智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李兵尚，王 輝，范作娥

（1. 海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042；2. 291094部隊(duì)，山東 青島 266000）

智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李兵尚1，王 輝2，范作娥1

（1. 海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042；2. 291094部隊(duì)，山東 青島 266000）

為減少變電站管理中的人為操作事故，消除安全隱患，智能電網(wǎng)要求對(duì)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、測(cè)量。系統(tǒng)基于PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)，軟件基于組態(tài)王工控軟件和梯形語(yǔ)言編寫，電網(wǎng)前端各種電力監(jiān)控參數(shù)由傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，基于總線通道上傳至調(diào)度中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、處理及存儲(chǔ)。調(diào)度中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)轄區(qū)各變電站進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟硬件技術(shù)成熟、可靠、抗干擾性強(qiáng)。

智能電網(wǎng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；設(shè)計(jì)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)和人工智能的發(fā)展，減少人為操作事故，變電站管理的智能化、自動(dòng)化，智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理已成為電業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[1-5]。智能電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)各電站電網(wǎng)運(yùn)行情況的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集信息，各變電站節(jié)點(diǎn)間可以基于網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)控，進(jìn)行智能管理。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換信息，如事故預(yù)測(cè)、異常點(diǎn)記錄和電力工況分析等。大量待處理的站節(jié)點(diǎn)電力信息通過(guò)自動(dòng)傳感、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)計(jì)量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，由網(wǎng)絡(luò)通道匯總至調(diào)度平臺(tái)，進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)處理。調(diào)度中心人員通過(guò)智能化軟件系統(tǒng)對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、測(cè)量，消除安全隱患，確保電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)基于、傳感器技術(shù)、PLC技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)，每個(gè)變電站的前端電力參數(shù)（電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)等）由PLC測(cè)控組件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理與存儲(chǔ)，通過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)至監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)（即調(diào)度中心），總線平臺(tái)上的各節(jié)點(diǎn)為并行關(guān)系，互不干擾，可分別獨(dú)立進(jìn)行信息采集與傳遞。調(diào)度中心作為管理級(jí)，基于網(wǎng)絡(luò)對(duì)轄區(qū)各變電站進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和數(shù)據(jù)分析。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

在圖1中，PLC采集裝置分布于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，具有抗干擾性好，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，各變電站的電力監(jiān)測(cè)參數(shù)通過(guò)傳感器獲得，信號(hào)調(diào)制模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大、濾波，傳送至PLC擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展模塊可根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要通過(guò)組態(tài)軟件調(diào)整采樣周期，以滿足變電站電力參數(shù)監(jiān)測(cè)控制的實(shí)時(shí)性。擴(kuò)展模塊將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送至PLC控制模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)，再通過(guò)總線平臺(tái)發(fā)送至調(diào)度中心計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng) Modbus通訊為一主多從形式，速度較慢。而T-BOX技術(shù)基于工業(yè)以太網(wǎng)搭建控制系統(tǒng)，同時(shí)支持串口設(shè)備 Modbus-RTU，硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了IP設(shè)備的PLC程序遠(yuǎn)程集中式維護(hù)、診斷和監(jiān)控，與變電站遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控需求相適應(yīng)。

圖1 變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of substation remote monitoring system

1.2 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)電力參數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，如圖2所示，系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展模塊端口初始化，進(jìn)入系統(tǒng)自檢，自檢通過(guò)后進(jìn)行通道選擇，相應(yīng)傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集電力信號(hào)，經(jīng)過(guò)算法分析和誤差補(bǔ)償，控制模塊將處理好的數(shù)據(jù)存入可擦寫存儲(chǔ)器FLASH，經(jīng)過(guò)總線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)至監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。由監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)二次處理、顯示、存儲(chǔ)、故障診斷和統(tǒng)一調(diào)度。調(diào)度中心監(jiān)控平臺(tái)的控制界面基于組態(tài)王工控軟件編寫，PLC信息采集程序基于梯形語(yǔ)言編寫。

2 系統(tǒng)功能

2.1 人機(jī)交互

設(shè)備配套軟件具有人性化的前面板控件，適用于PLC的HMI，如存儲(chǔ)、表格、數(shù)據(jù)處理、按鈕、、曲線圖等，控制節(jié)點(diǎn)各參數(shù)采樣值與HMI的圖形顯示的真值相對(duì)應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)交互的軟件監(jiān)控畫面。軟件圖形界面方便、簡(jiǎn)單、直觀，便于調(diào)度中心人員實(shí)時(shí)查看電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，具有良好的人機(jī)交互性。

