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0. 引言
變電站綜合自動(dòng)化在近年的飛速發(fā)展主要是由兩個(gè)原因的推動(dòng)。一是IT技術(shù)與通信技術(shù)近些年來(lái)的突破性進(jìn)展使得數(shù)字化變電站綜合自動(dòng)化從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度而言成為可能。二是電力企業(yè)對(duì)提高工作效率、降低運(yùn)營(yíng)成本的重視以及日益認(rèn)識(shí)到用電客戶端的服務(wù)對(duì)于電力企業(yè)效益的重要性。變電站綜合自動(dòng)化的關(guān)鍵問(wèn)題在于信息共享，須保證任何需要電力系統(tǒng)信息的部門在特定時(shí)間內(nèi)獲得足夠的有效信息。對(duì)于這些信息的分析對(duì)制定電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的決策具有重要的意義。目前在很多變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中包含了豐富的有用信息，包括電力系統(tǒng)運(yùn)行信息與非運(yùn)行信息。所以當(dāng)前的各地供電企業(yè)面臨的急切問(wèn)題是如何制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)來(lái)提取這些電力系統(tǒng)運(yùn)行和非運(yùn)行信息并分析這些信息，來(lái)降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本和提高企業(yè)效益。因此建立變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的開放式標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)前是必要的和必需的。
1. 開放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)
關(guān)于變電站綜合自動(dòng)化，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義。一般來(lái)說(shuō)，是指將變電站的二次設(shè)備經(jīng)過(guò)功能組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全變電站的主要設(shè)備和輸、配電的自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化功能[1>。變電站綜合自動(dòng)化的目標(biāo)是將保護(hù)、控制、數(shù)據(jù)采集功能集成在最少的平臺(tái)上，以減少設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)成本，減少控制室面積，避免多余的設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)。智能設(shè)備（IED）作為綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵二次設(shè)備，具有一個(gè)或多個(gè)微處理器，可以從外部接受和向外部發(fā)送數(shù)據(jù)和控制（ 例如：電子式儀表、數(shù)字化繼電器、控制等 ）。
開放式變電站綜合系統(tǒng)化系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)的功能接口抽象和通信的標(biāo)準(zhǔn)化，為綜合自動(dòng)化提供了一個(gè)開放的統(tǒng)一平臺(tái)，滿足不同類型保護(hù)與控制設(shè)備的集成和交互。從另一角度而言，開放式的變電站綜合自動(dòng)化建立在供應(yīng)商的產(chǎn)品軟硬件接口的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)之上，不同廠家的產(chǎn)品可以在本地交互或者與遠(yuǎn)方系統(tǒng)進(jìn)行交互和信息共享。
開放式的變電站綜自系統(tǒng)給電力企業(yè)帶來(lái)的好處是降低投資風(fēng)險(xiǎn)和降低投資成本，允許現(xiàn)有變電站系統(tǒng)逐步升級(jí)改造而不是完全拋棄原來(lái)投資，而且為將來(lái)的系統(tǒng)改造也帶來(lái)便利。開放式系統(tǒng)帶來(lái)的好處還有延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命、變電站系統(tǒng)的功能易于擴(kuò)展和兼容第三方產(chǎn)品等。
2. 開放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與對(duì)外數(shù)據(jù)傳送
2.1 變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
按照開放式系統(tǒng)分層劃分的原則，我們可以將變電站綜合自動(dòng)化可從設(shè)備角度劃分為一次設(shè)備層、IED應(yīng)用層、IED綜合層、變電站自動(dòng)化應(yīng)用層和企業(yè)層。五層結(jié)構(gòu)如圖1：
其中，一次設(shè)備層包括如斷路器、變壓器等電氣設(shè)備。IED應(yīng)用層完成一次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、保護(hù)、控制與監(jiān)測(cè)等與一次設(shè)備相關(guān)的功能。IED綜合層建立在IED應(yīng)用層的基礎(chǔ)上，借助于統(tǒng)一的通信接口，完成各種智能設(shè)備間的通信功能，并為將來(lái)可能的新型IED設(shè)備的接入預(yù)留接口。IED綜合層包括兩個(gè)層面：間隔層內(nèi)IED設(shè)備的綜合和變電站層IED的綜合。變電站自動(dòng)化應(yīng)用層接收IED應(yīng)用層的信息并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的協(xié)調(diào)控制，如電壓與無(wú)功控制等，并為上層提供變電站運(yùn)行信息，同時(shí)接收上層發(fā)布的命令并執(zhí)行。最上層是企業(yè)層如各電力公司，利用下層信息制定電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)決策，并向下層發(fā)布控制命令。從工程角度而言目前現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的焦點(diǎn)在于各智能設(shè)備間在變電站自動(dòng)化平臺(tái)上的集成。
