變電站智能化改造及運(yùn)維研究

于偉峰 杜昊巖

（1.天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 天津市 300450 2.天津?yàn)I海新區(qū)軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司 天津市 300450）

變電站是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，在輸變電過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。部分變電站不具備系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)性，數(shù)據(jù)相對(duì)分離，造成電力監(jiān)控系統(tǒng)不夠完整，設(shè)備運(yùn)行的電壓、電流、有功、無(wú)功及功率因數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)利用率不高，甚至仍需要依靠運(yùn)行人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果誤差較大。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)變電站進(jìn)行智能化改造是一大趨勢(shì)。變電站智能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并具有事故預(yù)警和遠(yuǎn)程遙控功能，能夠第一時(shí)間對(duì)事故進(jìn)行預(yù)判和處理，取代絕大部分的人工巡視，提高了運(yùn)維效率和安全性，減少現(xiàn)場(chǎng)人力資源的成本。

1 智能化改造概述

智能變電站改造的技術(shù)支撐分別是信息處理端的調(diào)度控制系統(tǒng)和信息收集端的智能監(jiān)控終端?；谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展信息采集和設(shè)備控制，智能監(jiān)控終端將變電站電壓、電流、有功、無(wú)功、功率因數(shù)、變壓器檔位、溫度、圖像、聲音等多種信號(hào)上傳至調(diào)度控制系統(tǒng)，由調(diào)度控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一處理。因此，智能化改造的主要內(nèi)容是建立信息高度集中并具有綜合處理能力的調(diào)度控制系統(tǒng)，加裝傳感器等監(jiān)控設(shè)備[1]，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系建設(shè)納入改造的全過(guò)程。改造之后，供電安全得到有效保障，能夠減少甚至取消現(xiàn)場(chǎng)值班人員，從而降低變電站整體運(yùn)維成本。

2 背景依據(jù)

《GB/T 31989-2015 高壓電力用戶(hù)用電安全》和《GB/T 32893-2016 10kV 及以上電力用戶(hù)變電站運(yùn)行管理規(guī)范》對(duì)變電站的運(yùn)維模式及其實(shí)施條件做出了明確的規(guī)定，肯定了智能運(yùn)維的新模式，是智能化改造和運(yùn)維的政策支撐。

3 智能化控制平臺(tái)

建立覆蓋全行業(yè)、全業(yè)態(tài)、全需求的智能化控制平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)變電站智能化改造的基礎(chǔ)，也是調(diào)度控制系統(tǒng)的核心。平臺(tái)必須具備高性能、高效率、高可靠性，以適應(yīng)運(yùn)維業(yè)務(wù)的管控需求，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、業(yè)務(wù)統(tǒng)一以及管理統(tǒng)一的目標(biāo)效果。

3.1 平臺(tái)能力

平臺(tái)的能力體現(xiàn)包括存儲(chǔ)與計(jì)算能力、應(yīng)用開(kāi)發(fā)服務(wù)能力、平臺(tái)間調(diào)用能力以及資源遷移服務(wù)能力，支持各類(lèi)型業(yè)務(wù)系統(tǒng)的對(duì)接，打破數(shù)據(jù)孤島，形成多業(yè)務(wù)系統(tǒng)的集成與聯(lián)動(dòng)。通過(guò)以下方式可以更有效的實(shí)現(xiàn)上述能力：

（1）采用合理的數(shù)據(jù)架構(gòu)，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的無(wú)限擴(kuò)展；

（2）基于云架構(gòu)進(jìn)行平臺(tái)部署，使系統(tǒng)具備良好的拓展性以及移植性；

（3）支持本地部署和云端部署方式，客戶(hù)端采用B/S 模式，具備資源遷移服務(wù)能力。

3.2 平臺(tái)安全性

為保證調(diào)度控制系統(tǒng)和智能監(jiān)控終端數(shù)據(jù)來(lái)往的安全性，智能化控制平臺(tái)需要對(duì)鏈路層和數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密，加密方式可采用以下思路：

