智能變電站IEC61588時(shí)間同步系統與安全評估

摘要：通過(guò)介紹智能變電站對時(shí)間同步需求和網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)、工作原理和組網(wǎng)方式，分析了目前網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統在智能變電站應用中的優(yōu)勢與不足。對于IEC61588網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步系統在系統管理、產(chǎn)品設計和網(wǎng)絡(luò )結構上存在的安全隱患，提出了一種基于智能變電站網(wǎng)絡(luò )流量仿真技術(shù)的安全測評方法，并利用該方法進(jìn)行了測評實(shí)例分析，保證了IEC61588時(shí)間同步系統智能變電站的安全可靠運行。

0引言

目前，隨著(zhù)中國智能電網(wǎng)的快速推進(jìn)，傳統變電站正逐步向基于IEC61850標準的智能變電站方向發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步系統在智能變電站有了廣闊的應用空間。簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(SNTP)在變電站站控層得到廣泛應用，基于IEC61588的精確時(shí)間協(xié)議(PTP)也在智能變電站過(guò)程層得到應用。目前，已投運的應用IEC61588技術(shù)的智能變電站主要有蘇州500kV玉山智能變電站、延安330kV智能化改造變電站、河南淇縣220kV智能變電站、無(wú)錫220kV西徑智能變電站和天津110kV 和暢路變電站。

智能變電站應用IEC61588技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有：①能夠提供高精度的對時(shí)性能，對時(shí)精度小于1μs且能夠滿(mǎn)足合并單元、保護裝置、智能終端設備、同步相量測量裝置(PMU)及行波測距裝置、雷電波定位裝置等對時(shí)間精度的需求;②IEC61588技術(shù)是基于以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，與智能變電站網(wǎng)絡(luò )結構完全吻合，利用現有網(wǎng)絡(luò )就可以實(shí)現時(shí)間同步對時(shí)功能，不需要單獨布線(xiàn)，從而優(yōu)化了變電站網(wǎng)絡(luò )結構;③智能變電站采用IEC61588技術(shù)，在系統中只需要保留2臺主時(shí)鐘，減少了擴展裝置的投入，從而減少了系統中運行設備的數量，降低了設備成本;④全站采用網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步技術(shù)，使時(shí)間同步系統建模更加方便，有利于變電站二次系統的集中監控和管理。

雖然IEC61588技術(shù)在智能變電站應用方面有很多優(yōu)點(diǎn)，但現階段仍然存在很多需要解決的問(wèn)題：①I(mǎi)EC61588技術(shù)在智能變電站應用的案例不多，經(jīng)驗少、產(chǎn)品不成熟、系統運行穩定性差，存在時(shí)間抖動(dòng)大、抗網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴能力差及長(cháng)時(shí)間對時(shí)失效的現象;②由于IEC61588特殊的工作原理，需要在系統研制過(guò)程中采取足夠的安全防護措施，降低設備被惡意攻擊的可能性，而這種安全防護在現有系統設計中均沒(méi)有得到足夠重視，使得產(chǎn)品設計存在嚴重缺陷，系統運行存在安全隱患;③應用經(jīng)驗較少，系統設計不合理，雖然已有一些試點(diǎn)智能變電站，但系統內深入了解該技術(shù)的人員非常少，存在系統設計缺陷(如缺少備用主時(shí)鐘、間隔層缺少守時(shí)系統等);④支持IEC61588技術(shù)的成熟產(chǎn)品不多，造成變電站二次系統總體造價(jià)過(guò)高，阻礙了該技術(shù)在智能變電站中的應用，但隨著(zhù)技術(shù)的成熟和市場(chǎng)的有序競爭，該問(wèn)題將逐步得到解決。

本文結合工程經(jīng)驗和實(shí)驗室測試數據，對IEC61588PTP[1]在智能變電站應用中存在的安全問(wèn)題和安全防護措施進(jìn)行了探討，并提出了一種基于變電站網(wǎng)絡(luò )流量仿真的測試方法，用以評估系統安全性。

