智能變電站IEC61588時(shí)間同步系統與安全評估

3.1管理制度安全分析

國內絕大多數電力生產(chǎn)運行人員和設計人員沒(méi)有接觸過(guò)IEC61588技術(shù)，行業(yè)內缺少相應的技術(shù)標準和設計規范加以指導，已投運系統仍有不同程度的缺陷，尚未形成典型設計方案，加之IEC61588技術(shù)可選參數非常多，不同廠(chǎng)家可能采用不同參數配置，為系統聯(lián)調帶來(lái)很多困難。在IEC61850標準中，未定義時(shí)間同步模型，所以目前時(shí)間同步系統還不能在監控后臺上進(jìn)行管理和監控。這些都為基于IEC61588 技術(shù)的時(shí)間同步系統管理帶來(lái)了困難。

目前正在起草的電力行業(yè)標準《電力系統網(wǎng)絡(luò )精確時(shí)間同步技術(shù)規范》，將在很大程度上對智能變電站PTP時(shí)間同步系統參數選擇、網(wǎng)絡(luò )配置、系統建模進(jìn)行了約束，明確系統應用，解決系統聯(lián)調帶來(lái)的問(wèn)題。

3.2設備安全分析

IEC61588技術(shù)對設備硬件處理能力有較高的要求，它不僅需要設備識別PTP報文，并且將識別的PTP報文打上時(shí)間戳，之后CPU 還要對報文進(jìn)行處理，以獲得準確的時(shí)間準確度。下面以boardcom交換芯片為例，介紹PTP 報文的處理過(guò)程。

圖2是交換機發(fā)送時(shí)間戳報文的處理流程。首先交換機CPU生成Sync報文，并將它發(fā)送給交換芯片，交換芯片識別到Sync報文并優(yōu)先發(fā)送給介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)，在MAC出口打上報文發(fā)送時(shí)間戳，并將發(fā)送時(shí)刻信息返回給CPU，CPU 中斷，讀取時(shí)間戳信息并插入到Follow_Up報文中再發(fā)送出去。

圖2發(fā)送時(shí)間戳報文的處理流程

圖3是交換機接收時(shí)間戳報文的處理流程。MAC接收到事件報文并打上時(shí)間戳，分析器從大量報文中解析PTP同步報文，并將同步報文優(yōu)先發(fā)送給CPU，CPU根據接收到的Sync報文和Follow_Up報文，計算本地時(shí)鐘。

圖3接收時(shí)間戳報文的處理流程

可以看出，在IEC61588技術(shù)中，CPU 和MAC起到了非常關(guān)鍵的作用，它們承擔了PTP協(xié)議報文生成、時(shí)間戳記錄、時(shí)間計算的作用，而在整個(gè)處理過(guò)程中，其恰恰又是硬件處理的瓶頸，也是系統脆弱性所在。如果系統考慮不完善，會(huì )同時(shí)發(fā)生異?，F象，頻率過(guò)快、sequenceId的不連續、惡意的協(xié)議攻擊或者網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴等現象都將導致設備失效，甚至系統癱瘓。PTP系統在網(wǎng)絡(luò )負載為30Mbit/s情況下的對時(shí)精度測試結果見(jiàn)附錄A圖A2。

3.3網(wǎng)絡(luò )安全分析

智能變電站網(wǎng)絡(luò )結構模型如圖4所示。

PTP技術(shù)可以應用于過(guò)程層采樣值(SV)網(wǎng)絡(luò )和面向通用對象的變電站事件(GOOSE)網(wǎng)絡(luò )，而目前智能變電站應用IEC61588技術(shù)存在的安全隱患主要有以下幾種。

1)網(wǎng)絡(luò )隔離不充分

目前，變電站內部的網(wǎng)絡(luò )安全通常采用虛擬局域網(wǎng)(VLAN)技術(shù)進(jìn)行安全隔離，這種方法能夠在很大程度上對網(wǎng)絡(luò )中的安全隱患進(jìn)行防護。然而，由于IEC61588報文是一種可以跨越VLAN 的報文，所以VLAN對于IEC61588協(xié)議的攻擊起不到防護作用。網(wǎng)絡(luò )中的任何裝置，只要不進(jìn)行物理隔離，均能夠對網(wǎng)絡(luò )中的其他裝置進(jìn)行攻擊，以占用被攻擊目標的CPU資源，導致裝置癱瘓、時(shí)鐘紊亂或者死機。

2)偽造身份

由于共用網(wǎng)絡(luò )，而VLAN對于IEC61588協(xié)議起不到隔離作用，變電站中任何一個(gè)設備只要具備主時(shí)鐘功能，均可以偽造身份，以更高的優(yōu)先級角色扮演主時(shí)鐘，使真正的主時(shí)鐘處于靜默狀態(tài)，代替主時(shí)鐘工作，以達到破壞系統穩定的目的。

3)網(wǎng)絡(luò )結構設計不合理

圖5是目前大多數智能變電站PTP系統采用的組網(wǎng)方式，該方式所有交換機工作于TC模式，保護裝置、合并單元、主時(shí)鐘等二次設備工作于OC模式下。該組網(wǎng)方式的弱點(diǎn)在于對主時(shí)鐘依賴(lài)程度過(guò)高，各間隔無(wú)單獨擴展時(shí)鐘源，無(wú)法達到守時(shí)能力。

圖6、圖7是本文提出的2種PTP系統組網(wǎng)方案。圖6采用傳統對時(shí)方案，在總控室至間隔層采用B碼時(shí)鐘方式，間隔內部采用PTP對時(shí)協(xié)議。圖7采用全網(wǎng)PTP對時(shí)方案，與主時(shí)鐘連接的交換機采用BC模式，同時(shí)要求交換機具有守時(shí)功能。2種方案均可以達到簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )設計的目的，同時(shí)實(shí)現主控室和間隔層時(shí)間同步系統守時(shí)功能。

4一種基于網(wǎng)絡(luò )仿真技術(shù)的測評方法

4.1測評指標體系建立

評價(jià)智能變電站PTP時(shí)鐘系統有效性，建立測評指標非常重要，指標體系的建立主要從以下幾個(gè)方面加以考慮。

1)PTP工作原理：協(xié)議一致性、BMC算法正確性、錯誤報文挑戰和報文回放處理正確性。

2)智能變電站應用需求：對時(shí)精度小于1μs、守時(shí)精度小于1μs/h、時(shí)間抖動(dòng)小于200ns。

3)網(wǎng)絡(luò )對PTP影響：幀丟失、幀亂序、幀復制、網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴等均不應對時(shí)間精度產(chǎn)生影響。

4.2測評模型

為解決目前智能變電站PTP時(shí)鐘系統應用穩定性問(wèn)題，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院實(shí)驗驗證中心研究了一種采用分層控制技術(shù)進(jìn)行模塊化結構設計的仿真系統，用于對智能變電站PTP時(shí)鐘系統進(jìn)行評估。圖8為基于網(wǎng)絡(luò )仿真技術(shù)的測試評估模型。

圖8測試評估模型