（1）在數(shù)據(jù)傳輸鏈路層使用SSL/TLS 加密傳輸。SSL(Secure Sockets Layer)是用于Web 的安全通信標(biāo)準(zhǔn)，TLS(Transport Layer Security)是IETF 的TLS 工作組在SSL3.0 基礎(chǔ)之上提出的安全通信標(biāo)準(zhǔn)，SSL/TLS 提供的安全機(jī)制可以保證應(yīng)用層數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳輸中不被監(jiān)聽(tīng)、偽造和竄改。一般的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用中，數(shù)據(jù)在機(jī)器中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的幾次包裝后即進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，如果被網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)工具截獲，則截獲方根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以輕易得到數(shù)據(jù)。而SSL/TLS 是位于應(yīng)用層和 TCP/IP 之間的一層協(xié)議，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)該層流出時(shí)被加密，返回時(shí)經(jīng)過(guò)該層被解密，同時(shí)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)連接兩端的身份信息。

（2）對(duì)接入平臺(tái)的數(shù)據(jù)包通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)化和加密。考慮到MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）輕量、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)包使用私有MQTT統(tǒng)一加密后傳輸。即便鏈路層數(shù)據(jù)被截取，截獲方仍不能破解協(xié)議內(nèi)容，從而保證整體數(shù)據(jù)的安全性。

4 改造過(guò)程

智能化變電站是采用先進(jìn)、可靠、集成和環(huán)保的智能設(shè)備，以信息顯示數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和檢測(cè)等基本功能，同時(shí)具備電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線(xiàn)分析決策和協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能。

4.1 設(shè)備安裝

在變電站設(shè)備本體處安裝智能監(jiān)控終端，并配備通訊管理裝置，負(fù)責(zé)收集、處理、傳輸設(shè)備狀態(tài)信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[2]。主要安裝點(diǎn)位和采集內(nèi)容如下：

（1）中、高壓控制柜：采集電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電度等遙測(cè)信息，以及開(kāi)關(guān)位置、手車(chē)位置、綜合保護(hù)裝置（如速斷保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、零序保護(hù)）等遙信量。

（2）變壓器：監(jiān)測(cè)變壓器線(xiàn)圈溫度和風(fēng)機(jī)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度非電量遙測(cè)量的采集；通過(guò)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓分接頭擋位來(lái)調(diào)節(jié)電壓，實(shí)現(xiàn)遙調(diào)功能。

（3）低壓控制柜和饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)：通過(guò)數(shù)字儀表對(duì)低壓控制柜的電力數(shù)據(jù)以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，并加裝遙控單元，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

（4）電容補(bǔ)償柜：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有功功率、無(wú)功功率、視在功率以及功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)電容器自動(dòng)投切，增加閾值遠(yuǎn)程調(diào)控功能。

（5）交、直流屏：通過(guò)加裝檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)交、直流數(shù)據(jù)的遙測(cè)量采集、電池出口電壓和電池組保護(hù)信號(hào)（如：過(guò)壓、欠壓等）采集。

（6）計(jì)量表：采集各計(jì)量裝置的電量數(shù)據(jù)。

（7）其他重點(diǎn)位置（視不同區(qū)域的變電站而定）。

4.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)

安裝攝像、門(mén)磁、煙感、水浸、溫濕度等傳感采集模塊。利用攝像與門(mén)磁遙視變電站出入口和站內(nèi)電力設(shè)備、監(jiān)測(cè)變電站人員出入情況。感煙裝置安裝于低壓電容柜、EPS 有源濾波柜、UPS 蓄電池內(nèi)，監(jiān)測(cè)是否有起火燃燒等現(xiàn)象。水浸傳感器放置在變電站內(nèi)入口或設(shè)備附近，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)站內(nèi)是否被水浸入。溫濕度傳感器應(yīng)盡量分布于站內(nèi)各處，實(shí)時(shí)采集站內(nèi)環(huán)境情況。