1IEC61588PTP

IEC61588標準主要為滿(mǎn)足測量?jì)x器和工業(yè)控制所需要的測量準確度而產(chǎn)生，在2008年形成了IEEE1588V2，并很快被國際電工委員會(huì )(IEC)和國家標準采用，形成IEC61588—2009 和GB/T25931—2010標準。

IEC61588標準中定義了10種類(lèi)型報文，其中4種為事件報文，用于產(chǎn)生和通信中同步普通時(shí)鐘(OC)和邊界時(shí)鐘(BC)的時(shí)間信息，其在發(fā)送和接收時(shí)產(chǎn)生精確時(shí)間戳;6種為普通報文，用于測量2個(gè)時(shí)鐘之間的鏈路延時(shí)和信息管理。10種報文均需要由CPU 進(jìn)行處理，并占用CPU 資源，安全防護考慮不全面，將為系統運行帶來(lái)隱患。

IEC61588協(xié)議本身支持源地址可信性認證、信息完整性識別和回放攻擊保護機制，已對安全防護進(jìn)行了充分考慮。IEC61588協(xié)議的安全性通過(guò)以下2種安全機制加以實(shí)現。

1)回放保護機制：該機制通過(guò)使用信息認證碼來(lái)確認接收到的信息是由驗證源發(fā)出，在傳輸途中未經(jīng)修改，并且是即時(shí)的(即不是某個(gè)信息的回放)?；胤疟Ｗo通過(guò)使用計數器來(lái)實(shí)施。

2)挑戰—響應機制：該機制用來(lái)確認新信息源的可靠性和真實(shí)性，并對經(jīng)驗證的數據關(guān)聯(lián)性進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

2智能變電站PTP系統

2.1PTP時(shí)間同步原理

PTP技術(shù)主要應用于智能變電站過(guò)程層，同步模式目前選用二步法、IEEE802.3/Ethernet模式、點(diǎn)到點(diǎn)(P2P)模式。圖1為簡(jiǎn)化智能變電站PTP時(shí)間同步模型。該模型主要由Sync，Follow_Up，Announce，Pdelay_Req，Pdelay_Resp 和Pdelay_Resp_Follow_Up共6種報文組成，這也是目前已經(jīng)投運智能變電站采用最多的同步模型。

式中：t1為發(fā)送時(shí)間;t4為接收時(shí)間;tD為路徑延遲時(shí)間;tC為駐留時(shí)間。

2.2故障現象

雖然IEC61588在智能變電站中已有一些應用，但系統運行狀況并不樂(lè )觀(guān)，目前已投運設備的故障現象主要集中在以下幾點(diǎn)。

1)協(xié)議理解不統一

系統調試過(guò)程中，經(jīng)常會(huì )發(fā)現廠(chǎng)家設備不支持IEEE802.3/Ethernet模式、P2P模式或透明時(shí)鐘(TC)模式，而此系統設計并沒(méi)有提出明確要求;在最佳主時(shí)鐘(BMC)算法中，對Announce報文的處理理解不統一，靜默主時(shí)鐘是否需要發(fā)送Announce報文沒(méi)有規定;交換機是否需要發(fā)送鏈路延時(shí)請求報文，從時(shí)鐘是否需要響應交換機發(fā)送的鏈路延時(shí)請求等均沒(méi)有明確規定。

2)設計不合理

由于對IEC61588理解不足，系統設計時(shí)在每個(gè)獨立的物理網(wǎng)絡(luò )只設計了一個(gè)主時(shí)鐘，不能實(shí)現主備互用，降低了系統的可靠性。

3)系統穩定性差

抗網(wǎng)絡(luò )流量影響能力差，每隔一段時(shí)間系統就會(huì )發(fā)現對時(shí)異常信息，甚至發(fā)現長(cháng)時(shí)間對時(shí)失效。

附錄A 圖A1 是某智能變電站投運后，IEC61588時(shí)鐘在過(guò)程層正常運行與故障運行的信息狀況?？梢钥闯?，交換機駐留時(shí)間計算出現嚴重錯誤，修正域值達到了億秒并溢出為負值，該現象的長(cháng)時(shí)間出現將導致保護裝置閉鎖。

3智能變電站IEC61588系統風(fēng)險分析