中國智能電網(wǎng)的下一步：遠程控制變電站、分布式儀表網(wǎng)

智能電網(wǎng)把國際電網(wǎng)從地區(qū)監(jiān)控和本地機電控制帶入了實時、軟件定義網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的未知新世界。在本文中，我們將簡要了解這一巨大的變化：連接電網(wǎng)智能單元的測量和控制網(wǎng)絡(luò)。說到智能電網(wǎng)這個詞，很多人會首先想到最近在他們家外面出現(xiàn)的新型電表。但是，問一下電力工程師，他會介紹自從交流電替代直流電之后，在電力分配方面最深刻的變化。

電網(wǎng)的發(fā)展

世界上的電網(wǎng)并不是設(shè)計出來的，而是逐步發(fā)展起來的。大部分地區(qū)電網(wǎng)一開始時是發(fā)電站和負載之間的點對點連接。負載可能是特殊的大用戶，例如，工廠或者有軌電車電力線，也可能是向居民分配電力的變電站。電廠選址以及用戶位置決定了網(wǎng)絡(luò)的拓撲。

開始時，這些連接是分層的：傳送的電能越多，距離越長，電壓就越高。不同連接段之間的接口需要開關(guān)、斷路器和變壓器。隨著時間的發(fā)展，這些連接發(fā)展到星形拓撲，變電站位于每一星形的中心，然后在更高層上增加冗余鏈路。

控制網(wǎng)絡(luò)隨著電力傳輸網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)展。最初時，它使用機械開關(guān)；機電儀表用于電壓、電流、相位和伏安反應(yīng)(VAR)測量；由人員進行控制。由于人員不總是能夠快速反應(yīng)以防止對網(wǎng)絡(luò)造成損壞，因此，電網(wǎng)在關(guān)鍵點使用了自動電路斷路器。隨著技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)增加了遙測儀、遠程激活開關(guān)、中央控制室，以及繼電器等本地智能設(shè)備——電路斷路器會自動及時的關(guān)閉并恢復(fù)電路。

在下一發(fā)展階段中，這一智能本地設(shè)備、遙測儀以及遠程控制拼湊而成的網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展為初期的智能電網(wǎng)(圖1)。在一些較偏遠的地方，變電站發(fā)出嗡嗡聲，還有臭氧的味道，這些地方最先應(yīng)用了智能電網(wǎng)。

圖1.智能電網(wǎng)增強了對電站、分配網(wǎng)絡(luò)和電力消費者的測量和控制。

變電站自動化

在某種程度上，變電站就像由柵欄圍起來的微型電網(wǎng)。電網(wǎng)的所有組成都在這里——除了發(fā)電機和用戶之外，包括導(dǎo)體、開關(guān)、斷路器、穩(wěn)壓器、功率因數(shù)控制和傳感器，有大量的傳感器。直到最近，這些器件的所有連線都是點對點的連接至樞紐。樞紐會連接至控制大樓，把所有的信息都編碼到專用微波鏈路或者T1線路上。業(yè)界為這種自動化找到了很好的首字母縮寫：監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集(supervisorycontrolanddataacquisition(SCADA))。把所有的設(shè)備都置于一個地方，因此，變電站很容易將所有設(shè)備納入到一個測量和控制網(wǎng)絡(luò)中(圖2)。

圖2.變電站發(fā)展到使用網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)備互聯(lián)。

原理上，設(shè)計人員可以通過一個工業(yè)級以太網(wǎng)把變電站中的所有傳感器、致動器和智能設(shè)備連接起來。然后，本地或者遠程服務(wù)器會不斷評估變電站的狀態(tài)，相應(yīng)的調(diào)整控制。但是，當您需要快速做出某些響應(yīng)，要求設(shè)備供應(yīng)商之間避免出現(xiàn)兼容性問題時，在原理上就非常復(fù)雜。為解決這些問題，業(yè)界開發(fā)了IEC61850：電力公司網(wǎng)絡(luò)標準。

