǒng)中將日發(fā)電計(jì)劃曲線(xiàn)送至電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)即可，此方案具有典型性且便于推廣應(yīng)用。

根據(jù)橫向隔離的安全防護(hù)要求，正向安全隔離裝置用于生產(chǎn)控制大區(qū)到管理信息大區(qū)的非網(wǎng)絡(luò)方式的單向數(shù)據(jù)傳輸。反向安全隔離裝置用于從管理信息大區(qū)到生產(chǎn)控制大區(qū)的非網(wǎng)絡(luò)方式的單向數(shù)據(jù)傳輸。因電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)安裝在電廠(chǎng)的生產(chǎn)控制大區(qū)(安全區(qū)Ⅰ)，而OMS系統(tǒng)安設(shè)在電廠(chǎng)的管理信息大區(qū)，因此由OMS系統(tǒng)向電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，需采用反向隔離裝置；對(duì)于電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，僅用于對(duì)控制算法的仿真推演，并不參與電力生產(chǎn)的監(jiān)視與控制。因此可將其布置在管理信息大區(qū)，這樣它就與OMS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)共同布置在管理信息大區(qū)?？紤]到OMS系統(tǒng)信號(hào)來(lái)源于電網(wǎng)調(diào)度中心，因此雖同為管理信息大區(qū)系統(tǒng)，但OMS系統(tǒng)的安全等級(jí)綜合考量要高于仿真系統(tǒng)，因此采用正向隔離裝置來(lái)確保傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)安全。

綜上所述，具體實(shí)施方案可由OMS系統(tǒng)送出調(diào)度下發(fā)的日發(fā)電計(jì)劃曲線(xiàn)，由于OMS系統(tǒng)的日發(fā)電計(jì)劃曲線(xiàn)為WEB文件格式，因此需要設(shè)置1臺(tái)隔離主機(jī)，將WEB文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)需要的文本文件，經(jīng)反向隔離裝置送至電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)，經(jīng)正向隔離裝置送至電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)仿真服務(wù)器。

2.3 NCS系統(tǒng)通信的建立

電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)需要將電廠(chǎng)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至省調(diào)D5000系統(tǒng)，為省調(diào)的電熱協(xié)調(diào)調(diào)度提供機(jī)組數(shù)據(jù)。

火電廠(chǎng)設(shè)計(jì)有NCS系統(tǒng)用于收集電廠(chǎng)模擬量、開(kāi)關(guān)量和電度等信息，同時(shí)接收調(diào)度的控制命令，完成電網(wǎng)和電廠(chǎng)之間的信息交互?？紤]到NCS系統(tǒng)為火電機(jī)組成熟的配套設(shè)備，因此可利用NCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通路向省調(diào)發(fā)送數(shù)據(jù)。此方案僅需要完成電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)至NCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作即可，即通過(guò)最小的改動(dòng)量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送要求，且具有典型性，便于推廣應(yīng)用。

電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)至NCS系統(tǒng)為縱向數(shù)據(jù)傳輸，執(zhí)行IEC104通信規(guī)約。由于遠(yuǎn)動(dòng)子站與調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)之間已配置縱向加密認(rèn)證裝置，因此采用直連方式能夠滿(mǎn)足《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)總體方案(36號(hào)文)》中附件4《發(fā)電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)方案》縱向邊界防護(hù)規(guī)定，因此無(wú)需增設(shè)加密措施。

綜上所述，最終確定的電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖2。

3 系統(tǒng)安全性與可靠性檢驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)安全性檢驗(yàn)

系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)其安全性開(kāi)展了測(cè)試評(píng)估。采用現(xiàn)場(chǎng)掃描、實(shí)地測(cè)試、訪(fǎng)談等方式對(duì)電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了信息安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，針對(duì)安全威脅和脆弱性進(jìn)行識(shí)別分析和衡量評(píng)級(jí)，最終確定其安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估總體評(píng)價(jià)為中，滿(mǎn)足安全性指標(biāo)要求。

3.2 系統(tǒng)可靠性檢驗(yàn)

系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)其可靠性開(kāi)展了測(cè)試評(píng)估。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)工作站CPU利用率為10%，與OMS系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)的最大平均相對(duì)誤差為0.27%，與DCS系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)最大平均相對(duì)誤差為3.1%，與NCS系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，且通信模塊運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集真實(shí)可靠，連續(xù)無(wú)斷點(diǎn)，能夠在機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，滿(mǎn)足各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的要求[4]。

圖2 電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 結(jié)語(yǔ)

目前信息化與自動(dòng)化迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)通信和自動(dòng)控制在電力系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)及管控方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。作為關(guān)系著國(guó)計(jì)民生的電力系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí)的提升與防護(hù)措施的完善是未來(lái)電力行業(yè)的工作重點(diǎn)。

目前，大多數(shù)電力企業(yè)所開(kāi)展的電力網(wǎng)絡(luò)安全管理與防御都屬于被動(dòng)式防御，因此在實(shí)踐工作中，電力企業(yè)需要不斷選擇先進(jìn)的安全防御技術(shù)和安全管理方案，以提升網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)水平，從而實(shí)現(xiàn)電力網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。

本文通過(guò)對(duì)電熱調(diào)配優(yōu)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建的介紹，給出了一套基于電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)原則下的成熟解決方案，為電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)增設(shè)和數(shù)據(jù)傳輸提供借鑒。