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數(shù)字化變電站關鍵技術及信息安全分析
[ 通信界 | 林軍,劉慧媛 陽江供電局 | www.sese521.com | 2009/6/25 16:04:01 ]
 
  摘  要:本文首先介紹了變電站自動化的發(fā)展歷程,分析了變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)狀及其局限性,敘述了數(shù)字化變電站的關鍵技術:光電互感器、智能斷路器、IEC 61850標準。指出信息安全的缺陷及其解決方法。 
  關鍵詞:數(shù)字化;資源共享;信息安全;加密技術  
 

1 引言
  從20世紀80年代末開始在變電站領域應用綜合自動化技術以來,已有近20年的歷史,對我國電網(wǎng)改造和建設產(chǎn)生了深遠的影響,廣東電網(wǎng)公司在最近的幾年中,新建的220kV及以下變電站均采用綜合自動化新技術,提高了電網(wǎng)建設的現(xiàn)代化水平,且?guī)缀鯙闊o人值守站,減少了變電站建設的總造價;另一方面,廣東電網(wǎng)公司完成了大量非綜合自動化變電站改造為綜合自動化變電站。不僅大大提高了電網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性,而且降低了運行成本。目前,陽江供電局110kV變電站全部為新建或改造的綜合自動化變電站,且采用無人值守的管理模式。然而,目前的綜合自動化變電站均存在著以下兩點通病:一是功能重復以至設備投資重復。比如數(shù)據(jù)測量、計量、監(jiān)控、遠動分別使用各自的變送器,容易造成數(shù)據(jù)不一致,且增加運行、維護的難度;二是系統(tǒng)內(nèi)使用的通訊規(guī)約不統(tǒng)一,不同的廠家使用不同的通訊規(guī)約,在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的時候需要進行不同程度的規(guī)約轉換,加大了調(diào)試的復雜性,同樣也增加運行、維護的難度。因此,目前的變電站迫切需要一個簡約的、智能的系統(tǒng),實現(xiàn)信息共享,以減少投資,提高運行、維護效率。隨著計算機應用技術和現(xiàn)代電子技術的飛速發(fā)展,數(shù)字化變電站離我們越來越近。
2 數(shù)字化變電站關鍵技術
  數(shù)字化變電站主要由光電式互感器、智能化一次設備、網(wǎng)絡化二次設備在IEC61850通訊規(guī)約基礎上分層構建,能夠實現(xiàn)智能設備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。其有四個主要特點。
2.1 一次設備智能
  智能化電氣設備快速發(fā)展,出現(xiàn)光電式互感器、智能化開關等機電一體化設備。光電式互感器具有精度高、線性度好、無鐵磁諧振和鐵磁飽和、抗干擾能力強,安全性好、傳輸距離遠、體積小、重量輕等特點,并且具備自檢功能和在線校準功能。克服了傳統(tǒng)互感器絕緣復雜、重量重、體積大,CT動態(tài)范圍小、易飽和,電磁式PT易產(chǎn)生鐵磁諧振,CT二次輸出不允許開路等諸多缺點。光電式互感器的應用一方面簡化繼保設備,提高了微機保護的精度和可靠性,滿足電力系統(tǒng)精確計量的要求;另一方面,對電力系統(tǒng)故障反應速度快、靈敏度高、測量范圍廣,滿足暫態(tài)保護要求,適應了電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的要求。為一次設備智能化改革提供了基礎。
  按照IEC62063:1999對智能斷路器設備的定義,它不但具有斷路器設備的基本功能,還具有在線監(jiān)視、智能控制、數(shù)字化接口和斷路器的電子操作等一系列的高智能化功能。主要體現(xiàn)為:對于一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路,將采用微處理器和光電技術設計,使傳統(tǒng)機電式繼電器及控制回路的結構大大簡化;數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡要取代傳統(tǒng)的導線連接;可編程序取代二次回路中傳統(tǒng)的繼電器及其邏輯回路;光電數(shù)字和光纖取代常規(guī)的強電模擬信號和控制電纜。 
2.2 二次設備網(wǎng)絡化
  二次設備的網(wǎng)絡化,是適應光電式互感器的應用、智能化一次設備和IEC61850通訊規(guī)約的需要。我們所熟知傳統(tǒng)二次設備,如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、故障錄波裝置、穩(wěn)控裝置、VQC將等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造,各設備之間的連接均采用高速的網(wǎng)絡通訊,二次設備沒有重復的I/O現(xiàn)場接口,主要靠網(wǎng)絡真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。
2.3 運行管理系統(tǒng)自動化
  變電站的運行管理系統(tǒng)一般包括運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)記錄無紙化、自動化。運行設備發(fā)生故障時,及時提供故障分析報告,給出故障原因及處理意見。此外,系統(tǒng)應能自動發(fā)送設備檢修報告,不再進行傳統(tǒng)的定期檢修,而是實現(xiàn)狀態(tài)檢修,大大減少勞動力。
2.4 IEC61850標準規(guī)約的應用
  IEC61850是以變電站一、二次設備信息為數(shù)字化對象,以高速以太網(wǎng)絡通訊平臺為基礎,通過對數(shù)字化信息進行標準化建模,把電力系統(tǒng)的調(diào)度中心、變電站及變電站內(nèi)部進行無縫連接的唯一的自動化國際通訊標準,不僅規(guī)范了繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、故障錄波裝置、穩(wěn)控裝置、VQC等的模型和通訊接口,還規(guī)范了數(shù)字式CT、PT、智能化開關等一次設備的模型和通信接口,很好地解決不同的廠家使用不同的通訊規(guī)約的矛盾。大大簡化了變電站二次系統(tǒng),強化了各類應用功能。
 
