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作者：Altera公司總編輯Ron Wilson 說到智能電網這個詞，很多人會首先想到最近在他們家外面出現的新型電表。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。 智能電網把國際電網從地區監控和本地機電控制帶入了實時、軟件定義網絡構成的未知新世界。在本文中，我們將簡要了解這一巨大的變化：連接電網智能單元的測量和控制網絡。 電網的發展 世界上的電網并不是設計出來的，而是逐步發展起來的。大部分地區電網一開始時是發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絡的拓撲。 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、斷路器和變壓器。隨著時間的發展，這些連接發展到星形拓撲，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。 控制網絡隨著電力傳輸網絡同步發展。最初時，它使用機械開關；機電儀表用于電壓、電流、相位和伏安反應(VAR)測量；由人員進行控制。由于人員不總是能夠快速反應以防止對網絡造成損壞，因此，電網在關鍵點使用了自動電路斷路器。隨著技術的發展，網絡增加了遙測儀、遠程激活開關、中央控制室，以及繼電器等本地智能設備——電路斷路器會自動及時的關閉并恢復電路。 在下一發展階段中，這一智能本地設備、遙測儀以及遠程控制拼湊而成的網絡逐步發展為初期的智能電網(圖1)。在一些較偏遠的地方，變電站發出嗡嗡聲，還有臭氧的味道，這些地方最先應用了智能電網。 
圖1.智能電網增強了對電站、分配網絡和電力消費者的測量和控制。 在某種程度上，變電站就像由柵欄圍起來的微型電網。電網的所有組成都在這里——除了發電機和用戶之外，包括導體、開關、斷路器、穩壓器和功率因數控制，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。業界為這種自動化找到了很好的首字母縮寫：監視控制和數據采集(supervisory control and data acquisition (SCADA))。把所有的設備都置于一個地方，因此，變電站很容易將所有設備納入到一個測量和控制網絡中( 圖2 )。
圖2.變電站發展到使用網絡進行設備互聯。 原理上，設計人員可以通過一個工業級以太網把變電站中的所有傳感器、致動器和智能設備連接起來。然后，本地或者遠程服務器會不斷評估變電站的狀態，相應的調整控制。但是，當您需要快速做出某些響應，要求設備供應商之間避免出現兼容性問題時，在原理上就非常復雜。為解決這些問題，業界開發了IEC 61850：電力公司網絡標準。 當然，標準為互操作性建立了基礎，為局域網(LAN)設定了協議堆棧。它還為傳送實時數據采樣等關鍵操作以及獲得電路斷路器的安全關鍵命令設置了響應時間要求。這些要求應為IEC 61850兼容網絡留有足夠的空間，完成變電站的數據記錄、開關和保護功能。但是，只有這些還不夠。 網絡可靠性 基于網絡的變電站SCADA系統有可能出現破裂的連接器或者失效的收發器破壞整個變電站的情況，這非常令人關注。相應的，電力運營商和設備開發商轉向網絡冗余方法，他們的想法在另一標準IEC 62439高可用性自動網絡中實現了。 這一標準目前進行了修正，允許融合兩種不同的冗余網絡方案：并行冗余協議(PRP)以及高可用性無縫冗余(HSR) (圖3)。前一標準設定了具有冗余開關的星形拓撲，因此，每一節點有兩個通路，而后者可以采用星形或者雙向環形拓撲。
圖3.PRP和HSR冗余標準不同的網絡拓撲。 兩種不同的拓撲看起來能夠很好的實現冗余。但是，IP開發者Flexibilis首席技術官Timo Koskiahde指出，每一種都有其優勢。環形拓撲性價比要高一些，這是因為它不需要外部開關，當網絡的物理規模和設備數量受限時，它也能很好的工作。雙星拓撲能夠更好的適應大規模網絡，很容易從單星拓撲進行更新實現。 Koskiahde說，更新問題非常重要，這是因為很多已有的網絡依靠生成樹協議(STP)或者其快速版本(RSTP)提高對失效的承受能力。這些協議嘗試在出現鏈路失效時重新配置網絡，因此，可能無法滿足IEC 61850在某些狀態時的零誤差恢復時間要求。PRP和HSR通過兩條獨立通路傳輸復制數據包，因此，它們都能夠滿足零恢復要求。 獲取時間 變電站發展最快的一方面就是測量技術。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——數字表和位置傳感器，代表了變電站目前的測試技術。但是，如果這些儀表從專用合并單元轉到網絡連接應用，那么，它們將不再能夠對信號間的時間關系進行預測。這就需要對數據加上時間戳，以便對事件的實際順序進行排列。 很多變電站已經通過GPS接收機提供時間參考。但是，怎樣通過網絡來分配時間標記?很多設計人員轉向采用IEEE 1588來解決這一問題。