智能电网建设中信息和通信技术的应用

吴 超 张林俊 唐 飞

（重庆市电力公司检修分公司，重庆 400000）

引言

随着国民经济的快速发展，智能电网成为世界电网发展的新趋势，国内外均给予极大关注。国家电网公司提出以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的国际领先、自主创新、中国特色的坚强的智能化电网。智能电网的关键技术涉及诸多领域，本文对智能电网信息和通信的若干研究重点进行了讨论，具体包括层次模型、信息网络、信息和通信系统的安全防护几个基本方面。

l层次模型

智能电网信息流的层次模型包括4个层次，即电网设备层、通信网架层、数据存储管理层、数据应用层。各个层次组成的信息支撑体系是坚强智能电网信息运转的有效载体，是坚强智能电网坚实的信息传输基础。信息支撑体系通过对电网基础信息分层分级的集成与整合，达到信息的纵向贯通和横向集成，为坚强智能电网提供可靠信息支撑。信息流的层次模型如图1所示。

图1 信息流的层次模式

电网设备层包括电网的各类需要信息传输和交换的元件和设备。

通信网架层利用通信网络将电网设备层的各类型设备连接成一个整体，其中网络方式较传统的其他方式具有连接简单、易维护等特点，在有线网络不易部署的地方可以采用无线方式或公开网方式，辅予合适的网络安全策略。

数据存储管理层提供数据的存储以及跨分区、跨系统的整合、集成、访问功能。智能电网的信息量将远大于现有电网，数据的有效存储是需要深入研究的一个问题。同时在已有信息化的基础上。完善异构系统之间的信息集成。信息的访问可以采用事件驱动或者小心总线的模式，避免数据的大量检索。

基于上述基础数据应用层实现智能电网的高级分析、控制等功能。

标准体系贯穿信息流层次模式的各层级，保障设备的即插即用、信息的有效交换和传输内容的无二义理解，降低信息交换成本。

2 信息网络

我国已建成先进可靠的电力通信网络，形成了以光纤通信为主，微波、载波、卫星等多种通信方式并存，分层分级自愈环网为主要特征的电力专用通信网络体系架构。在配电、用电领域，拥有电力负荷控制专用无线电频率(230MHz)。开发了电力线通信(PLC)技术，应用于自动抄表、配网管理、用户双向通信等方面。目前，国家电网公司所辖全部网省公司SGl86一体化平台一期工程已经全部完成，公司总部与网省公司实现了二级级联，总部、网省公司、地市(县)公司的三级贯通已经全面展开。

但目前存在的主要问题包括：骨干网架仍不够坚强，难以完全满足调度数据网络第二平面建设的新要求：各级通信网络的资源整合和充分利用有待进一步加强：总体上呈“骨干网强、接入网弱”、“高(电压)端强，低端弱”的态势，配电、用电环节的通信水平相对输电网而言差距较大。网络的特点可以解决上述不足。

网络具有可靠性高、控制灵活、易于维护、扩展方便等众多适合智能电网控制的优点。可显著简化控制设备的连接方式，实现各种异构控制设备的网络集成和信息共享。然而电力系统是分布式、实时系统。各种控制设备的信息差异很大，通过网络传输控制信息将存在时延不确定、路径不确定、数据包丢失、信息因果性丧失等问题。可从电力系统信息的传输特性，网络对电网控制性能的影响、电网的通信系统体系结构的影响等方面入手，研究信息网络在智能电网应用的关键问题。如某项目侧重从电网公司角度对电网通信系统的体系结构进行研究。提出了电网分层次的通信体系结构，该结构分为厂站层、区域层和系统层3层。

2002年后对电力系统信息的传输特性和网络延时对电网控制性能影响的研究成果开始引起关注。介绍了控制网络的典型结构，并对网络化的时延模型、线性控制系统的时延补偿方法进行了阐述。主要方法包括改进协议、进行反馈补偿等，提高基于网络控制的实时性。

新技术在电网信息网络中应用，学科交叉历来是研究重点。研究了密集波分复用技术DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)、下一代同步数字体系NGSDH(Next Generation Synchronous Digital Hierarchy)、自动交换光网络ASON(Automatically Switched Optical Network)在电网信息通信网络中的应用，介绍了基于上述技术的电网通信网络架构。介绍了基于移动智能体MA(Mobile A－gent)的多级电力控制中心互联通信平台设计。该平台采用TASE.2协议，基于智能体的网络控制和诊断满足了对多级电力控制中心的互联需求。

电力系统的控制信息调度采用网络传输方式，属于动态调度。动态调度区别于静态调度，没有明确的任务周期。指出采用时延控制策略对同时到达交换机的电力系统保护信息流进行控制时无法确保端到端的响应时间要求，因此有必要研究新的信息流控制机制，确保基于信息网络的电力系统控制任务的时间约束关系.提高电网信息调度的可控制性。基于网络的电力系统应用包括继电保护、同步相量测量等，提出一种基于数据网的新型广域后备保护系统的硬、软件设计方案，并给出了该方案的意义、原理及保护算法，提出利用从相量测量装置获得的电压和电流相量，并基于静态等值的思想，通过相对电距离指标对各负荷节点的静态电压稳定性进行排序，从而可对关键节点进行监测和控制。

3 安全防护

智能电网较传统电网将更多依赖信息交换，电网跨地域广阔，设备元件众多，任意节点都可能引发信息安全问题，导致电网发生故障，因此智能电网信息安全防护内涵很广，影响重大。

