智能变电站通信网络实时性与安全性分析

2024-05-20邓萧洵

通信电源技术 2024年3期

邓萧洵

（中国能源建设集团华中电力试验研究院有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

智能变电站中信息传输的实时性与安全性是一个重要研究课题，较多研究人员对此做过相关研究，并取得了一定成果。但是智能变电站通信网络自身特点和数据传输需求，导致目前通信网络还存在一定的缺陷和不足。如何保证智能变电站通信网络的实时性和信息传输的安全性，是现阶段需要解决的关键问题之一。

1 智能变电站加强通信网络实时性与安全性的重要性

1.1 有利于加强智能变电站的安全防护水平

变电站信息安全防护技术需要综合考虑系统、网络、应用、数据及服务5 个层次，以应对各类安全威胁。智能变电站的信息安全防护系统采用“以端防端”的思路，从各个层次进行防护。对于智能变电站来说，通过采用双网通信模式，在监控主机与站内通信网络之间设置防火墙，可防止来自外部的攻击；在站端设备和变电站主站之间设置防火墙，可防止来自站端的攻击[1]。

1.2 有利于加强变电站配电网的智能调控体系建设

智能变电站的实现，将以智能终端、智能电表以及光纤环网等为基础，通过统一的通信网络与调度管理系统相连接，形成一个完整的调度运行系统，实现变电站运行过程中的监控、保护、测量、计量以及自动控制等功能，同时与调度管理系统进行实时通信。智能变电站采用站控层网络，将大量数据以通信网络传输到调度中心，因此通信网络的安全直接关系到电力系统配网调控管理体系的稳定。而电力系统配网调控管理体系是以配网自动化为基础，并在此基础上构建起来的一个完整的电力系统控制网络。因此，必须要高度重视电力系统配网调控管理体系中存在的信息安全问题，以确保调度管理体系能够正常运行。

1.3 有利于提高智能变电站的电力资源使用率

智能变电站的出现，能够很好地解决以往变电站存在的一系列问题。在智能变电站中，信息网络技术的应用使得整个智能变电站的运行更加顺畅，进一步提高电力资源的利用率。同时，通过对信息网络技术的应用，大大减少电能消耗与电能浪费。此外，智能变电站的出现不仅使电力系统在运行时更加安全、可靠，而且使电力系统能够充分发挥其调节作用，从而为我国经济和社会发展提供良好的保障。随着智能变电站相关工作的开展，智能变电站系统已经成为我国电力系统中不可缺少的组成部分。因此，只有保证智能变电站信息网络安全运行，才能确保电力系统能够正常运行。但是我国在这方面缺乏专业知识和技术人才等，使得智能变电站信息网络存在很多安全隐患和漏洞。因此，要想提高智能变电站工作的质量和效率，必须要解决这些问题[2]。

2 现阶段智能变电站通信网络发展存在的问题

通信网络是智能变电站的重要组成部分，是实现变电站中各智能电子设备之间信息共享、数据交换的重要手段[3]。智能变电站通信网络通过采用网络化、智能化技术，实现智能设备间的互连互通、信息共享及互操作，从而达到提高变电站自动化水平的目的。在对智能变电站通信网络的设计中，不仅要满足一般通信网络的要求，还需要满足IEC 61850 标准中对通信网络的性能要求。本章从技术角度探讨IEC 61850 标准中关于网络模型和同步技术等方面，并结合某220 kV 智能变电站的通信网络设计方案，总结出现阶段智能变电站通信网络存在的问题。

2.1 变电站通信网络传输体系缺乏灵活性

由于智能变电站中的电子式互感器、合并单元等设备的通信以模拟信号为主，传输的信息量相对较少，而且这些设备之间存在着多种类型的连接方式，导致通信网络的灵活性较差。例如，某220 kV 智能变电站采用的是单母线分段接线方式，即一次设备在母线上安装智能电子式互感器、合并单元以及相应的智能控制装置，其过程层设备为智能断路器、保护测控装置。但是由于线路较长，而且多以模拟信号为主，导致变电站内传输的信息量较少。在对智能变电站进行设计时，需要考虑通信网络的灵活性问题，因此，为提高通信网络的灵活性，将采用光纤与以太网相结合的方式[4]。

2.2 变电站维保人员专业水平有待提升

智能变电站的通信网络系统主要由网络设备和智能终端组成，在这2 部分的技术人员需要具备相应的专业知识。由于目前变电站自动化系统的工作人员普遍文化水平偏低，技术能力有限，对于智能变电站通信网络中的相关设备和技术指标了解不全面，导致在设计过程中容易出现安全隐患[5]。例如，在智能变电站通信网络系统的设计中，对于通信网络所需的各种设备、技术指标都需要进行严格的计算，但在实际操作过程中，由于部分工作人员缺乏专业知识，计算结果不准确而导致设计方案不符合要求。此外，智能变电站通信网络系统涉及众多环节和因素，需要各个部门进行协调配合。同时在实际操作过程中，由于各个部门之间沟通不到位，导致工作效率较低。

