提高智能變電站自動化系統(tǒng)工程實施效率的思路與實踐

胡紹謙，李力，朱曉彤

摘要：目的：目前智能變電站自動化系統(tǒng)的工程實施耗時耗力，沒有充分體現(xiàn)出自動化的優(yōu)勢，問題主要體現(xiàn)在配置、調試、驗收和故障診斷等幾個方面。本文基于現(xiàn)實存在的各種問題，分析智能變電站建設和維護的各個階段，研究提高工程實施效率的手段，提出了具有針對性的解決思路，并進行了工程實踐驗證。方法：本文總結了自動化系統(tǒng)工程實施現(xiàn)狀，研究了系統(tǒng)配置、驗收調試、系統(tǒng)故障診斷檢修等幾個環(huán)節(jié)的效率提升需求，分析了各個環(huán)節(jié)可以優(yōu)化的技術手段，提出了提高工程實施效率的具體思路，包括站內基于完善的一二次模型采用統(tǒng)一配置工具完成設備和應用配置，通過模型源端維護，簡化通信對點；采用基于間隔SCD 模板文件的方式實現(xiàn)全站SCD 的集成，減少過程層拉線配置；標準化自動化設備；采用分環(huán)節(jié)解耦自動驗證的方法完成通信對點；采用虛擬連接的方式實現(xiàn)在主站對站內所 有裝置的遠程調試。結果：通過變電站自動化統(tǒng)一配置工具，可以簡化站內配置環(huán)節(jié)，避免重復配置，可以實現(xiàn)：1）監(jiān)控系統(tǒng)、遠動機、測控裝置都基于站內同一個SCD 模型文件；2）監(jiān)控五防和測控聯(lián)鎖采用同一套規(guī)則；3）監(jiān)控系統(tǒng)和遠動機采用同樣的合成信號邏輯；4）監(jiān)控的單線圖、一次設備拓撲關系、一二次設備關聯(lián)關系來自SCD 文件Substation 部分導入，避免重復配置；5）監(jiān)控系統(tǒng)、遠動、保信等間隔信息來自SCD 文件導入；6）監(jiān)控系統(tǒng)間隔分圖和測控裝置液晶顯示接線圖一致；7）測點名稱統(tǒng)一修改。另外，基于站內統(tǒng)一配置模型，可以減少站內高級應用模塊的配置。采用源端維護減少配置并取消通信對點，效果包括：1）生成站內61850 完整模型，SCD 文件中需要包括SSD 部分，且按照要求體現(xiàn)一次設備和二次設備自身、及二次設備功能的關聯(lián)。2）轉換生成主站通用CIM 模型，建立站內SCD 模型和主站CIM 模型的映射關系。3）建立了主站模型和站內模型、數(shù)據(jù)的關聯(lián)關系。主站可以根據(jù)模型自上而下訂閱站內數(shù)據(jù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的站內配置轉發(fā)表并手動并逐點核對的方式?；陂g隔SCD 的集成，間隔SCD 模板文件由設備制造廠家在研發(fā)或調試階段完成，并進行歸檔版本管理，在廠內就保證了間隔內連線的正確性，站內集成只需要考慮跨間隔的信號聯(lián)系。可以減少工程現(xiàn)場集成工作，降低風險，提高工程實施效率。通過設備標準化的思路，可以 1）標準化設備功能、配置、調試及運維方法，降低對工程人員專業(yè)要求。2）推動通信接口標準化，實現(xiàn)設備功能自描述，為設備即插即用提供技術條件。3）規(guī)范設備運行維護接口，為智能變電站無人運維和機器人運維創(chuàng)造條件，提高智能化水平。分環(huán)節(jié)自動對點的方案把站內通信調試分為3 個環(huán)節(jié)，分環(huán)節(jié)采用自動調試工具保證整體測點的正確性。采用基于虛擬鏈路的遠程調試技術，可以給給被調試裝置和其調試軟件之間建立了一條網絡隧道，被調試裝置和其調試軟件不需要做任何改動。主子站之間建立的虛連接可以穿過調度數(shù)據(jù)網和加密裝置，沒有網絡安全上的限制，實現(xiàn)站內裝置的調試軟件直接在遠方主站運行。結論：本文提出了自動化統(tǒng)一配置工具、源端維護、設備標準化、分環(huán)節(jié)通信對點和基于虛擬連接的遠程調試方法等技術，并通過工程試點驗證，得到了良好的效果，可以現(xiàn)在提高工程實施效率。其中基于間隔SCD 模板文件實現(xiàn)系統(tǒng)集成的方案、分環(huán)節(jié)通信對點方法和基于虛連接的遠程調試技術解決了現(xiàn)階段直接面對的痛點問題，具有一定的推廣意義。