4.3 圖像及模型

根據(jù)需要，利用攝像頭拍攝的圖像，編寫(xiě)識(shí)別算法，識(shí)別是否有異常損壞，檢驗(yàn)進(jìn)站人員安全用品的穿戴情況，并向監(jiān)控平臺(tái)上傳告警信號(hào)[3]，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況進(jìn)行視頻備份，便于問(wèn)題處理時(shí)的追溯。

為進(jìn)一步提高運(yùn)維水平，可以利用BIM 技術(shù)，對(duì)變電站進(jìn)行3D 建模，將實(shí)際變電站進(jìn)行1:1 數(shù)字孿生模擬，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備全壽命周期管理。通過(guò)數(shù)字模擬，結(jié)合變電站運(yùn)維數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的狀態(tài)反饋，提高運(yùn)維的工作質(zhì)量與工作效率。深入建模后，可以模擬人員進(jìn)行設(shè)備巡視，運(yùn)維人員無(wú)須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，僅從數(shù)字孿生圖中即可查看各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，提升變電站安全性能和巡查效率。

4.4 傳輸顯示

各項(xiàng)采集終端安裝完成后，將數(shù)據(jù)通過(guò)安全的網(wǎng)絡(luò)通道接入智能調(diào)控平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)變電站集控監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生遙測(cè)值越限或者信號(hào)異常，平臺(tái)出現(xiàn)告警信號(hào)推送，運(yùn)維人員當(dāng)即遠(yuǎn)程或者現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題，保證設(shè)備正常使用。

5 網(wǎng)絡(luò)安全

5.1 必要性分析

2017年6月1日，《中華人民共和國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全法》正式實(shí)施，將網(wǎng)絡(luò)安全提高到國(guó)家安全的高度。網(wǎng)絡(luò)安全法第二十一條對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)制度做出了規(guī)定，第三十一條對(duì)公共通信和信息服務(wù)、能源、交通、水利、金融、公共服務(wù)、電子政務(wù)等重要行業(yè)和領(lǐng)域的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)安全提出了重點(diǎn)保護(hù)要求。變電站在各類(lèi)行業(yè)和領(lǐng)域中承擔(dān)著電能輸送和分配的重要任務(wù)，變電站智能化后在網(wǎng)絡(luò)安全方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一旦發(fā)生信息泄露或者被不法分子惡意操縱，將對(duì)用電終端造成沖擊和損失，甚至產(chǎn)生人生傷亡事故。因此，智能化變電站需要根據(jù)相應(yīng)的等級(jí)，建立有效的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系。

5.2 防護(hù)方案

網(wǎng)絡(luò)和通信安全從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信傳輸、邊界防護(hù)、訪(fǎng)問(wèn)控制、入侵防范、惡意代碼防范、安全審計(jì)、集中管控等幾個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)。設(shè)備和計(jì)算安全對(duì)定級(jí)對(duì)象中的服務(wù)器、終端、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備等設(shè)備進(jìn)行安全防護(hù)，從身份鑒別、訪(fǎng)問(wèn)控制、安全審計(jì)、入侵防范、惡意代碼防范、資源控制等幾個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)。

5.3 防護(hù)技術(shù)

防火墻：通過(guò)有機(jī)結(jié)合各類(lèi)用于安全管理與篩選的軟件和硬件設(shè)備，在內(nèi)、外網(wǎng)之間構(gòu)建一道相對(duì)隔絕的保護(hù)屏障。

網(wǎng)絡(luò)病毒防護(hù)：基于應(yīng)用角色防護(hù)控制的微隔離、惡意文件自動(dòng)隔離響應(yīng)、防暴力破解、入侵行為主動(dòng)IP 封堵、持續(xù)檢測(cè)Web后門(mén)、基于信譽(yù)體系的云檢測(cè)、威脅情報(bào)智能關(guān)聯(lián)檢測(cè)、安全服務(wù)持續(xù)運(yùn)營(yíng)保障。

日志審計(jì)：采用加密算法，對(duì)系統(tǒng)中與安全有關(guān)的活動(dòng)的相關(guān)信息進(jìn)行識(shí)別、記錄、存儲(chǔ)和分析，包括數(shù)據(jù)庫(kù)審計(jì)、運(yùn)維審計(jì)、日志審計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效統(tǒng)一的變電站運(yùn)維管理日志，并為安全事件的事后取證提供依據(jù)。

