智能变电站IEC61588时间同步系统与安全评估
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智能变电站IEC61588时间同步系统与安全评估
摘要：通过介绍对需求和网络时间协议的技术特点、工作原理和组网方式，分析了目前网络系统在应用中的优势与不足。对于61588网络系统在系统管理、产品设计和网络结构上存在的安全隐患，提出了一种基于网络流量仿真技术的安全测评方法，并利用该方法进行了测评实例分析，保证了61588时间同步系统智能变电站的安全可靠运行。本文引用地址：0引言目前，随着中国智能电网的快速推进，传统变电站正逐步向基于61850标准的智能变电站方向发展，基于网络的时间同步系统在智能变电站有了广阔的应用空间。简单网络时间协议(SNTP)在变电站站控层得到广泛应用，基于IEC61588的精确时间协议(PTP)也在智能变电站过程层得到应用。目前，已投运的应用IEC61588技术的智能变电站主要有苏州500kV玉山智能变电站、延安330kV智能化改造变电站、河南淇县220kV智能变电站、无锡220kV西径智能变电站和天津110kV 和畅路变电站。智能变电站应用IEC61588技术的优点主要有：①能够提供高精度的对时性能，对时精度小于1&s且能够满足合并单元、保护装置、智能终端设备、同步相量测量装置(PMU)及行波测距装置、雷电波定位装置等对时间精度的需求;②IEC61588技术是基于以太网技术发展而来的，与智能变电站网络结构完全吻合，利用现有网络就可以实现时间同步对时功能，不需要单独布线，从而优化了变电站网络结构;③智能变电站采用IEC61588技术，在系统中只需要保留2台主时钟，减少了扩展装置的投入，从而减少了系统中运行设备的数量，降低了设备成本;④全站采用网络时间同步技术，使时间同步系统建模更加方便，有利于变电站二次系统的集中监控和管理。虽然IEC61588技术在智能变电站应用方面有很多优点，但现阶段仍然存在很多需要解决的问题：①IEC61588技术在智能变电站应用的案例不多，经验少、产品不成熟、系统运行稳定性差，存在时间抖动大、抗网络风暴能力差及长时间对时失效的现象;②由于IEC61588特殊的工作原理，需要在系统研制过程中采取足够的安全防护措施，降低设备被恶意攻击的可能性，而这种安全防护在现有系统设计中均没有得到足够重视，使得产品设计存在严重缺陷，系统运行存在安全隐患;③应用经验较少，系统设计不合理，虽然已有一些试点智能变电站，但系统内深入了解该技术的人员非常少，存在系统设计缺陷(如缺少备用主时钟、间隔层缺少守时系统等);④支持IEC61588技术的成熟产品不多，造成变电站二次系统总体造价过高，阻碍了该技术在智能变电站中的应用，但随着技术的成熟和市场的有序竞争，该问题将逐步得到解决。本文结合工程经验和实验室测试数据，对IEC61588PTP[1]在智能变电站应用中存在的安全问题和安全防护措施进行了探讨，并提出了一种基于变电站网络流量仿真的测试方法，用以评估系统安全性。1IEC61588PTPIEC61588标准主要为满足测量仪器和工业控制所需要的测量准确度而产生，在2008年形成了IEEE1588V2，并很快被国际电工委员会(IEC)和国家标准采用，形成IEC 和GB/T标准。IEC61588标准中定义了10种类型报文，其中4种为事件报文，用于产生和通信中同步普通时钟(OC)和边界时钟(BC)的时间信息，其在发送和接收时产生精确时间戳;6种为普通报文，用于测量2个时钟之间的链路延时和信息管理。10种报文均需要由CPU 进行处理，并占用CPU 资源，安全防护考虑不全面，将为系统运行带来隐患。IEC61588协议本身支持源地址可信性认证、信息完整性识别和回放攻击保护机制，已对安全防护进行了充分考虑。IEC61588协议的安全性通过以下2种安全机制加以实现。1)回放保护机制：该机制通过使用信息认证码来确认接收到的信息是由验证源发出，在传输途中未经修改，并且是即时的(即不是某个信息的回放)。回放保护通过使用计数器来实施。