智能IED数字化变电站

（CumulativetyNO.159）

基于智能IED数字化变电站的关键技术及以太网信息

安全技术研究

郭远波1，刘小群2

（1.重庆电网建设有限公司，重庆 400039；2.重庆市电力公司北碚供电局，重庆 400038）

摘要：文章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、IEC61850、RTL8019AS等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；信息安全技术；加密技术中图分类号：TM769　　　　　　文献标识码：A文章编号：1009-2374 （2010）24-0083-02

向智能变电站发展，一次设备要升级为智能电力设备，二次设备则成为智能控制单元，这是一个革命性的变化。目前，这些新设备的需求都已经全面铺开，比如在智能变电站方面，国家电网发布了智能变电站的整体技术规划，标准也已出来，要求所需设备必须符合新的技术规范。智能化变电站与数字化变电站相比，增强了智能的应用能力，比如自适应、自协调、互动、控制等。许继在数字化变电站市场中是排在全国前列的，应用试点也最多，积累了很多经验，因此很容易转到智能变电站上来。电力设备的智能化已经没有技术瓶颈，通过软件系统和硬件系统的升级都可以实现。因为2010年将有很多智能变电站项目实施，为满足新的需求，许继很快就将推出针对新标准的全套新产品，如电子互感器、智能控制单元等都已经在实验室的检测中。而在用户层面，大量智能电表将被推广，明年我国计划要上4000万只智能电表。许继的智能电表产品已经推出来。智能电表不同于传统电表之处在于它是双向实时通信，具有互动的特征。比如智能电表为实施阶梯电价提供了可能，因为它能够提供实时数据，新能源发电并网需要依靠智能电网，由于我国的新能源基地大都在西北、东北，如没有一个很好的坚强的电力网架来统一协调，就不容易实现多种能源的分布式利用。1.2　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IEC61850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。

0　引言

随着国家电网公司坚强智能电网计划的实施，变电站将向智能变电站发展，一次设备要升级为智能电力设备，二次设备则成为智能控制单元，这是一个革命性的变化。目前，这些新设备的需求都已经全面铺开，比如在智能变电站方面，国家电网发布了智能变电站的整体技术规划，标准也已出来，要求所需设备必须符合新的技术规范。智能化变电站与数字化变电站相比，增强了智能的应用能力，比如自适应、自协调、互动、控制等。许继在数字化变电站市场中是排在全国前列的，应用试点也最多，积累了很多经验，因此很容易转到智能变电站上来。电力设备的智能化已经没有技术瓶颈，通过软件系统和硬件系统的升级都可以实现。基于数字化变电站的主要内容是研究电子式互感器等数字化设备在监控系统和继电保护中的应用技术；研究开发符合IEC61850标准，并具备测量、保护、控制、分析、设备在线监测、状态检修、远方监视等功能的数字化分散式变电站自动化系统；研制可直接接入电子式互感器等数字化信号的硬件和软件平台。从标准体系来讲，国内公司与国外的大公司是处在同一起跑线上。智能电网的发展将带来一、二次设备体系的融合，这对于中国企业来说是一次大的机遇。

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　智能电网一、二次设备融合体系化

随着国家电网公司坚强智能电网计划的实施，变电站将

2　智能数字化变电站以太网信息安全技术方法

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，

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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　加密技术

摘要是一种防止改动的方法，其中用到的函数叫摘要函数。这些函数的输入可以是任意大小的消息，而输出是一个固定长度的摘要。摘要有这样一个性质，如果改变了输入消息中的任何东西，甚至只有一位，输出的摘要将会发生不可预测的改变，也就是说输入消息的每一位对输出摘要都有影响。总之，摘要算法从给定的文本块中产生一个数字签名(fingerprint或messagedigest)，数字签名可以用于防止有人从一个签名上获取文本信息或改变文本信息内容和进行身份认证。摘要算法的数字签名原理在很多加密算法中都被使用，如SO/KEY和PIP(prettygoodprivacy)。现在流行的摘要函数有MAD和MAD，但要记住客户机和服务器必须使用相同的算法，无论是MAD还是MAD，MAD客户机不能和MAD服务器交互。MAD摘要算法的设计是出于利用32位RISC结构来最大其吞吐量，而不需要大量的替换表(substitu-tiontable)来考虑的。MAD算法是以消息给予的长度作为输入，产生一个128位的“指纹”或“消息化”。要产生两个具有相同消息化的文字块或者产生任何具有预先给定“指纹”的消息，都被认为在计算上是不可能的。MAD摘要算法是个数据认证标准。MAD的设计思想是要找出速度更快，比MAD更安全的一种算法，MAD的设计者通过使MAD在计算上慢下来，以及对这些计算做了一些基础性的改动来解决安全性这一问题，是MAD算法的一个扩展。2.2　防火墙技术

防火墙技术通过对网络的隔离和限制访问等方法，来控制网络的访问权限，从而保证变电站综合自动化系统的网络安全。由于防火墙只能够对跨越网络边界的信息进行监测、控制，而对网络内部人员的攻击不具备防范能力。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。IEC61850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IEEE1588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，

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84时钟所处的状态是根据最优化的时钟算法确定的。2.4　以太网接口电路设计

RTL8019AS是一种高度集成的以太网芯片，能实现即插即用功能。RTL8019AS的封装形式为100引脚的TQFP封装，其引脚可分为电源及时钟引脚、网络介质接口引脚、自举ROM及初始化EEPROM接口引脚、主处理器接口引脚、输出指示及工作方式配置引脚。由于主要讨论非PC环境下的以太网接口，该接口不必具有即插即用功能和远程自举加载功能，因此不需要关RTL8019AS与自举ROM、初始化EEPROM接口的引脚。2.5　以太网TCP/IP协议

要实现的是电量等信息汇总到监控机上，由于采用的是以太网芯片RTL8019AS来实现网络连接的方案，芯片本身并不带协议栈，结合实际系统对功能和精度的具体要求，不需要在微处理器上完整的实现整个TCP/IP协议栈，只要开发一个嵌入式的TCP/IP协议栈就可以满足系统的要求。嵌入式TCPHP协议即是从以满足嵌入式系统的实际需求为目的指导思想出发，建立在嵌入式Intemet理论的基础上，通过对庞大、功能齐全的TCP/IP协议的仔细研究，对标准的TCP/IP协议进行了一定的取舍，从而制定出了一套简单的、适用于嵌入式系统的并且能完成相应网络功能的协议，称为嵌入式TCPHP协议。

3　结语

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，等．开放式数字化变电站自动化系统的讨论[J]．

继电器，2004，（16）.

[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）.

作者简介：郭远波（1977-），重庆电网建设有限公司副所长，助理工程师，研究方向：综合自动化应用、智能电网及智能变电站；刘小群（1978-），重庆市电力公司北碚供电局助理工程师，研究方向：体化电源系统、智能电网及智能变电站。