當然，標準為互操作性建立了基礎(chǔ)，為局域網(wǎng)(LAN)設(shè)定了協(xié)議堆棧。它還為傳送實時數(shù)據(jù)采樣等關(guān)鍵操作以及獲得電路斷路器的安全關(guān)鍵命令設(shè)置了響應(yīng)時間要求。這些要求應(yīng)為IEC61850兼容網(wǎng)絡(luò)留有足夠的空間，完成變電站的數(shù)據(jù)記錄、開關(guān)和保護功能。但是，只有這些還不夠。

網(wǎng)絡(luò)可靠性

基于網(wǎng)絡(luò)的變電站SCADA系統(tǒng)有可能出現(xiàn)破裂的連接器或者失效的收發(fā)器破壞整個變電站的情況，這非常令人關(guān)注。相應(yīng)的，電力運營商和設(shè)備開發(fā)商轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)冗余方法，他們的想法在另一標準IEC62439高可用性自動網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了。

這一標準目前進行了修正，允許融合兩種不同的冗余網(wǎng)絡(luò)方案：并行冗余協(xié)議(PRP)以及高可用性無縫冗余(HSR)(圖3)。前一標準設(shè)定了具有冗余開關(guān)的星形拓撲，因此，每一節(jié)點有兩個通路，而后者可以采用星形或者雙向環(huán)形拓撲。

圖3.PRP和HSR冗余標準不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

兩種不同的拓撲看起來能夠很好的實現(xiàn)冗余。但是，IP開發(fā)者Flexibilis首席技術(shù)官TimoKoskiahde指出，每一種都有其優(yōu)勢。環(huán)形拓撲性價比要高一些，這是因為它不需要外部開關(guān)，當網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)模和設(shè)備數(shù)量受限時，它也能很好的工作。雙星拓撲能夠更好的適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，很容易從單星拓撲進行更新實現(xiàn)。

Koskiahde說，更新問題非常重要，這是因為很多已有的網(wǎng)絡(luò)依靠生成樹協(xié)議(STP)或者其快速版本(RSTP)提高對失效的承受能力。這些協(xié)議嘗試在出現(xiàn)鏈路失效時重新配置網(wǎng)絡(luò)，因此，可能無法滿足IEC61850在某些狀態(tài)時的零誤差恢復(fù)時間要求。PRP和HSR通過兩條獨立通路傳輸復(fù)制數(shù)據(jù)包，因此，它們都能夠滿足零恢復(fù)要求。

獲取時間

變電站發(fā)展最快的一方面就是測量技術(shù)。開始時，由人控制的變電站使用機電儀表進行測量。SCADA推出后，它是電子儀表——數(shù)字表和位置傳感器，代表了變電站目前的測試技術(shù)。但是，如果這些儀表從專用合并單元轉(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)連接應(yīng)用，那么，它們將不再能夠?qū)π盘栭g的時間關(guān)系進行預(yù)測。這就需要對數(shù)據(jù)加上時間戳，以便對事件的實際順序進行排列。

很多變電站已經(jīng)通過GPS接收機提供時間參考。但是，怎樣通過網(wǎng)絡(luò)來分配時間標記?很多設(shè)計人員轉(zhuǎn)向采用IEEE1588來解決這一問題。IEEE1588通過以太網(wǎng)分配時鐘標記，使用訓(xùn)練序列在參考時鐘和網(wǎng)絡(luò)的每一個接收節(jié)點之間建立延時。在穩(wěn)定的LAN中，IEEE1588可以保證每一節(jié)點對事件打上時間戳，精度在1µs以上，符合IEC61850的要求。

不斷的發(fā)展使得變電站具有了冗余LAN功能，實現(xiàn)零時間故障恢復(fù)，能夠進行時間戳測量，事件有足夠的精度以便控制系統(tǒng)使用。已經(jīng)實現(xiàn)了這些變革，電力公司還在客戶那里使用了智能電表，可以遠程監(jiān)視使用點的用電情況。下一步是逐漸將這兩種方法合并到一個智能電網(wǎng)中——遠程控制變電站和分布式儀表網(wǎng)絡(luò)。