來源出版物：電力系統(tǒng)自動化， 2017， 41(11)： 173-180

入選年份：2017

電網調控分布式SCADA 系統(tǒng)體系架構與關鍵技術

鄭宗強，翟明玉，彭暉

摘要：目的：隨著特高壓電網的大規(guī)模建設，電網調控系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)規(guī)模快速增加。國/分調一體化建設后現(xiàn)有電網調控SCADA 系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)處理能力面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)。通過提升單機硬件配置的方式來解決這些問題，升級成本高，可擴展性不強。本文提出并實現(xiàn)了電網調控分布式SCADA 系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)在多機上的分布式處理，提升SCADA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐能力、實時性、可擴展性和可靠性。方法：1）提出總體架構：分布式SCADA 系統(tǒng)在架構上分為4 個層級：a）基礎設施層：包括服務器、存儲設備、網絡設備等及其上層操作系統(tǒng)等，這是系統(tǒng)運行的基礎；b）分布式資源與任務管理層：分布式資源管理包括節(jié)點狀態(tài)和資源狀態(tài)管理，分布式任務管理包括任務負載均衡、故障冗余等主要功能；c）分布式實時數(shù)據(jù)管理層：通過實時數(shù)據(jù)分區(qū)、分布式存儲、分布式數(shù)據(jù)定位、分布式數(shù)據(jù)冗余互備、透明訪問接口為分布式SCADA 中的處理任務提供實時數(shù)據(jù)支撐；d）分布式數(shù)據(jù)處理層：在資源管理和數(shù)據(jù)分布的基礎上，借助分布式任務管理將原來單機串行處理的SCADA 功能，分布到多機上進行處理，以提升SCADA系統(tǒng)的性能。2）攻克關鍵技術難題，包括：a）分布式資源和任務管理技術。分布式資源管理負責監(jiān)視系統(tǒng)中節(jié)點的投入/退出狀態(tài)以及各運行節(jié)點CPU、內存等資源的占用狀態(tài)；分布式任務管理根據(jù)資源使用狀態(tài)實現(xiàn)任務的遷移，確保服務器間的負載均衡，同時實現(xiàn)故障冗余處理，保障分布式SCADA 系統(tǒng)的可靠性。b）分布式實時數(shù)據(jù)管理技術。它包括數(shù)據(jù)分片與存儲技術，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)水平分片、垂直分片的分布式存儲和處理；包括分布式數(shù)據(jù)定位與訪問技術，利用分布式索引與定位，實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的快速透明訪問；包括分布式數(shù)據(jù)冗余備份技術，通過主、熱備和冷備數(shù)據(jù)技術，確保系統(tǒng)的可靠性。c）分布式實時數(shù)據(jù)處理技術。它包括分布式數(shù)據(jù)采集、遙信/遙測數(shù)據(jù)分布式處理、分布式公式計算、分布式拓撲計算等技術，在前述支撐平臺技術基礎上，實現(xiàn)SCADA 任務在多機的分布式并行處理。結果：為了測試分布式SCADA 系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)處理的性能，在2～8 臺SCADA 服務器的測試環(huán)境下，分別測試分布式SCADA 系統(tǒng)在2、4、8 個服務器節(jié)點數(shù)情況下的遙信數(shù)據(jù)處理能力，測試結果表明，和傳統(tǒng)方式下單服務器遙信處理吞吐率每秒8000 個相比，8 節(jié)點服務器遙信處理吞吐率達到了每秒46000 個左右，性能提高約5.7 倍。而且，可以看出，隨著節(jié)點數(shù)的不斷增加，系統(tǒng)整體吞吐率可成倍提升，具備良好的擴展性。結論：1）本文研究成果可以有效解決特高壓交直流混合電網背景下電網調控系統(tǒng)SCADA 實時數(shù)據(jù)處理所面臨的數(shù)據(jù)吞吐能力、實時性、可擴展性、可靠性上的諸多問題。2）研究成果在某大型地區(qū)調度、省級數(shù)據(jù)中心等現(xiàn)場投入運行，取得了良好效果，具有廣泛的推廣前景。3）通過調控系統(tǒng)間的協(xié)同實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)分布式處理是另外一個可行思路和重要的研究方向，可以繼續(xù)開展研究。