2)挑战&响应机制：该机制用来确认新信息源的可靠性和真实性，并对经验证的数据关联性进行实时更新。2智能变电站PTP系统2.1PTP时间同步原理PTP技术主要应用于智能变电站过程层，同步模式目前选用二步法、IEEE802.3/Ethernet模式、点到点(P2P)模式。图1为简化智能变电站PTP时间同步模型。该模型主要由Sync，Follow_Up，Announce，Pdelay_Req，Pdelay_Resp 和Pdelay_Resp_Follow_Up共6种报文组成，这也是目前已经投运智能变电站采用最多的同步模型。式中：t1为发送时间;t4为接收时间;tD为路径延迟时间;tC为驻留时间。2.2故障现象虽然IEC61588在智能变电站中已有一些应用，但系统运行状况并不乐观，目前已投运设备的故障现象主要集中在以下几点。1)协议理解不统一系统调试过程中，经常会发现厂家设备不支持IEEE802.3/Ethernet模式、P2P模式或透明时钟(TC)模式，而此系统设计并没有提出明确要求;在最佳主时钟(BMC)算法中，对Announce报文的处理理解不统一，静默主时钟是否需要发送Announce报文没有规定;交换机是否需要发送链路延时请求报文，从时钟是否需要响应交换机发送的链路延时请求等均没有明确规定。2)设计不合理由于对IEC61588理解不足，系统设计时在每个独立的物理网络只设计了一个主时钟，不能实现主备互用，降低了系统的可靠性。3)系统稳定性差抗网络流量影响能力差，每隔一段时间系统就会发现对时异常信息，甚至发现长时间对时失效。附录A 图A1 是某智能变电站投运后，IEC61588时钟在过程层正常运行与故障运行的信息状况。可以看出，交换机驻留时间计算出现严重错误，修正域值达到了亿秒并溢出为负值，该现象的长时间出现将导致保护装置闭锁。3智能变电站IEC61588系统风险分析
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城市电网智能化发展关键技术及展望
&&&&来源：物联中国&&&&作者：&&&&&&
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城市电网是电力系统的重要组成部分，也是城市现代化建设的重要基础设施，事关社会稳定和经济民生。
& & 城市电网是电力系统的重要组成部分，也是城市现代化建设的重要基础设施，事关社会稳定和经济民生。城市电网具有用电量大、负荷密度高、安全可靠和供电质量要求高等特点，其建设需要与城市建设紧密配合，同步实施，同时与环境协调，与景观和谐。实现城市电网的智能化发展是现代城市电网建设发展的必然趋势，也是城市电网规划建设和管理者所追求的目标。
& & 随着新能源的广泛接入和智能电网的建设推进，现代城市电网与传统电网相比在系统结构、控制手段、运营模式、管理策略等方面正在发生巨大的变化。本文按照&物理-信息-高级应用&技术架构体系，主要从更友好的配用电设备、更灵活的城市电力网架结构、更广泛的ICT技术支撑、更综合的规划设计、更精细的系统分析评估、更高级的运行控制以及更人性化的维护管理7个方面阐述现代城市电网智能化发展所涉及的新技术和新方法，并展望应用于未来城市电网发展的新技术与发展方向。
& & 城市电网智能化发展关键技术
& & 更友好的新型配用电设备
& & 传统城市电网智能化工作的开展重点关注低损耗、可靠性高、免维护的新型、开关等设备的应用和升级，对国内近二十年的城市电网建设改造和可靠性提升起到了非常重要的支撑作用。现代城市生活对城市电网的低碳环保需求和不断繁荣的现代科技，特别是通信和信息技术的发展，共同推动了城市电网配用电设备的更新换代，设备的种类和设备的功能相比传统电网正发生质的飞越。
& & 首先，世界范围内日益严峻的能源环境问题要求城市电网更加低碳，催生了现代城市电网中大量新元素的出现。例如，分布式光伏发电、小型风机、微燃机、储能、电动汽车等。其次，为适应和管理上述设备的并网连接与可靠协调运行，城市电网中电力电子装置开始大量出现，城市电网呈现出电力电子化的发展趋势。此外，计算机、电子、通信技术的快速发展也促使传统城市电网设备的全面升级换代和大量新技术新设备的应用，如智能变电站、配网潮流管理器、SOP软开关等。