3 數(shù)字化變電站信息安全對策
  雖然基于IEC 61850標準協(xié)議建立起來的通信網(wǎng)絡體系結構在上層協(xié)議上是一致的,而且也大大提高變電站內(nèi)設備的互操作性和互換性,但是協(xié)議的開放性和標準性同樣帶來一個重要的問題:二次系統(tǒng)的安全性問題。數(shù)字化變電站內(nèi)由于各種智能電子設備的大量應用,變電站內(nèi)運行、狀態(tài)和控制等數(shù)字化信息需要傳送,負責傳送這些信息的網(wǎng)絡通訊系統(tǒng)成為數(shù)字化變電站的重要平臺,因而,網(wǎng)絡可靠性直接關系著數(shù)字化變電站的良好運行。所以信息安全和網(wǎng)絡可靠性自然成為人們較為關注的兩個焦點。目前解決這兩個問題主要采用的技術措施分為兩類,即加密技術和防火墻技術。
3.1 加密技術
  加密技術的基本原理是對網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密處理,到達目的地址后再解密還原為原始數(shù)據(jù),從而防止非法用戶對信息的截取和盜用。
  加密技術主要分為數(shù)據(jù)傳輸加密和數(shù)據(jù)存儲加密。數(shù)據(jù)傳輸加密技術主要是對傳輸中的數(shù)據(jù)流進行加密,常用的有鏈路加密、節(jié)點加密和端到端加密三種方式。
  傳輸數(shù)據(jù)僅在物理層前的數(shù)據(jù)鏈路層進行加密,不考慮信源和信宿的方式屬于鏈路加密,它用于保護通訊節(jié)點間的數(shù)據(jù),接收方是傳送路徑上的各臺節(jié)點機,信息在每臺節(jié)點機內(nèi)都要被解密和再加密,依次進行,直至到達目的地。
 
  節(jié)點加密方法與鏈路加密類似,不同的是在節(jié)點處采用一個與節(jié)點機相連的密碼裝置,密文在該裝置中被解密并被重新加密,明文不通過節(jié)點機,避免了鏈路加密節(jié)點處易受攻擊的缺陷。
  端到端加密是在應用層完成的,是為數(shù)據(jù)從一端到另一端提供的加密方式。數(shù)據(jù)在發(fā)送端被加密,在接收端解密,中間節(jié)點處不以明文的形式出現(xiàn)。在端到端加密中,除報頭外的的報文均以密文的形式貫穿于整個傳輸過程,只是在發(fā)送端和接收端才有加密、解密設備,報文在中間任何節(jié)點均不解密,因此,不需要有密碼設備,同鏈路加密相比,可減少密碼設備的數(shù)量。另一方面,信息是由報頭和報文組成的,報文為要傳送的信息,報頭為路由選擇信息,由于網(wǎng)絡傳輸中要涉及到路由選擇,若使用鏈路加密,則報文和報頭兩者均須加密。而使用端到端加密時,由于通道上的每一個中間節(jié)點雖不對報文解密,但為將報文傳送到目的地,必須檢查路由選擇信息,因此,只能加密報文,而不能對報頭加密。這樣就容易被某些通訊分析察覺,而從中獲取某些敏感信息
  鏈路加密對用戶來說比較容易,使用的密鑰較少,而端到端加密比較靈活,對用戶可見。在對鏈路加密中各節(jié)點安全狀況不放心的情況下也可使用端到端加密方式。
3.2 防火墻技術
  防火墻技術通過對網(wǎng)絡的隔離和限制訪問等方法,來控制網(wǎng)絡的訪問權限,從而保證變電站綜合自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全。但是由于防火墻只能夠對跨越網(wǎng)絡邊界的信息進行監(jiān)測、控制,而對網(wǎng)絡內(nèi)部人員的攻擊不具備防范能力。因此單純依靠防火墻來保護網(wǎng)絡的安全性是不夠的,還必須與其它安全措施(如加密技術等)綜合使用,才能達到目的。
4 結束語
  本文論述了數(shù)字化變電站的關鍵技術,凸出信息安全問題及其對策。當然,數(shù)字化變電站是一個長期的復雜的系統(tǒng)工程,目前仍有許多技術難題需要解決,如有關保護定值條目在IEC61850中沒有約定、數(shù)據(jù)采集共享問題等。雖然全部實現(xiàn)數(shù)字化變電站自動化功能還有很長的路要走,但是數(shù)字化變電站無疑是變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

 

1作者:林軍,劉慧媛 陽江供電局 來源:專網(wǎng)通信世界-中國電力通信網(wǎng) 編輯:顧北

 

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