IPSec（Internet Protocol Security）VPN：采用IPSec 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸安全的VPN 技術(shù)，公網(wǎng)上為兩個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)提供安全通信通道,通過(guò)加密通道保證連接的安全，在路由器和主核心交換機(jī)間成對(duì)建立。

數(shù)據(jù)庫(kù)審計(jì)：實(shí)時(shí)記錄網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)庫(kù)活動(dòng)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)遭受到的風(fēng)險(xiǎn)行為進(jìn)行告警，對(duì)攻擊行為進(jìn)行阻斷，對(duì)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)行為進(jìn)行記錄、分析和匯報(bào)。

堡壘機(jī)：保障網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)不受來(lái)自外部和內(nèi)部用戶(hù)的入侵和破壞，監(jiān)控和記錄運(yùn)維人員對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)等設(shè)備的操作行為，從而進(jìn)行集中報(bào)警、及時(shí)處理及審計(jì)定責(zé)。

5.4 最終效果

網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系的建立，必須達(dá)到網(wǎng)絡(luò)安全法中等級(jí)保護(hù)的合規(guī)性要求，解決內(nèi)部及外部網(wǎng)絡(luò)的安全威脅，全面提升變電站網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)能力。通過(guò)增加安全設(shè)備、優(yōu)化安全策略，使變電站網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)處于動(dòng)態(tài)防御的狀態(tài)，達(dá)到下列效果：

（1）安全可視：采用可視化設(shè)計(jì)，提供多維度安全報(bào)表為安全決策提供數(shù)據(jù)支撐，提升組織安全管理效率。

（2）協(xié)同防御：參照預(yù)測(cè)/防御/檢測(cè)/響應(yīng)的安全模型，加強(qiáng)云防護(hù)/威脅情報(bào)的聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建本地協(xié)同、云端聯(lián)動(dòng)的動(dòng)態(tài)保護(hù)體系。

（3）持續(xù)檢測(cè)：對(duì)變電站核心設(shè)備、各類(lèi)威脅與違規(guī)行為以及網(wǎng)絡(luò)東西向、南北向流量進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)分析，提升網(wǎng)絡(luò)整體安全保護(hù)能力。

6 智能運(yùn)維

智能化改造后的變電站可實(shí)行“線(xiàn)上集中監(jiān)控、線(xiàn)下分區(qū)巡檢”的智能運(yùn)維模式，即在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控的同時(shí)，在站內(nèi)保留一定數(shù)量的運(yùn)行人員，配合平臺(tái)24 小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，一旦有任何異常告警立即第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處理，做到快速響應(yīng)，對(duì)變電站安全運(yùn)行提供雙重保證，以滿(mǎn)足重要行業(yè)或領(lǐng)域的用電需求[4]。系統(tǒng)采集的歷史數(shù)據(jù)可形成相應(yīng)報(bào)表，不但免去了人工抄表的繁瑣和不便，還可供后期的高級(jí)數(shù)據(jù)分析所用。

7 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)變電站的運(yùn)行效率較低、人工成本較高。變電站由傳統(tǒng)向智能方向改進(jìn)是電力行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)技術(shù)改革和創(chuàng)新，加裝智能化元件，使變電站具備完善的“五遙”（即遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào)、遙視）功能，信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸匯集到調(diào)度控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制平臺(tái)，平臺(tái)收集數(shù)據(jù)后對(duì)事件進(jìn)行分析，協(xié)助調(diào)控人員判斷，再由調(diào)控人員指揮線(xiàn)下人員做出響應(yīng)或直接干預(yù)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，構(gòu)成智能化運(yùn)維的全過(guò)程。隨著材料、傳感元件、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，變電站運(yùn)行和維護(hù)方式不斷向更高層次邁進(jìn)，對(duì)于國(guó)計(jì)民生和公共利益存在重要意義。