IEEE 1588通過以太網分配時鐘標記，使用訓練序列在參考時鐘和網絡的每一個接收節點之間建立延時。在穩定的LAN中，IEEE 1588可以保證每一節點對事件打上時間戳，精度在1 μs以上，符合IEC 61850的要求。 不斷的發展使得變電站具有了冗余LAN功能，實現零時間故障恢復，能夠進行時間戳測量，事件有足夠的精度以便控制系統使用。已經實現了這些變革，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中——遠程控制變電站和分布式儀表網絡。 智能電網 從中心控制的變電站網絡發展到智能電網理論上雖然簡單，但是實際上涵蓋的內容非常多。概念上，智能電網的理念是將變電站中的所有傳感器和致動器聯網，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百萬個傳感器、開關、繼電器以及斷電器等 ●新一類網絡連接 ●通過發電設備進行控制，通過新電源和負載進行控制，而不僅僅是通過分布式電網。 ●新一類傳感器 ●新的控制算法 這些新挑戰促使變電站中已有的私有網絡進行變革。 第一個也是最明顯的變化就是智能電網，它有大量的節點，覆蓋廣闊的地理范圍，無法通過將現有的私有網絡橋接起來進行管理。它需要使用互聯網，而不僅僅是互聯網骨干網。為能夠延伸到獨立的電廠、居民街區的電路斷路器、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，智能電網的控制網絡需要采用無線和固網，以及公網和私網進行連接。 這種變化對電網安全產生了深刻的影響。據報道，已經有人通過互聯網來連續探測并攻擊控制網絡。而智能電網采用了公共基礎設施，這些攻擊會發現新目標。 業界曾嘗試預測IEC 62351會遇到什么樣的挑戰，這一標準提供了認證和防入侵探測，保護不受非法監聽和欺騙的影響。但是，網絡雖然很好，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，只有通過連續監測、主動防御，甚至是攻擊將要發起的攻擊，才能實現智能電網的安全。對于網絡適配器設計人員，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。 更高級的控制 由于有更多的節點和公共網絡，智能電網的新一類節點越來越復雜。對于傳統的大規模和中等規模發電廠，電網現在增加了很多小規模太陽能設施，未來還有儲能設施。隨著電動車輛的逐步發展，新一類非典型用電行為——新的存儲介質，開始連接到電網中。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生極大的影響。由于智能電網的一個主要目標是維持動態穩定性——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.現代PMU是低速波形數字轉換器，具有GPS時間參考和冗余網絡連接。 但是，這一功能要求對其他節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。如此廣泛的時間協議意味著不僅需要數百萬個GPS接收機，而且還要在公網上支持IEEE 1588。 一些結論 電廠或者變電站的智能電網網絡要求看起來比較簡單。網絡必須提供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絡端口和協議堆棧，隨時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。 而且，網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，進行事件報告和數據采樣。Altera技術部資深員工和系統規劃師Vince Bridgers指出，IEEE 1588也有自己的難點。網絡經過周期性的訓練，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，或者使用高優先級消息隊列來旁路協議棧中的延時。然而，網絡冗余和極低抖動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，把冗余網絡和低延時、低抖動消息融合到這一環境中，會使得設計人員進入一個完全陌生的領域。 最后，將智能電網擴展到變電站范圍之外也是一個挑戰。這種擴展加重了我們討論的所有這些問題。 網絡是公網時，零恢復時間冗余網絡這一概念立刻就帶來了問題。如果能夠采用冗余連接，兩種不同的網絡連接之間的偏移足夠小，可以實現故障恢復嗎?冗余能夠彌補互聯網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IEEE 1588中。電力公司能否不在智能電網的每一個節點上放置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不受故意的惡意攻擊?或者，在出現惡意攻擊時，在不能保證傳輸、延時和抖動的情況下，電網系統工程師能夠想出有效的控制算法?智能電網的最終實現還有很多問題要解決。 |