& & 为支撑对各类分布式能源和灵活负荷的广泛接入，未来的城市电网设备将沿着标准化即插即用接口、高度电力电子化、物理信息控制高度融合的方向发展。
& & 更灵活的电力网架结构
& & 网架结构是支撑整个城市电网智能化发展的关键和基础。传统的城市电网在网络拓扑上一般采取&闭环设计、开环运行&的建设运行模式，以辐射状交流供电为主。由于地理条件、地方政策、电网历史沿革、负荷构成、用户要求等不同，世界范围内的城市电网表现出不同的网架结构形态。未来城市电网中的结构形式将更多向环网结构和双侧结构发展，实现城市电网网络架构的灵活性和可靠性。
& & 受分布式能源接入、ICT技术、电力电子技术等技术的推动，现代城市电网在结构形态上呈现出了多样化的趋势。以城市网为例，目前学术上讨论的配电网形态包括传统配电网(被动配电网)、有源配电网(主动配电网)、智能配电网、微电网和能源互联网；按照电能的传输方式，包括直流配电网、交流配电网和交直流混合配电网的形式。其中最受关注的主要是微电网和有源(主动)配电网的概念。微电网和主动配电网均被认为是未来智能配电网的重要组成部分，均存在交流、直流和交直流混联3种传输模式。
& & 除传统配电网外，各种形态的电网形式均未形成固化的标准结构模式，但各形态电网均要求未来城市电网的结构更加灵活主动，能够依据电网运行状态、用户用电需求、系统故障等具体场景主动进行网络重构、开闭环运行自由切换以及网络自愈，保证系统故障时最小化停电范围、系统正常运行时最大化运行效率。
& & 更综合的城市电网规划设计
& & 规划元素多样化和与运行深度耦合的特性给城市电网综合规划提出了新的挑战和需求，未来城市电网规划需要采取&主动规划&的理念。需要对区域内的分布式可再生能源资源的可利用能力进行主动评估，主动规划设计分布式可再生能源发电的接入点，主动评估城市电网对分布式电源的接纳能力和最大负荷供应能力，前瞻性的给出网络解和非网络解相结合的综合规划解决方案。
& & 同时，为增强方案的可操作性和可实施性，规划中还需要考虑规划、建设和运行的完整性、统一性，在规划设计阶段就充分考虑配电自动化、通信和配电管理系统对改善城市电网运行性能所发挥的重大作用，协调统一地规划建设坚强可靠的一次电网网架、深度的二次自动化系统与功能强大的智能决策支持系统，实现三位一体式的协同规划。
& & 更精细化的城市电网分析评估
& & 现代城市电网中由于多样化分布式电源及多元化负荷的加入，其规划运行的不确定性大大增加，传统基于单一静态断面的潮流分析和单项静态指标的分析评估模式已无法满足现代城市电网规划所需的细粒度详尽分析的需要；传统基于高比例不健全量测数据的状态估计和参数辨识也无法支撑现代城市电网精细化运行的需要。要求提供从单个设备、单条线路至区域电网整体，多场景的，单断面静态至时序多断面动态的多维度精细化分析评估，也就是说现代城市电网的分析评估需要更加精细化。
& & 城市电网的精细化分析评估主要体现在多时间尺度和多维度的精细化评估方面。(1)时间尺度方面，需要建立多时间颗粒度的时序分析体系(如时序潮流)，在有条件的情况下应充分利用城市电网的高级量测体系所提供的实时数据，并应用分布式计算、大数据分析等高级数据处理技术实现快速的数据分析和精细化的结果输出，以应对现代电网日益增加的随机性和不确定性。(2)多维度方面，则可以借鉴综合评价的系统方法学理念，面向不同的分析评估目标对象，构建适宜的分析体系，给出全面的分析评估结果，既包括各关键点上的细致量化指标结果，也包括各维度上的整体量化结果。
& & 高度协调的城市电网运行控制
& & 大量分布式电源和灵活负荷的接入以及电力市场化的逐步深入，使得现代城市电网调的运行控制不得不面临着更多新的问题：
& & (1)控制手段丰富，需要具备更全面的信息监测和感知能力。
& & (2)控制目标复杂，需要具备全局协调优化控制能力。
& & (3)多能源系统协调，需要具备与其他能源网络更高的互联优化运行能力。