圖2 工控程序結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Frame diagram of industrial control program

2.2 數(shù)據(jù)采集與控制

對(duì)變電站電力參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，依靠傳感器信號(hào)調(diào)制模塊及擴(kuò)展模塊，傳感器的采樣精度決定了整個(gè)PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣精度。因此，傳感器的合理選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先決條件，信號(hào)調(diào)制模塊是傳感器使用的必要環(huán)節(jié)[6]，其電路特性決定 PLC語(yǔ)言程序的算法、計(jì)算公式、參數(shù)等。通過(guò)調(diào)制電路對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)硬件濾波，去除雜波干擾信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使信號(hào)的電氣標(biāo)準(zhǔn)與擴(kuò)展模塊采集端口的電壓、電流輸入范圍相匹配。PLC及其擴(kuò)展模塊可對(duì)數(shù)據(jù)采集通道進(jìn)行選擇、設(shè)置采樣頻率、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長(zhǎng)度、周期等。

2.3 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)表生成

PLC控制核心將需要記錄的各電力參數(shù)值以及提取的時(shí)鐘信息，按照一定時(shí)間間隔（可軟件編程設(shè)置），組織成 CSV格式分隔文件。文件為純文本格式標(biāo)準(zhǔn)，每一行中的多個(gè)信息以逗號(hào)為分隔符，每條記錄占一行，用換行符分隔?？梢酝ㄟ^(guò)Microsoft Excel軟件打開歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行圖形化處理和報(bào)表生成。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是生產(chǎn)運(yùn)行的監(jiān)督資料，可用于事故原因的數(shù)據(jù)分析。

2.4 用戶安全管理

系統(tǒng)安全性是監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)的必要一環(huán)，用戶安全管理包括禁止用戶的越權(quán)操作等內(nèi)容。軟件開發(fā)時(shí)定義安全級(jí)別不同的用戶。對(duì)前面板可控制的控件進(jìn)行安全屬性設(shè)置，定義不同層次用戶可以操作及修改的權(quán)限。當(dāng)用戶要修改某控件參數(shù)時(shí)，需先通過(guò)修改權(quán)限。智能電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的用戶安全管理模塊具有十分重要作用，安全級(jí)別不同的變電站用戶分配有不同的安全權(quán)限，從軟件技術(shù)層面消除相互間可能發(fā)生的越權(quán)操作，提高系統(tǒng)安全性，而調(diào)度中心處于終極權(quán)限層，便于集中調(diào)度指揮[7]。

3 系統(tǒng)防護(hù)策略

為保護(hù)變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，采用防火墻防護(hù)和IPS防護(hù)相結(jié)合的方式建立網(wǎng)絡(luò)防護(hù)體系，應(yīng)對(duì)可能的網(wǎng)絡(luò)威脅。

3.1 防火墻防護(hù)

目前，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的安全隱患主要有入侵（非授權(quán)使用）、拒絕服務(wù)攻擊、病毒攻擊以及開放式OPC接口的易攻擊等。為保護(hù)變電站控制網(wǎng)絡(luò)的安全環(huán)境，需要正確的設(shè)計(jì)、配置和維護(hù)硬件防火墻的規(guī)則，防火墻通過(guò)協(xié)議分析，規(guī)則設(shè)置，從而在保證網(wǎng)絡(luò)的暢通的同時(shí)，過(guò)濾或限制不安全的信息，識(shí)別敏感信息，及時(shí)報(bào)警，而未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)將被防火墻阻擋在外。

對(duì)變電站控制網(wǎng)與信息網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換，采用“白名單”主動(dòng)防御技術(shù)，通過(guò)提前計(jì)劃好的協(xié)議規(guī)則進(jìn)行限制和動(dòng)態(tài)行為判斷?；凇鞍酌麊巍钡陌踩珯C(jī)制可以對(duì)約定協(xié)議進(jìn)行特征分析，也可以限制對(duì)端口的訪問(wèn)，阻止惡意軟件的運(yùn)行、傳播。調(diào)度中心人員只信任可識(shí)別的身份，監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC設(shè)備要求使用指定的移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)和設(shè)備，他們被授以可識(shí)別的密碼，未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)行為將被限制和拒絕。

