對智能電網(wǎng)網(wǎng)絡的測量與控制
加入技術交流群
智能電網(wǎng)
從中心控制的變電站網(wǎng)絡發(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、繼電器以及斷電器等
●新一類網(wǎng)絡連接
●通過發(fā)電設備進行控制，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備，智能電網(wǎng)的控制網(wǎng)絡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。而智能電網(wǎng)采用了公共基礎設施，這些攻擊會發(fā)現(xiàn)新目標。
業(yè)界曾嘗試預測IEC 62351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)絡雖然很好，但在這些方面也只是采取了臨時應急措施。早在2010年，Anthony Metke和Randy Ekl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)絡適配器設計人員，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，智能電網(wǎng)的新一類節(jié)點越來越復雜。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)模太陽能設施，未來還有儲能設施。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，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)。這些設備實際上是波形慢變的數(shù)字轉換器，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)絡同時了解電壓、相位和波形，支持控制中心精確的調整效率和電力質量。
圖4.現(xiàn)代PMU是低速波形數(shù)字轉換器，具有GPS時間參考和冗余網(wǎng)絡連接。
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IEEE 1588。
一些結論
電廠或者變電站的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡要求看起來比較簡單。網(wǎng)絡必須提供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)絡端口和協(xié)議堆棧，隨時找到復制的和受損丟失的數(shù)據(jù)包，只將正確的信息傳遞給應用層——零延時。
而且，網(wǎng)絡必須符合某些消息非常嚴格的延時要求，GPS接收機和IEEE 1588相結合，提供精確的時間戳，進行事件報告和數(shù)據(jù)采樣。Altera技術部資深員工和系統(tǒng)規(guī)劃師Vince Bridgers指出，IEEE 1588也有自己的難點。網(wǎng)絡經(jīng)過周期性的訓練，在參考時鐘和本地時鐘之間建立失調。在訓練之間，包括網(wǎng)絡拓撲、意外的適配器或者軟件延時，以及PHY延時在內的很多來源都會導致抖動。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)絡冗余和極低抖動IEEE 1588不能共存。Koskiahde說：“從一開始就需要把IEEE 1588支持設計到冗余網(wǎng)絡中。不能在設計后期將其加到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、可信計算內核以及篡改探測等。但是，把冗余網(wǎng)絡和低延時、低抖動消息融合到這一環(huán)境中，會使得設計人員進入一個完全陌生的領域。
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)絡是公網(wǎng)時，零恢復時間冗余網(wǎng)絡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)絡連接之間的偏移足夠小，可以實現(xiàn)故障恢復嗎?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備，設計人員是不是要放棄IEC 61850要求?
相似的問題也存在于公網(wǎng)IEEE 1588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。
評論