& & 针对上述新问题和新需求，一些新的调度运行控制方法已经提出并且正处于不断完善的过程中。例如，通过建立广域量测和广域闭环、应用新型设备(如智能用电、智能电力电子变压器、软开关SOP等)、建立分层控制体系、建立电力市场运营机制以及能源路由器(EnergyRouter)的出现，使得以城市电网为核心枢纽的综合城市能源系统协调运行成为可能。可以说，新技术新要素的出现在给现代城市电网的运行控制提出新要求和新目标的同时，也为城市电网的高级运行和综合优化运行提供了新的思路与方法。
& & 更高效与人性化的维护管理
& & 现代城市电网设备数量庞大、设备的种类及其相互的关联关系也日趋复杂，传统的人工检测、维护和检修方式效率较低且由于人为因素而产生的不确定性较大，已经不能满足社会对城市电网安全高效可靠供电服务的要求。此外，海量设备的监测和日常电网运行的维护检修也常常超过人类的工作负荷，有些高危工作还会给工作人员带来危险。因此，现代城市电网维护管理旨在：
& & (1)围绕提高供电可靠性和供电服务质量，应用智能化计算机技术，减少人工干预因素，建立标准化运维管理体系，提高运维管理率；
& & (2)建立更加人性化的维护管理系统，减轻人工负荷和危险系数，提高电网管理系统的经济效益。
& & 为更加高效智能的管理维护城市电网的设备及其运行，全面提升城市电网供电可靠性和供电服务水平，围绕&设备状态监测-设
& & 为更加高效智能的管理维护城市电网的设备及其运行，全面提升城市电网供电可靠性和供电服务水平，围绕&设备状态监测-设备状态评价-设备标准化维护管理&的许多新技术和新方法正不断涌现。
& & 更广泛的信息技术支撑
& & 信息通信技术(InformationandCommunicationTechnology，ICT)是通信服务、信息服务及相关应用的有机结合，基于灵活可靠的数据交互传输和高效智能的数据分析共享，ICT技术正使城市电网向数字化、和智能化的方向不断发展。ICT技术对城市电网智能化的支撑主要体现在(1)提升城市电网的可观性；(2)支撑城市电网高级配用电业务的开展。
& & 随着信息技术的发展和城市电网智能化的深入，现代城市电网的物理系统与信息系统呈现出更加深度融合的趋势，开展对城市电网CPS系统的模型建模、耦合特性分析、联合运行仿真和协调优化规划等将成为未来城市电网ICT技术层面的研究重点。
& & 为便于理解，将传统城市电网与现代城市电网的特征对比
& & 总结如表1所示：
& & 表 现代城市电网和传统城市电网对比
& & 城市电网的智能化是数学物理理论、材料技术、计算机技术、通信技术、电力电子技术等各个科技领域发展的综合体现。智能化的城市电网通过应用各种先进的信息技术，实现电网的数字化、信息化、自动化和智能化，并最终实现城市电网与用户间的互动，以满足未来各种关键的技术需求。
& & 未来城市电网展望
& & 基于大数据的城市电网智能化技术
& & 城市电网的智能化发展伴随而来的是数据量和数据种类的爆发式增长，现代城市电网的数据已经具备了大数据的一些典型特征。在未来，传统方法将无法承载和消化如此庞大规模的城市电网数据，需要应用大数据思维解决数据的融合、储存、分析和处理。未来大数据技术的应用主要面临多元、异构的数据集成，高速度精准数据分析以及数据安全等方面的问题。
& & 以城市电网为枢纽的综合能源系统
& & 建立综合能源系统，综合实现多种能源的高效生产、传输、转化与消费是实现社会可持续发展的趋势。未来的城市电网必将作为未来综合能源系统的核心纽带。为支撑综合能源服务系统的高效运转，现代城市电网的建设运行还将面临以下2方面所需要解决的问题：
& & (1)规划建设阶段，如何考虑不同种类能源的特征和实际运行时不同需求场景条件协调规划建设各自的能源网络，优化布置电网与各能源系统的转化接口。
& & (2)实际运行阶段，根据用户对不同能源的消费需求如何协调控制各种能源的生产速率、转化比例和传输容量。
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