长期以来，电网的安全偏重于电网的物理安全，例如电网稳定、设备的电气安全，对信息安全不够重视。指出，五年内对某变电站信息安全进行二次评估，第1次信息安全评估发现的如系统弱口令、默认密码未删除等问题，五年后并未得到实质性改进，此外还发现了新的安全隐患，包括无线网络安全、与因特网的强连接、数据传输经过商用通信网等。因此，智能电网信息系统的安全防护应该是一个系统化的体系，该体系的主要内容包括4点。

3.1 脆弱性和风险评估

对信息系统的脆弱性和风险定期进行评估，指定包括改进措施的一系列指导原则。调查指出虽然工作站、服务器、路由器都提供了安全机制，但是用户并未认证对安全进行有效配置，甚至配备有IT维护团队的顶级大公司也存在这个问题。据统计约有超过90%的信息系统入侵是通过已知的系统漏洞和操作系统、服务器、网络设备错误配置实现的。

3.2 对威胁的应对能力

对电网安全构成威胁的行为，如信息系统攻击发生时，相应的应对和报警机制随之启动。在极端情况下，电网信息系统遭受大规模攻击。导致电网发生故障时，电网公司与其他机构。包括政府机构的联动响应。

图2 电网与信息系统的相互关系

3.3 重要系统的可靠性

2002年5月中华人民共和国国家经贸委30号令《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护的规定》指出重要系统包括电力数据采集与监控系统、能量管理系统、变电站自动化系统、换流站计算机监控系统、发电厂计算机监控系统、配电自动化系统、微机继电保护和安全自动装置、广域相量测量系统、负荷控制系统、水调自动化系统和水电梯级调度自动化系统、电能量计量计费系统、实时电力市场的辅助控制系统、各级电力调度专用广域数据网络、用于远程维护及电能量计费等的调度专用拨号网络、各计算机监控系统内部的本地局域网络等。必须防范对上述电网计算机监控系统及调度数据网络的攻击侵害及由此引起的电力系统事故。抵御病毒、黑客等通过各种形式对系统发起的恶意破坏和攻击，防止通过外部边界发起的攻击和侵入，尤其是防止由攻击导致的一次系统的控制事故。

3.4 敏感信息的安全

对敏感信息从内部和外部都杜绝被窃取，如电网的发电、输电、配电等环节的重要数据。防止未授权用户访问系统或非法获取电网运行和调度敏感信息以及各种破坏性行为，保障电网调度数据信息的安全性、完整性。重点关注电力市场系统、电网调度信息披露的数据安全问题，防止非法访问和盗用。主要通过具有认证、加密功能的安全网关来实现：确保信息不受破坏和丢失。则通过系统冗余备份来实现。

关于信息系统的安全防护，需要特别关注的是无线网络的安全防护问题。无线网络具有接人灵活、方便的特点，在配网和用电侧具有广泛应用的可能。如IEEE802.11b标准用途相当广泛。已经成为用于共享无线局域网(WLAN)技术的行业标准。指出802.1lb的身份验证比较脆弱，黑客只需要一台普通的无线局域网适配器就能够达到利用这个缺陷的目的。只要对适配器的编码加以修改，就可以干扰无线局域网数据的传输。用这台适配器，可以彻底破坏其通信范围内的任何使用802.1lb技术的无线局域网。所需时间不过5～8s。因此在电网使用无线通信时必须对其安全机制进行改进.否则将带来安全隐患。

4 智能电网信息及通信体系架构

电力系统本质上是能量的传递过程，该过程由发电、输电、配电及用电4个环节组成。调度数据专网等电力专用通信网络已经覆盖了发电、输电、配电等环节，用户侧利用载波方式进行小数据量传输(如抄表)已得到广泛使用。EMS、WAMS、TMR、水调自动化、DMS等信息系统为电力系统的正常运行提供了可靠的技术保障，如图2所示。

图3 智能电网信息及通信体系架构

智能电网的特征之一是与用户良好的交互，自动抄表(AMR)或者自动测量(AMI)等智能表计及用户侧信息网关成为智能电网的重要领域之一。目前大多数AMR及AMI的解决方案中采用GPRS、RF等无线技术作为通信手段。本文第4部分安全防护部分指出802.1lb的身份验证比较脆弱，黑客只需一台普通的无线局域网适配器就能达到利用这个缺陷的目的。从安全角度考虑采用无线技术欠妥当，本文建议在电力线上采用OFDM(OrthogonalFrequencvDivision Multiplexing)，即正交频分复用技术，可实现高可靠性、最大传输速率为14 Mbit／s的数据传输，同时避免无线技术的安全性问题。

从发电、输电、配电的通信方式发展看，信息网络传输的是保护、控制、测量数据等综合信息，智能电网的电力通信网络将发展综合信息网络。

从信息利用角度看，智能电网的监控从传统电网的基于局部信息向基于全局信息转变，分散在各类信息系统的数据等将通过综合数据平台的方式进行集成，方便不同业务关注人员对各类数据进行应用，实现智能电网的高级分析应用功能。因此本文提出的智能电网的信息及通信体系的架构如图3所示。

5 结语

随着我国电力经济的发展壮大，电力通信网络已成为世界上最大的电力专用通信网络。信息和通信技术是智能电网的核心技术之一，是实现智能电网的基础。但是在体系架构、新技术等研究领域与国际水平还存在一定差距。我国的电力信息与通信网络建设必须适应和满足我国的智能电网的建设和要求。因此，必须自主创新研究适应我国电网需求的智能电网信息及通信网络体系以及智能电网信息传输标准协议体系等课题。

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