VPN技术在远程供配电监控系统中的工程应用

刘 霞

（河北沧州师范学院计算机系，河北沧州 061001）

电力是现代工业生产的主要能源和动力，是人类现代文明的物质技术基础。供配电技术是研究电力供应和分配的环节。供配电系统运行的安全可靠，对于保证企业生产和国民经济的发展具有十分重要的作用。

供配电监控系统是保证电力供应的有效手段，它能够对变电站内各用电设备进行监视和管理，是电能质量提高的基本保证。而近年来，随着电力电子技术的不断应用，各种高精度的设备也应用到了生产实践当中。这些设备的自动化程度一般较高，因此，这些设备对电能质量和供电可靠性也提出了更高的要求。

变电站自动化监控系统是利用计算机软硬件技术、网络通信技术和自动化技术对在线运行的变电站全部设备进行实时监视、测量、保护、控制和管理的自动化系统。监控系统的存在，可以对设备的运行状态进行有效地监控，以保证运行的可靠性和安全性[1]。

1 VPN技术要点及在监控系统中的应用分析

VPN的英文全称是“Virtual Private Network”，就是“虚拟专用网络”，是一种依靠ISP（Internet服务提供商）和其它NSP（网络服务提供商），在公用网络中建立专用数据通信网络的技术。

变电站自动化监控系统具有两种基本形式：一种是集中监控，一种是远程监控。集中监控一般位于变电站比较集中的地方，利用局域网构建通信网络，这种方式具有数据传输速率较高、控制命令执行迅速、系统安全性高等优点。但是集中监控的缺点也比较明显，一方面是在每一个集中监控点都需要有值班人员，无法实现真正意义上的无人值守，另一方面是由于集中监控的每一个监控点无法了解其它的监控点的基本情况，无法协调整个区域内的供配电情况；远程监控系统可以利用通信公网来实现变电站设备的监控，因此具有监控范围广且可有效实现协调等特征。但是由于公网的数据传输速率不高、安全性差等问题，使远程监控的误操作率大大增加。针对以上的问题，结合集中和远程两种方式的优点，构建基于局部集中，整体远程的监控方式是一种最优的选择。

局部集中、整体远程的变电站监控方式需要借助两种网络来实现：一种是变电站监控局域网，而另一种是通信公网。这两种网络的结合不仅带来了网络的复杂性，还带来了管理和安全性的问题。因此，利用VPN技术来实现这两种网络的数据传输，可有效地保证数据传送的安全性，也可有效地降低传输费用。

VPN技术的核心是“利用IP机制在公共数据网络上构建或仿真出一个私有的广域网，以形成一条点到点的专线技术实现数据通信”。这里有两个基本要点，一个是虚拟；另一个是专用。虚拟是指用户不真正拥有实际的长途数据线路，而是借助于公共的Internet网络进行长途数据传输；而所谓的专用，是指用户可以利用VPN技术为自已制定出一个最符合自已需求的网络。

目前，VPN技术主要分两类，一类是基于MPLS（多协议标记交换）和L2TP（第二层隧道协议）等标准的VPN技术；另一种是基于IPSec的VPN技术。具体结构如图1所示。由于第二种方式利用了隧道技术、加密技术、认证技术、密钥技术等，所以可以简单、方便地实现企业点到点安全、可靠的数据传输服务。

图1 基于IPSec的VPN技术结构图

2 基于VPN技术的供配电监控系统整体设计

供配电监控系统采用分层形式来实现，整体采用三层结构：第一层为现场控制层；第二层为通讯层；第三层为远程监控中心层。具体结构如图2所示。

现场控制层的主要功能是变配电站内各设备的数据采集与处理。这一环节是对供配电系统内各设备的电气参数进行实时和定时的采集。所采集的设备参数主要有两种：一种是模拟量，主要是各设备的电流、电压、功率、频率、温度、环境等各种参数；另一种是数字量，主要有断路器及各种隔离开关的位置信号、自动装置信号、设备运行状态信号等。在这两种信号中，模拟量信息需要进行A/D模式的转换后，与数字量一起，传送至现场监控主机[2]。

图2 监控系统整体结构图

现场监控主机采用PC机来完成，PC机中设置小型数据库，一方面可以对现场的采集数据进行合理性校验、上下限比较，并为其他自动化系统的相应管理功能提供必要的信息支持；另一方面也可以将数据处理的一部分功能在这里完成，以减轻中央监控中心的负担。

现场监控中心与各设备监测点之间的通讯依靠构造局域网来完成。目前构造工业监控局域网有两种方式：一种是利用底层RS-485子网，将有关信息输送至PC机监控中心来完成数据的现场通信。这种方式数据传输速度快、安全稳定性高，但是由于网线一旦布好，修改比较困难，因此对于设备经常有所变化的场合并不适用；第二种方式是根据设备的分布构建无线传感网，目前构建无线传感网主要依靠的是ZigBee技术。该技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的基本特点，是一种常用于工业监控体系的双向无线通讯技术。对于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据的数据传输有很好的传输效率。

现场控制层是供配电系统监视和控制的基础。本设计构建了以现场监控PC机为中心，以无线局域网为通讯网络的现场控制子系统，可以有效地完成现场设备运行状态监控的目的。

现场监控层与中央监控中心之间用通讯层来完成数据的上行和下达的通讯任务。本系统的通信层利用Internet网络来完成。系统在每一个监控单体上设置唯一的IP地址，利用这个IP地址可以准确地标识系统上传数据的来源。由于在监控系统网络中监控单体IP地址是唯一的，同时在数据传输的过程中，利用了VPN技术构建了相应的数据安全通道，因此可以有效地保证数据包在系统网络中传输的安全性和可靠性。

远程中央监控中心采用高性能工业计算机，可实现整个供配电系统中的各种电气设备的遥信、遥测、遥控、遥调等功能，以实现变配电站无人值守的设计要求。系统采用专业电力监控组态软件来实现，可有效地对所有电气设备运行状态进行实时监控、电气参数实时测量、事故异常报警、事件记录和打印、电能管理和负荷控制、电力品质分析、统计报表的生成和打印、各种汇总图表的生成等。系统内设置大型数据库，接收来自现场监控PC机的数据，从而形成有效的设备运行数据库。

3 总结

随着国民经济自动化程度的不断提高，各种智能化设备也应用到了社会的各个方面。这些智能化设备的出现，对于电力的供应提出了更高的要求。因此，安全、可靠的供配电监控系统就成为了保证自动化系统良好运行的必要基础。

本设计采用三层结构来实现监控系统：现场控制层采用无线传感网技术来实现数据的采集和汇总；通讯层利用VPN技术来构造公网数据安全通道；远程监控中心采用组态软件来实现人机界面系统和监控管理系统。这种结构符合未来供配电系统的发展方向，具有一定的推广价值。

[1]李炯．基于PLC的供配电监控系统的设计[J]．机电工程技术，2011(40)：43-44.

[2]冀斌．浅析智能供配电监控系统的应用[J]．甘肃科技，2012(9)：60-61.