摘要:基于智能变电站自动化的发展历程,分析了智能数字化变电站的关键技术、IED、IEC 61850标准来分析以太网信息安全技术的缺陷及其解决方法。
关键词:智能数字化;IED;以太网
中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)21-6127-02
基于国家电网公司落实智能数字电网计划中的变电站转为智能数字变电站的发展,一次、二次设备融为智能数字控制系统,这是用信息化融合传统的科技转化。基于新设备的融合技术都已全面打通命脉,比如在智能数字变电站关键技术方面,国家电网颁布了智能数字变电站关键技术的整体设计规划,要求新旧设备必须符合新的技术设计规范。智能传统变电站与智能ZigBee 数字化变电站融合,提高了智能数字变电站的应用能力,比如自动识别和协调、互动融合、PID控制系统等。在全国数字化变电站大市场中排前列,应用测试训练点也多,采集了许多经验,因此把传统变电站与智能数字化变电站通过一、二次智能设备融合实现信息化智能数字变电站,也是国家电网一次大的挑站。基于ZigBee 无线传感器网络中的智能数字变电站的主要研究是以ZigBee无线传感器网络中的BP算法等数字智能化设备在无线传感器网络监控系统中的继电保护的应用研究;同时采用IEC 61850标准和IEEE1588标准实现测量关键技术、以太网控制系统分析设备在线监测和状态检修及无线移动互联网监视等功能的智能数字化嵌入式数字化变电站自动识别系统来实现 ZigBee无线传感器网络的IEEE1588标准实现硬件和软件信息平台。
1 智能数字化变电站关键技术
智能数字化变电站主要由基于电光效应的互感器称为光学电流/电压互感器(OCT/OVT)或无源式互感器;其余泛称为电子式电流/电压互感器(ECT/EVT)或有源式互感器基础上分层融合,能够实现智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。
1.1 智能数字变电站一次、二次设备融合体系化
基于国家电网公司落实智能数字电网计划中的变电站转为智能数字化变电站的发展,一次、二次设备融为智能数字控制系统,这是用信息化融合传统的科技转化。基于新设备的融合技术都已全面打通命脉,比如在智能数字变电站关键技术方面,国家电网颁布了智能数字变电站关键技术的整体设计规划,要求新旧设备必须符合新的技术设计规范。智能传统变电站与智能ZigBee数字化变电站融合,提高了智能数字变电站的应用能力,比如自动识别和协调、互动融合、PID控制系统等。在全国数字化变电站大市场中排前列,应用测试训练点也多,采集了许多经验,因此把传统变电站与智能数字化变电站通过一、二次智能设备融合实现信息化智能数字变电站,也是国家电网一次大的挑站。基于ZigBee无线传感器网络中的智能数字变电站的主要研究是以ZigBee无线传感器网络中的BP算法等数字智能化设备在无线传感器网络监控系统中的继电保护的应用研究;同时采用IEC 61850标准和进程通信IEEE1588标准实现测量关键技术、以太网控制系统分析设备在线监测和状态检修及无线移动互联网监视等功能的智能数字化嵌入式数字化变电站自动识别系统来实现ZigBee无线传感器网络的IEEE1588标准硬件和软件平台。因为今年将有很多智能数字化变电站项目融合实施,为了融合国家电网新的技术规划需求,将很快研究出新标准的新产品,如新能源风能发电并网技术须和ZigBee智能电网融合。根据我国的地理位置风能基地分布在西北、东北,如没有一个固定稳定电力网络结构来统一协调管理,就不能够实现多种风能的分布式融合。比如太阳能是清洁能源,用来发电不稳定,需用电网整体结构协调应用。基于各国对智能电网的研究的方式一样,因此在各国电网智能设备市场中,中国国内公司与国外的大公司是融会同一起跑线上。密切相关,因此智能电网将给电力自动控制化和电子信息技术安全融合巨大的利润,物联网进程通信、物联网中心数据处理模块、以及Atmegal28+CC2430的设计芯片和电子元器件等领域都将受益。
1.2 智能数字变电站网络化
基于一种变电站直流智能设备网络化监测管理系统,包括分布在各变电站的智能检测设备,还包括数据采集设备、VPN局域网络和信息处理单元,智能检测设备的信息输出端接入信息采集设备的输入端,信息采集设备将信息转换为符合VPN技术的TCP/IP通讯协议的数据包,信息采集设备的输出端接入VPN局域网络后传送信息至信息处理单元,本实用新型能够方便接入各种智能设备,并将所采集数据信息送入开放实时数据库,便于设备运行状态信息处理单元进行分析处理,使设备信息能得到充分利用,对数据进行处理分析并web发布,对变电站直流电源系统各设备的运行情况进行实时监控,提高供电系统的可靠性。
1.3 IED的互操作性
为了保证IED的互操作性,需要对其进行一致性测试和性能测试。一致性测试属于“证书”测试,目的是测试IED是否符合特定标准。一致性测试一般由授权机构完成,而性能测试则由用户组织实施。与常规变电站相比,数字化变电站系统中的一致性测试和应用测试的联系更为紧密。一致性测试是应用测试的基础,产品只有通过了一致性测试才具备构成应用系统以执行应用测试的条件。由于IEC 61850标准的复杂性、其性能在网络异常时的未知性以及保护、监控系统对实时性的严格要求等原因,很可能出现单独产品已通过一致性测试,将其构成应用系统时却不能通过应用测试的情况。