2.2 開放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)外的數(shù)據(jù)傳送通道
如下圖二所示：
從變電站到上層系統(tǒng)共有三條數(shù)據(jù)通道相連，包括SCADA系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和遠(yuǎn)端聯(lián)接智能設(shè)備。
（1）最為常用的數(shù)據(jù)路徑是變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)到SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，包括變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息（如電壓、電流等）、設(shè)備動(dòng)作信息以及SCADA系統(tǒng)發(fā)布到變電站的控制命令。這些信息對(duì)于調(diào)度監(jiān)視和控制電力系統(tǒng)是十分重要，必須在限定的較短時(shí)間內(nèi)完成傳送和處理工作，所以對(duì)信道的要求很高。
（2）數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)處理來(lái)自變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的非運(yùn)行信息（如設(shè)備檢修狀態(tài)等）。數(shù)據(jù)傳送的方式到底是從變電站主動(dòng)送往數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，還是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)向變電站要求數(shù)據(jù)傳遞，還是兩者兼而有之，這個(gè)問(wèn)題值得進(jìn)一步探討。
（3）第三條數(shù)據(jù)通道是從遠(yuǎn)端直接從智能設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，如通過(guò)電話撥號(hào)方式。
3.實(shí)現(xiàn)開放式變電站自動(dòng)化的通信協(xié)議
開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)的建立關(guān)鍵問(wèn)題在于通信的標(biāo)準(zhǔn)化。變電站中IED與綜合自動(dòng)化的關(guān)系如下圖三所示：
如圖三所示，變電站綜合自動(dòng)化是由多個(gè)IED組成。IED間相互通訊，并且執(zhí)行與變電站的應(yīng)用層相互交互的功能（如與變電站層的網(wǎng)絡(luò)控制、遙信、人機(jī)接口等等功能交互）。IED包括例如間隔控制單元、保護(hù)繼電器、RTU、HMI、數(shù)字式電流/電壓互感器等等。變電站內(nèi)部通信網(wǎng)相當(dāng)于為變電站中的IED構(gòu)造了集成平臺(tái)。
IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)變電站中全部設(shè)備間的互操作性。變電站全部設(shè)備間的通信必須滿足變電站中所完成功能的要求。然而各IED的功能配置以及控制策略不是固定的，其取決于生產(chǎn)廠家、用戶和現(xiàn)代技術(shù)水平。這就導(dǎo)致了變電站內(nèi)存在通信接口問(wèn)題。IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)支持功能的任意配置，并提供清晰的結(jié)構(gòu)，以使標(biāo)準(zhǔn)可在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，且適應(yīng)通信技術(shù)的快速發(fā)展。另外61850標(biāo)準(zhǔn)的絕大部分與實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)，所以確保了IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的靈活性。目前看來(lái)IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)現(xiàn)開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)提供了可能。
3.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的功能建模
IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)為了達(dá)到變電站實(shí)現(xiàn)分布和分配在各不同IED上的目標(biāo)，將所有功能被分解成邏輯節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)可能分布在一個(gè)或多個(gè)物理設(shè)備上。為了實(shí)現(xiàn)邏輯節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)變換，邏輯節(jié)點(diǎn)間通過(guò)邏輯連接（LC）相連。圖四中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能F1和F2。F1功能分解成5個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)LN1、LN2、LN3、LN4、LN5；F2功能分解成三個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)LN3 、LN5、 LN6。而在實(shí)際中這兩個(gè)功能又由三個(gè)物理設(shè)備（IED）完成。如圖第一個(gè)物理設(shè)備中含有三個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)設(shè)備中含有兩個(gè)邏輯結(jié)點(diǎn)，第三個(gè)設(shè)備只有一個(gè)邏輯結(jié)點(diǎn)。它們之間的連線表示它們之間的通信聯(lián)系。（注：LN0是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中一個(gè)特殊定義的邏輯結(jié)點(diǎn)，表示每一個(gè)物理設(shè)備的自我描述，而且是固定的。）