3.2 IPS防護(hù)

智能電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用IPS防護(hù)技術(shù)，進(jìn)行電網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，防止網(wǎng)絡(luò)中的惡意代碼植入或攻擊。IPS（Intrusion Prevention System，即入侵預(yù)防系統(tǒng)）作為一種計(jì)算機(jī)安全設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控系統(tǒng)的一切活動(dòng)，當(dāng)惡意行為發(fā)動(dòng)時(shí)，先期發(fā)現(xiàn)，先期阻止，可以作為防病毒軟件和防火墻的補(bǔ)充。當(dāng)檢測(cè)到攻擊行為時(shí)，可將用來(lái)攻擊的數(shù)據(jù)包直接丟棄掉，同時(shí)又要確保網(wǎng)絡(luò)的正常傳輸。

IPS擁有大量的過(guò)濾器，如圖 3所示，可實(shí)時(shí)檢查入侵，自動(dòng)阻止，防止攻擊。過(guò)濾器可根據(jù)當(dāng)新的攻擊手段而增加，過(guò)濾規(guī)則的定義非常廣泛，數(shù)據(jù)包處理引擎專業(yè)定制，能夠從數(shù)據(jù)流中檢查出網(wǎng)絡(luò)攻擊者并加以阻止，丟棄包含惡意內(nèi)容的數(shù)據(jù)包，并且可以逐一字節(jié)地檢查被懷疑數(shù)據(jù)包，進(jìn)行過(guò)濾并分類各報(bào)頭信息，包括源IP地址、端口號(hào)等。

圖3 IPS防護(hù)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of IPS Protection System

傳統(tǒng)的軟件解決方案須串行進(jìn)行過(guò)濾檢查，而IPS擁有硬件加速技術(shù)，相比之下更加迅捷，大大提高系統(tǒng)性能。多種過(guò)濾器引擎擁有大規(guī)模并行處理硬件，同時(shí)執(zhí)行數(shù)千次的數(shù)據(jù)過(guò)濾檢查，確保數(shù)據(jù)包能夠不間斷地快速通過(guò)，參照電網(wǎng)監(jiān)控的大量信息參數(shù)，進(jìn)行解析分類，在域中上下文分析，提高過(guò)濾的準(zhǔn)確性。

在變電站監(jiān)控系統(tǒng)中引入IPS防護(hù)技術(shù)，植入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)內(nèi)部，自動(dòng)尋找它所熟悉的攻擊代碼特征，丟棄有害數(shù)據(jù)包，過(guò)濾有害，并進(jìn)行記錄。IPS的提前預(yù)警，便于變電站管理人員采取必要的應(yīng)對(duì)措施，是對(duì)智能電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)防火墻機(jī)制的有利補(bǔ)充。

4 結(jié)論

將智能遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)引入到電網(wǎng)的管理系統(tǒng)中是現(xiàn)代科技日益發(fā)展的必然。系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面交互性強(qiáng)，系統(tǒng)硬件基于成熟的PLC技術(shù)開發(fā)，可靠、抗干擾性強(qiáng)[8]。系統(tǒng)對(duì)變電站管理資源的自動(dòng)傳感、自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)計(jì)量，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)和智能技術(shù)減少人為失誤，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、測(cè)量，消除安全隱患，對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康評(píng)估可大大提高調(diào)度中心人員的決策水平，從而提高變電站的自動(dòng)化管理水平，節(jié)省大量人力物力，值得在智能電網(wǎng)管理中推廣應(yīng)用。

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The Smart Grid Remote Monitoring System Design

LI Bing-shang1, WANG Hui2, FAN Zuo-er1
(1. Naval Submarine Academy, Qingdao, 266042, China; 2. Army 291094, Qingdao, 266000)

To reduce the operation accident of Substation Management and to eliminate potential safety problems,the remote monitoring and measurement of equipments in actual operating conditions are perfect for smart grid management. It is designed on PLC, network and sensor technology and Software is programmed on industrial Kingview and Ladder language. The on-site power parameters are collected by PLC control module and data is transmitted to the monitoring computer for display, processing and storage through the bus network. And also Dispatch Center can do area integrated regulation and data analysis through network. At last the system is reliable and strong anti-jamming based on mature hardware and software technology.

: Smart grid; Remote monitoring; Design

TM76

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.10.036

本文著錄格式：李兵尚，王輝，范作娥. 智能電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2017，38（10）：182-184