智能電網(wǎng)

從中心控制的變電站網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到智能電網(wǎng)理論上雖然簡單，但是實際上涵蓋的內(nèi)容非常多。概念上，智能電網(wǎng)的理念是將變電站中的所有傳感器和致動器聯(lián)網(wǎng)，并沿多個方向進行延伸。這些新方向包括：

在一個大洲上分布有數(shù)百萬個傳感器、開關(guān)、繼電器以及斷電器等

新一類網(wǎng)絡(luò)連接

通過發(fā)電設(shè)備進行控制，通過新電源和負載進行控制，而不僅僅是通過分布式電網(wǎng)。

新一類傳感器

新的控制算法

這些新挑戰(zhàn)促使變電站中已有的私有網(wǎng)絡(luò)進行變革。

第一個也是最明顯的變化就是智能電網(wǎng)，它有大量的節(jié)點，覆蓋廣闊的地理范圍，無法通過將現(xiàn)有的私有網(wǎng)絡(luò)橋接起來進行管理。它需要使用互聯(lián)網(wǎng)，而不僅僅是互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)。為能夠延伸到獨立的電廠、居民街區(qū)的電路斷路器、屋頂太陽能板控制器、智能電表以及家庭中的電動車輛充電設(shè)備，智能電網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)需要采用無線和固網(wǎng)，以及公網(wǎng)和私網(wǎng)進行連接。

這種變化對電網(wǎng)安全產(chǎn)生了深刻的影響。據(jù)報道，已經(jīng)有人通過互聯(lián)網(wǎng)來連續(xù)探測并攻擊控制網(wǎng)絡(luò)。而智能電網(wǎng)采用了公共基礎(chǔ)設(shè)施，這些攻擊會發(fā)現(xiàn)新目標。

業(yè)界曾嘗試預(yù)測IEC62351會遇到什么樣的挑戰(zhàn)，這一標準提供了認證和防入侵探測，保護不受非法監(jiān)聽和欺騙的影響。但是，網(wǎng)絡(luò)雖然很好，但在這些方面也只是采取了臨時應(yīng)急措施。早在2010年，AnthonyMetke和RandyEkl以及后來的摩托羅拉，討論認為只有完全公開密鑰的加密方法能夠有效的保護電網(wǎng)的安全。其他專家提醒說，即使是這一方法，在其他應(yīng)用中也是脆弱的，只有通過連續(xù)監(jiān)測、主動防御，甚至是攻擊將要發(fā)起的攻擊，才能實現(xiàn)智能電網(wǎng)的安全。對于網(wǎng)絡(luò)適配器設(shè)計人員，一直對威脅進行防御并不可行，因此，對于不斷擴大的城市，其物理安全取決于功能電網(wǎng)。

更高級的控制

由于有更多的節(jié)點和公共網(wǎng)絡(luò)，智能電網(wǎng)的新一類節(jié)點越來越復(fù)雜。對于傳統(tǒng)的大規(guī)模和中等規(guī)模發(fā)電廠，電網(wǎng)現(xiàn)在增加了很多小規(guī)模太陽能設(shè)施，未來還有儲能設(shè)施。隨著電動車輛的逐步發(fā)展，新一類非典型用電行為——新的存儲介質(zhì)，開始連接到電網(wǎng)中。增加的這些東西改變了電力從電廠向用戶單向流動的老方式，會對本地分支阻抗產(chǎn)生極大的影響。由于智能電網(wǎng)的一個主要目標是維持動態(tài)穩(wěn)定性——特別是響應(yīng)意外的瞬時變化，因此，阻抗和電流方向的突然變化是很大的問題。