2 智能数字化变电站以太网信息安全技术对策
IEEE1588所定义的精确网络同步协议实现了网络中的高度同步,使得分配控制工作时无需再进行专门的同步通信,从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。智能数字化变电站内由于各种智能电子设备的大量应用,变电站内运行、状态和控制等智能数字化信息需要传送,负责传送这些信息的网络通讯系统成为智能数字化变电站的重要平台,因而,网络可靠性直接关系着智能数字化变电站的良好运行。
2.1 基于数字化变电站
数据加密技术是一种防止数据采集发收篡改的方法,其中用到人工神经网络中的BP算法来贯却任意大小的数据消息,而BP神经网络权值、阈值的修正融合函数下降最快负梯度方向。如xk+1=xk-αkgk;其中xk是当前的权值和阈值矩阵,gk是当前表现函数的梯度, αk是数据加密。
2.2 VPN技术
虽然实现VPN的技术和方式很多,但所有的VPN均应保证通过电网网络平台传输数据的专用性和安全性。在安全性方面,由于VPN直接构建在电网网上,实现简单、方便、灵活,但同时其安全问题也更为突出。电力公司必须确保其VPN上传送的数据不被攻击者窥视和篡改,并且要防止非法用户对网络资源或私有信息的访问。VPN技术网应当为电力数据提供不同等级的服务质量保证。不同的用户和业务对服务质量保证的要求差别较大。在网络优化方面,构建VPN技术的另一重要需求是充分有效地利用有限的VPN局域网资源,为重要数据提供可靠的带宽。VPN局域网流量的不确定性使其带宽的利用率很低,在流量高峰时引起网络阻塞,使实时性要求高的数据得不到及时发送;而在流量低谷时又造成大量的网络带宽空闲。QoS和PB算法通过流量预测与流量控制策略,可以按照优先级分实现带宽管理,使得各类数据能够被合理地先后发送,并预防阻塞的发生。
2.3 信息的同步性
为避免电气量的相位和幅值产生误差,二次设备需要在同一时间点上获得采样数据。传统电磁式互感器输出的模拟信号不存在上述问题,但由合并单元输出的数字采样信号就必须含有时间信息。应在现场进行试验来验证合并单元进行数据采样的时间同步准确度,以满足系统测量和控制的要求。由于传统以太网自身的限制,通过多播方式在网络内实现时间同步很困难。IEC 61850采用SNTP实现不同设备间的同步采样,以UTC作为时钟同步源。由于过程层总线的负载大,要求同步误差控制在1μs,因此过程层同步标准必须采取IEEE 1588标准。1个IEEE1588精密时钟系统包括多个节点,每个节点代表1个时钟,时钟之间经由网络连接。按工作原理可将时钟分为普通时钟和边界时钟,普通时钟只有1个TVP端口,而边界时钟具有多个TVP端口。在网络中,每个时钟都可能处于从属时钟、主时钟和原主时钟共3种状态,时钟所处的状态是根据最优化的时钟算法确定的。
2.4 以太网接口芯片POE在智能电网嵌入式中的应用
基于POE标准是以太网的传输电缆输送直流电到POE兼容的嵌入式设备定义为两种方法:一种是“中间跨接法”是以太网电缆中没有被使用的空闲线对来传输直流电,融合的PSE支持POE功能的以太网HC3交换机、S9800核心路由器、集线器或其他网络交换设备。二种是“末端跨接法”是在传输数据采集的芯线上同时传输直流电,其输电融合以太网数据采集信号不同的频率。PSE是嵌入式交换机专门的电源管理设备。它对应每个端口有两个RJ45插孔,一个用短线连接至交换机,另一个连接远端设备。可以省去设置独立输电的专用线,这对于仅有8芯的电缆和相配套的标准RJ-45插座意义特别重大。
PD设备与POE标准融合时就直接通过RJ-45插座从以太网电缆供电,对于与POE不融合的设备可以采用直流变换器或抽头分压装置的方法,将其电压变换成POE兼容的电压被称为有源以太网分裂器。
2.5 ZigBee协议栈
要实现的是电量等信息汇总到监控机上,采用的是IEEE802.15.4标准的Atmegal28+CC2430的芯片来实现各个节点网络连接的融合的实现整个IEEE802.15.4标准的TCP/IP协议栈。基于变电站各个节点模块中, IEEE802.15.4标准的Atmegal28单片机是通过SPI接口和CC2430通信融合,在IEEE802.15.4标准实现ZigBee协议栈的融合实现数据在ZigBee无线传感器网络定位中的传输。软件方面,采用IEEE802.15.4标准Atmegal28中实现一个精简的Zigbee协议栈,完成ZigBee链路层的建立和数据的传输和多种网络拓扑融合体系结构。
3 结束语
IEC61850标准的实施、非常规互感器的应用以及智能断路器技术的成熟将逐步推进数字化变电站示范性工程的建设,这意味着变电站自动化技术将进入全面数字化的新阶段。在未来10年内,数字化变电站必将成为变电站自动化技术发展的主流,同时也将为未来“数字化电网”的建设奠定坚实的基础。减少了设备的退出次数和时间,提高了设备的可用性;减少了自动化设备的数量,从而简化了二次接线,提高了系统的可靠性;设备的互操作性为维护、更新和扩展设备的功能提供了方便。实现了信息在运行系统和其它支持系统之间的共享,减少了重复建设的投资以及变电站寿命周期内的总体成本。
参考文献:
[1] 徐礼葆.开放式数字化变电站自动化系统的讨论[J].继电器,2004,32(6):40-43.
[2] 戴先中.准同步采样及其在非正弦功率测量中的应用[J].仪器仪表学报,1984,5(4):390-396.