來源出版物：電力系統(tǒng)自動化， 2017， 41(5)： 71-77

入選年份：2017

電力信息物理融合系統(tǒng)中的網絡攻擊分析

湯奕，王琦，倪明，等

摘要：目的：電力信息物理融合系統(tǒng)（cyber physical power system， CPPS）借助大量傳感設備與復雜通信網 絡使現(xiàn)代電力系統(tǒng)形成一個實時感知、動態(tài)控制與包含信息服務的多維異構復雜系統(tǒng)。信息流交互使得電網面臨更多潛在威脅，近年來頻發(fā)的網絡攻擊影響電網穩(wěn)定運行事件敲響了電力系統(tǒng)安全的警鐘。本文中提出了CPPS 領域中網絡攻擊的定義與分類方法，歸納和分析了CPPS 網絡攻擊典型場景，并對國內此方面研究現(xiàn)狀進行了總結與展望。方法：通過對烏克蘭電網網絡攻擊事件實例的分析和網絡攻擊試驗的回顧，指明網絡攻擊的可行性和研究必要性；基于通信網絡覆蓋范圍和攻擊目標，將網絡攻擊進行分類，總結其典型目標和典型方式；基于CPPS 典型環(huán)節(jié)，總結攻擊場景和重點保護目標；基于我國的信息安全建設和研究現(xiàn)狀，綜合對CPPS特點的分析，提出未來研究展望。結果：烏克蘭電網網絡攻擊事件的分析得出結果如下：① 網絡攻擊通過多步過程展開，利用多項攻擊技術逐步奪取權限，并相互配合使攻擊應對難度上升，導致攻擊影響擴大；②工控系統(tǒng)網絡隔離漏洞和人為操作錯誤使惡意網絡攻擊者有可乘之機。網絡攻擊按照覆蓋范圍可分為廣域、鄰域、家庭網絡攻擊，按覆蓋范圍由大到小，采取的通信方式有光纖、衛(wèi)星通信、蜂窩網絡、ZigBee、Wi-Fi、電力線載波、藍牙和以太網等。按攻擊目標可分為針對可用性、完整性、保密性的攻擊，其中：可用性攻擊通過拒絕服務攻擊、黑洞攻擊、通信網絡拓撲攻擊等方式阻礙和延遲通信，造成數(shù)據(jù)信息中斷或不可用；完整性攻擊通過虛假數(shù)據(jù)注入攻擊、中間人攻擊、重放攻擊等方式非法篡改或注入錯誤數(shù)據(jù)，使電力物理側因虛假數(shù)據(jù)或控制命令而出現(xiàn)錯誤控制操作；保密性攻擊通過暴力密碼破解、惡意軟件、病毒、利用內部員工等方式進行監(jiān)聽、破解密碼等操作，竊取保密信息進行非法利用。CPPS中涉及網絡安全的典型應用場合包括輸電操作、配電自動化、高級量測體系、需求響應、用戶交互等，攻擊場景按發(fā)電、輸電、配電、用電環(huán)節(jié)總結如下：發(fā)電側常見攻擊為本地控制中攻擊自動勵磁裝置、調速裝置，廣域控制中篡改自動發(fā)電控制功能中的采集數(shù)據(jù)和發(fā)出指令；輸電側常見攻擊為針對數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和廣域量測系統(tǒng)的虛假數(shù)據(jù)注入攻擊和拒絕服務攻擊；配電側常見攻擊為針對高級量測系統(tǒng)、配電自動化、分布式電源的完整性、可用性、保密性攻擊；用戶側常見攻擊為針對實時電價、用戶與能源供應商信息交互過程、混合動力汽車等主動負荷的完整性、保密性、可用性攻擊。對中國CPPS 網絡安全的分析可歸納出以下特點：①網絡攻擊嘗試是真實存在的，網絡攻擊威脅風險隨著CPPS 推行不斷提高；②中國電力信息系統(tǒng)網絡架構較堅強，需要提高設備可信建設。中國當前CPPS 網絡攻擊研究包括：①信息網絡失效對電力二次系統(tǒng)影響的研究；②信息與電力系統(tǒng)交互影響機理研究；③配電網CPPS 開放式通信體系和網絡安全技術；④信息物理融合的監(jiān)控檢測技術研究；⑤信息物理融合聯(lián)合仿真平臺?？紤]當前研究現(xiàn)狀和CPPS 發(fā)展趨勢，未來CPPS 網絡攻擊研究工作需關注：①主動配電網環(huán)境下的CPPS 網絡攻擊研究；②考慮網絡攻擊的CPPS可靠性評估方法；③網絡攻擊環(huán)境下的CPPS 混合仿真方法。結論：國內現(xiàn)有關于CPPS 網絡攻擊的研究還處于起步階段，但隨著能源互聯(lián)網的發(fā)展和CPPS 的進一步推行，電網將面臨更多潛在的威脅，未來關于CPPS網絡攻擊的重點研究方向應包括：主動響應配電網環(huán)境下的CPPS 網絡攻擊研究；考慮網絡攻擊的CPPS 可靠性評估方法；網絡攻擊環(huán)境下的CPPS 混合仿真方法。

來源出版物：電力系統(tǒng)自動化， 2016， 40(6)： 148-151

入選年份：2017