對此，電力公司擴展了他們的傳感器功能。一個例子是更多的使用了相位測量單元(PMU，圖4)。這些設(shè)備實際上是波形慢變的數(shù)字轉(zhuǎn)換器，一般是30個采樣/秒。PMU使用GPS時間參考對采樣打上時間戳，因此，在原理上，控制中心能夠通過網(wǎng)絡(luò)同時了解電壓、相位和波形，支持控制中心精確的調(diào)整效率和電力質(zhì)量。

圖4.現(xiàn)代PMU是低速波形數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有GPS時間參考和冗余網(wǎng)絡(luò)連接。

但是，這一功能要求對其他節(jié)點的事件打上時間戳——繼電器、太陽能板控制器、車輛充電器、斷路器等。如此廣泛的時間協(xié)議意味著不僅需要數(shù)百萬個GPS接收機，而且還要在公網(wǎng)上支持IEEE1588。

一些結(jié)論

電廠或者變電站的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)要求看起來比較簡單。網(wǎng)絡(luò)必須提供PRP或者HSR冗余功能。在實際中，這些要求意味著控制器必須有多個網(wǎng)絡(luò)端口和協(xié)議堆棧，隨時找到復(fù)制的和受損丟失的數(shù)據(jù)包，只將正確的信息傳遞給應(yīng)用層——零延時。

而且，網(wǎng)絡(luò)必須符合某些消息非常嚴格的延時要求，GPS接收機和IEEE1588相結(jié)合，提供精確的時間戳，進行事件報告和數(shù)據(jù)采樣。Altera技術(shù)部資深員工和系統(tǒng)規(guī)劃師VinceBridgers指出，IEEE1588也有自己的難點。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過周期性的訓(xùn)練，在參考時鐘和本地時鐘之間建立失調(diào)。在訓(xùn)練之間，包括網(wǎng)絡(luò)拓撲、意外的適配器或者軟件延時，以及PHY延時在內(nèi)的很多來源都會導(dǎo)致抖動。Bridgers說，辦法是提供硬件時間戳的確定性PHY，或者使用高優(yōu)先級消息隊列來旁路協(xié)議棧中的延時。然而，網(wǎng)絡(luò)冗余和極低抖動IEEE1588不能共存。Koskiahde說：“從一開始就需要把IEEE1588支持設(shè)計到冗余網(wǎng)絡(luò)中。不能在設(shè)計后期將其加到HSR或者PRP中。”

問題最大的要求是安全。大量的工作要投入到實現(xiàn)安全系統(tǒng)中，使用了加密加速器、可信計算內(nèi)核以及篡改探測等。但是，把冗余網(wǎng)絡(luò)和低延時、低抖動消息融合到這一環(huán)境中，會使得設(shè)計人員進入一個完全陌生的領(lǐng)域。最后，將智能電網(wǎng)擴展到變電站范圍之外也是一個挑戰(zhàn)。這種擴展加重了我們討論的所有這些問題。

網(wǎng)絡(luò)是公網(wǎng)時，零恢復(fù)時間冗余網(wǎng)絡(luò)這一概念立刻就帶來了問題。如果能夠采用冗余連接，兩種不同的網(wǎng)絡(luò)連接之間的偏移足夠小，可以實現(xiàn)故障恢復(fù)嗎?冗余能夠彌補互聯(lián)網(wǎng)不可避免的傳輸延時，或者對于變電站之外的設(shè)備，設(shè)計人員是不是要放棄IEC61850要求?

相似的問題也存在于公網(wǎng)IEEE1588中。電力公司能否不在智能電網(wǎng)的每一個節(jié)點上放置GPS接收機便可以降低抖動?還有，電力公司防火墻之外如此眾多節(jié)點的安全問題?公開密鑰加密和大量的防入侵手段相結(jié)合能否保護智能電網(wǎng)不受故意的惡意攻擊?或者，在出現(xiàn)惡意攻擊時，在不能保證傳輸、延時和抖動的情況下，電網(wǎng)系統(tǒng)工程師能夠想出有效的控制算法?智能電網(wǎng)的最終實現(xiàn)還有很多問題要解決。