3.2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中的通信建模與映射
IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中把通信技術(shù)本身和要實(shí)現(xiàn)的通信功能分開。因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)發(fā)展過(guò)快，即使最新制定出的通信協(xié)議也可能不代表出版時(shí)的最新技術(shù)。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定了變電站功能和設(shè)備模型的通信要求，區(qū)分所有功能和通信要求。同時(shí)為支持功能的自由配置，對(duì)功能作了適當(dāng)分解，分解成相互通信的邏輯結(jié)點(diǎn)，而且IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中列出了變電站各邏輯結(jié)點(diǎn)要交換的數(shù)據(jù)和性能要求。從信息抽象的角度來(lái)看，變電站的配置工作就成為定義變電站中的數(shù)據(jù)流向。
為達(dá)到將通信的內(nèi)容獨(dú)立出來(lái)的目的，IEC61850建立了數(shù)據(jù)模型，定義了很多對(duì)象（如數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)集、事件控制、報(bào)告控制、登錄控制）以及對(duì)象提供的服務(wù)（讀數(shù)、設(shè)定、報(bào)告、定義、刪除等）。下圖五描述IEC61850中通信映射的層次：
由圖中可看出IEC61850在兩個(gè)方面進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的工作，一是抽象通信服務(wù)接口，二是特殊通信服務(wù)映射。
抽象通信服務(wù)接口（ACSI）定義了獲取變電站層的數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)對(duì)象和方法。變電站層的數(shù)據(jù)對(duì)象指某應(yīng)用的具體實(shí)例，而抽象通信服務(wù)接口定義的是獲取這些具體實(shí)例的方法和方法的載體數(shù)據(jù)對(duì)象，是一種抽象接口。通信對(duì)象服務(wù)不僅能夠讀寫對(duì)象值,而且也可以執(zhí)行其他操作如控制一次設(shè)備。
特殊通信服務(wù)映射(SCSM)定義的是這些對(duì)象和服務(wù)向網(wǎng)絡(luò)層的映射。按照應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議不同，映射方法也各不相同，由IED供應(yīng)商自己定義，但是IED的抽象通信服務(wù)接口是相同的。
從上可以看出，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的制定原則和面向?qū)ο蟮慕７椒ūＷC了該標(biāo)準(zhǔn)的以后擴(kuò)展性問(wèn)題的解決和建立開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可能性。
4. 開放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的安全問(wèn)題
由于原來(lái)的SCADA和其他的控制系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，是廠家的專有產(chǎn)品。它們的安全性來(lái)自于它們的硬件平臺(tái)和邏輯結(jié)構(gòu)與外界不同。開放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)基于開放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上。所有的供應(yīng)商都可以開發(fā)基于因特網(wǎng)的應(yīng)用程序來(lái)監(jiān)測(cè)、控制或遠(yuǎn)方診斷，但是帶來(lái)的問(wèn)題是可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的安全性降低。對(duì)于電力系統(tǒng)這樣一個(gè)要求高可靠性和安全穩(wěn)定性的系統(tǒng)而言，安全問(wèn)題尤其突出。因此對(duì)于開放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)和實(shí)施而言安全問(wèn)題十分重要。
可采用的技術(shù)措施分為兩類：加密技術(shù)與防火墻。前者對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密處理,到達(dá)目的地址后再解密還原為原始數(shù)據(jù),從而防止非法用戶對(duì)信息的截取和盜用。防火墻技術(shù)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的隔離和限制訪問(wèn)等方法,來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)權(quán)限,從而保證變電站綜自系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全。
