對智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )的測量與控制
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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(jiǎn)單，但是實(shí)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(dòng)器聯(lián)網(wǎng)，并沿多個(gè)方向進(jìn)行延伸。這些新方向包括：
●在一個(gè)大洲上分布有數百萬(wàn)個(gè)傳感器、開(kāi)關(guān)、繼電器以及斷電器等
●新一類(lèi)網(wǎng)絡(luò )連接
●通過(guò)發(fā)電設備進(jìn)行控制，通過(guò)新電源和負載進(jìn)行控制，而不僅僅是通過(guò)分布式電網(wǎng)。
●新一類(lèi)傳感器
●新的控制算法
這些新挑戰促使變電站中已有的私有網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行變革。
第一個(gè)也是最明顯的變化就是智能電網(wǎng)，它有大量的節點(diǎn)，覆蓋廣闊的地理范圍，無(wú)法通過(guò)將現有的私有網(wǎng)絡(luò )橋接起來(lái)進(jìn)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(chǎng)、居民街區的電路斷路器、屋頂太陽(yáng)能板控制器、智能電表以及家庭中的電動(dòng)車(chē)輛充電設備，智能電網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò )需要采用無(wú)線(xiàn)和固網(wǎng)，以及公網(wǎng)和私網(wǎng)進(jìn)行連接。
這種變化對電網(wǎng)安全產(chǎn)生了深刻的影響。據報道，已經(jīng)有人通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)連續探測并攻擊控制網(wǎng)絡(luò )。而智能電網(wǎng)采用了公共基礎設施，這些攻擊會(huì )發(fā)現新目標。
業(yè)界曾嘗試預測IEC 62351會(huì )遇到什么樣的挑戰，這一標準提供了認證和防入侵探測，保護不受非法監聽(tīng)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(shí)應急措施。早在2010年，Anthony Metke和Randy Ekl以及后來(lái)的摩托羅拉，討論認為只有完全公開(kāi)密鑰的加密方法能夠有效的保護電網(wǎng)的安全。其他專(zhuān)家提醒說(shuō)，即使是這一方法，在其他應用中也是脆弱的，只有通過(guò)連續監測、主動(dòng)防御，甚至是攻擊將要發(fā)起的攻擊，才能實(shí)現智能電網(wǎng)的安全。對于網(wǎng)絡(luò )適配器設計人員，一直對威脅進(jìn)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
由于有更多的節點(diǎn)和公共網(wǎng)絡(luò )，智能電網(wǎng)的新一類(lèi)節點(diǎn)越來(lái)越復雜。對于傳統的大規模和中等規模發(fā)電廠(chǎng)，電網(wǎng)現在增加了很多小規模太陽(yáng)能設施，未來(lái)還有儲能設施。隨著(zhù)電動(dòng)車(chē)輛的逐步發(fā)展，新一類(lèi)非典型用電行為——新的存儲介質(zhì)，開(kāi)始連接到電網(wǎng)中。增加的這些東西改變了電力從電廠(chǎng)向用戶(hù)單向流動(dòng)的老方式，會(huì )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(gè)主要目標是維持動(dòng)態(tài)穩定性——特別是響應意外的瞬時(shí)變化，因此，阻抗和電流方向的突然變化是很大的問(wèn)題。
對此，電力公司擴展了他們的傳感器功能。一個(gè)例子是更多的使用了相位測量單元(PMU， 圖4)。這些設備實(shí)際上是波形慢變的數字轉換器，一般是30個(gè)采樣/秒。PMU使用GPS時(shí)間參考對采樣打上時(shí)間戳，因此，在原理上，控制中心能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )同時(shí)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(zhì)量。
圖4.現代PMU是低速波形數字轉換器，具有GPS時(shí)間參考和冗余網(wǎng)絡(luò )連接。
但是，這一功能要求對其他節點(diǎn)的事件打上時(shí)間戳——繼電器、太陽(yáng)能板控制器、車(chē)輛充電器、斷路器等。如此廣泛的時(shí)間協(xié)議意味著(zhù)不僅需要數百萬(wàn)個(gè)GPS接收機，而且還要在公網(wǎng)上支持IEEE 1588。
一些結論
電廠(chǎng)或者變電站的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )要求看起來(lái)比較簡(jiǎn)單。網(wǎng)絡(luò )必須提供PRP或者HSR冗余功能。在實(shí)際中，這些要求意味著(zhù)控制器必須有多個(gè)網(wǎng)絡(luò )端口和協(xié)議堆棧，隨時(shí)找到復制的和受損丟失的數據包，只將正確的信息傳遞給應用層——零延時(shí)。
而且，網(wǎng)絡(luò )必須符合某些消息非常嚴格的延時(shí)要求，GPS接收機和IEEE 1588相結合，提供精確的時(shí)間戳，進(jìn)行事件報告和數據采樣。Altera技術(shù)部資深員工和系統規劃師Vince Bridgers指出，IEEE 1588也有自己的難點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )經(jīng)過(guò)周期性的訓練，在參考時(shí)鐘和本地時(shí)鐘之間建立失調。在訓練之間，包括網(wǎng)絡(luò )拓撲、意外的適配器或者軟件延時(shí)，以及PHY延時(shí)在內的很多來(lái)源都會(huì )導致抖動(dòng)。Bridgers說(shuō)，辦法是提供硬件時(shí)間戳的確定性PHY，或者使用高優(yōu)先級消息隊列來(lái)旁路協(xié)議棧中的延時(shí)。然而，網(wǎng)絡(luò )冗余和極低抖動(dòng)IEEE 1588不能共存。Koskiahde說(shuō)：“從一開(kāi)始就需要把IEEE 1588支持設計到冗余網(wǎng)絡(luò )中。不能在設計后期將其加到HSR或者PRP中。”
問(wèn)題最大的要求是安全。大量的工作要投入到實(shí)現安全系統中，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(luò )和低延時(shí)、低抖動(dòng)消息融合到這一環(huán)境中，會(huì )使得設計人員進(jìn)入一個(gè)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(gè)挑戰。這種擴展加重了我們討論的所有這些問(wèn)題。
網(wǎng)絡(luò )是公網(wǎng)時(shí)，零恢復時(shí)間冗余網(wǎng)絡(luò )這一概念立刻就帶來(lái)了問(wèn)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(shí)現故障恢復嗎?冗余能夠彌補互聯(lián)網(wǎng)不可避免的傳輸延時(shí)，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(wèn)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(gè)節點(diǎn)上放置GPS接收機便可以降低抖動(dòng)?還有，電力公司防火墻之外如此眾多節點(diǎn)的安全問(wèn)題?公開(kāi)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，在出現惡意攻擊時(shí)，在不能保證傳輸、延時(shí)和抖動(dòng)的情況下，電網(wǎng)系統工程師能夠想出有效的控制算法?智能電網(wǎng)的最終實(shí)現還有很多問(wèn)題要解決。
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