2.3 变电站网络安全体系存在缺陷

在设计智能变电站通信网络时，必须要保证通信网络具有实时性，并保证信息传输的准确性。同时，智能变电站通信网络需要具备安全性，以保证信息传输的安全性。目前，智能变电站通信网络在实时性和安全性方面存在的漏洞主要有以下2 个方面。一方面，智能变电站通信网络采用的是点到点的连接方式，在一定程度上限制信息传输的实时性，从而影响信息传输的准确性。此外，点到点连接方式中节点之间采用交换机进行连接，增加了智能变电站通信网络的节点数量，从而导致节点之间的数据交换速率降低。另一方面，智能变电站通信网络采用的是以太网连接方式，使节点之间的数据交换速率降低。因为以太网是一种面向连接的结构，所以当网络中有新的节点加入时，原来的节点就会被隔离出来。这种方式在可以增加智能变电站通信网络的安全性[6]。

3 加强智能变电站通信网络实时性与安全性的主要措施

3.1 提高网络的可靠性

3.1.1 增加光纤传输设备

为实现变电站内各单元间的数据快速可靠地传输，提高通信网络的可靠性，需要采用光纤传输设备来构建智能变电站内各单元之间的数据传输网络。光纤传输设备可以实现多个变电站之间的数据交换，从而提高数据的传输效率和安全性。

3.1.2 采用冗余光纤网络

冗余光纤网络指在连接多个交换机时，使用2条或更多相同或不同时间工作的光纤，使其同时或先后处于工作状态。冗余光纤网络在传输数据时，可有效减少丢包的概率，提高通信网络的可靠性。

3.1.3 采用冗余交换机

冗余交换机指在网络中使用2 个或更多具有相同功能的交换机，并且每个交换机上都具有一个独立的冗余通道。采用冗余交换机可以提高智能变电站通信网络的可靠性，从而提高智能变电站通信网络信息传输的实时性。另外，冗余交换机可以对交换机上连接的各个设备进行监视和控制，当其中某个设备发生故障时，冗余交换机可以自动切换到其他设备并继续工作，从而有效提高信息传输的安全性[7]。

3.2 加强安全防护措施

在智能变电站的建设过程中，存在的各种安全问题给智能变电站的通信网络带来了一定的威胁，因此有必要采取相应的安全防护措施来确保通信网络的安全性。根据智能变电站自身特点，可以从以下4 个方面加强安全防护措施。一是对智能变电站通信网络进行技术升级，提高其安全性，实现网络通信环境下的身份认证及访问控制。对智能变电站通信网络中各节点进行身份认证，使其具有访问控制能力。二是采用安全报文机制对各种通信协议报文进行控制，使其可以相互隔离。三是采用可信计算技术，构建可信环境，以保证信息传输的安全性，例如通过软件来控制对网络系统中所有节点的访问权限。四是采用多层次安全防护，有效提高智能变电站的安全性，主要包括信息加密、身份认证、访问控制以及信息隔离等。

3.3 建立完善的安全机制

为保证智能变电站通信网络的安全性，应建立完善的安全机制。首先要建立相关的安全管理制度，在设备入网时进行严格审查，对其进行安全等级划分，并对其进行分级管理；其次是要建立设备的使用、维护以及管理制度；再次是要建立设备运行、维护、检修制度；最后是要建立定期和不定期的检查制度。

智能变电站通信网络的安全性与其自身的特点密不可分。随着智能变电站通信网络技术的不断发展，对其安全性提出更高要求。为提高智能变电站通信网络的安全性，应加强对其安全技术的研究，提高技术水平。另外，应加强对智能变电站通信网络相关人员的培训力度，提高工作人员的专业水平和安全意识。

3.4 提高数据传输质量

根据不同的数据类型，对数据传输进行分类。对于过程层和站控层，存在3 种类型的数据，应根据不同的通信协议采取不同的传输方式，提高数据传输的质量。对于过程层与间隔层之间的通信，应采用一对多的通信方式，即通过一个传输网络将站内所需要传输的信息发送给多个变电站，再由各变电站接收信息并进行处理。过程层与间隔层之间的通信采用以太网技术，因此在数据传输过程中不需要通过交换机等设备，也不存在延迟问题。

对于站控层之间的通信，应采用点对点通信方式，即通过一个光纤通道将站控层之间的数据进行传送。该方式具有实时性高、可靠性高的优点，但也存在一定的局限性。光纤通道本身存在一定的损耗问题，且在传输过程中易受外界环境因素影响，因此当光纤通道发生故障时，可能会导致数据无法及时传输。

对于间隔层与站控层之间的通信，应采用多对一的通信方式。该方式可以有效避免由于光纤通道出现故障而导致数据无法正常传输问题。此外，在间隔层与站控层之间增加一条虚拟网络通道，进一步提高了数据传输的稳定性。