4.1 數(shù)據(jù)加密技術(shù)數(shù)據(jù)
加密型網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)是通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)加密來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)資源的安全性,加密技術(shù)是保證網(wǎng)絡(luò)資源安全的技術(shù)基礎(chǔ),是一種主動(dòng)安全防御策略。常用的加密方法有對(duì)稱密鑰加密和非對(duì)稱密鑰加密兩種。從加密技術(shù)應(yīng)用的邏輯位置來(lái)看,有面向網(wǎng)絡(luò)和面向應(yīng)用的兩種。前者工作在網(wǎng)絡(luò)層或傳輸層,它對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都進(jìn)行加密,因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能會(huì)有一定的影響。面向應(yīng)用層的加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單,它允許用戶對(duì)加密對(duì)象進(jìn)行選擇。
4.2 防火墻技術(shù)
防火墻是一種訪問(wèn)控制技術(shù),它用于加強(qiáng)兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的邊界防衛(wèi)能力。其工作方法是在公共網(wǎng)絡(luò)和專用網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)立一道隔離墻,在此檢查進(jìn)出專用網(wǎng)絡(luò)的信息是否被準(zhǔn)許通過(guò),或用戶的服務(wù)請(qǐng)求是否被允許,從而阻止對(duì)信息資源的非法訪問(wèn)和非授權(quán)用戶的進(jìn)入,它屬于一種被動(dòng)型防衛(wèi)技術(shù)。建立防火墻時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)具有明確的邊界和服務(wù)類型,這樣才能夠隔離內(nèi)外網(wǎng)絡(luò),達(dá)到防護(hù)目的。由于防火墻只能夠?qū)缭骄W(wǎng)絡(luò)邊界的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制,而對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部人員的攻擊不具備防范能力。因此單純依靠防火墻來(lái)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全性是不夠的,還必須與其它安全措施（如前面介紹的加密技術(shù)等）綜合使用,才能達(dá)到目的。
5．可行性研究
開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的試驗(yàn)在國(guó)外已經(jīng)開展，并在工程中逐步推廣。在功能規(guī)范和模型方面,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)基本上覆蓋了參考開關(guān)間隔的功能及其要求,成功地建立了開關(guān)間隔對(duì)象模型。國(guó)外研究者采用以太網(wǎng)/MMS(message manufacturing specification)的方式測(cè)試變電站站級(jí)通信總線的通信性能，結(jié)果表明交換式以太網(wǎng)可滿足各等級(jí)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的時(shí)間性能要求。在進(jìn)行測(cè)試的開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中各IED裝置通過(guò)以太網(wǎng),采用MMS作為應(yīng)用層協(xié)議,與變電站控制系統(tǒng)通信。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)以面向?qū)ο蠛统橄蟮姆椒枋鰧?shí)際的應(yīng)用,使之可適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展并延伸。所有在裝置中基于IEC61850文件建立的對(duì)象和服務(wù)模型都被映射成MMS中通用服務(wù)和對(duì)象。采用以太網(wǎng)/MMS通信,可方便的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)工具監(jiān)視MMS層上的數(shù)據(jù)流。所以以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)與MMS結(jié)合,加之IEC61850的應(yīng)用描述,是將變電站控制系統(tǒng)變?yōu)殚_放式系統(tǒng)的一個(gè)可能的路徑。測(cè)試結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)表明IEC61850將應(yīng)用與通信分離和間隔功能的抽象的方法是處理復(fù)雜的變電站控制的可行途徑。以太網(wǎng)同上層協(xié)議結(jié)合,可將變電站控制與企業(yè)的Intranet相連,并可能通過(guò)Internet建立IED遠(yuǎn)方診斷和維護(hù)。所以建立一個(gè)開放式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該是國(guó)內(nèi)目前很有前途的發(fā)展方向。
6．結(jié)論
綜上所述，建立開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前來(lái)說(shuō)應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)是可能的。但是開放式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)要特別關(guān)注系統(tǒng)的安全性要求。
