獨(dú)健鴻，郝 峰，葛軍強(qiáng)，閆譯文

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)有限公司提出全力打造“三型兩網(wǎng)、世界一流”企業(yè)，“三型”是指打造樞紐型、平臺(tái)型、共享型企業(yè)，“兩網(wǎng)”是指建設(shè)運(yùn)營(yíng)好堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)?！叭蛢删W(wǎng)”中的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，經(jīng)過近十年的建設(shè)，已卓有成效。應(yīng)用“大、云、物、移、智”先進(jìn)技術(shù)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)將成為未來電力系統(tǒng)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。抽水蓄能電站承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用、黑啟動(dòng)及消納新能源等任務(wù)，是電力系統(tǒng)重要組成部分[1,2]。建設(shè)面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智能抽水蓄能電站是未來的發(fā)展方向。新源公司制定了智能抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)劃，開始編制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和安全防護(hù)進(jìn)行了深入地探討和研究。

1 概述

智能抽水蓄能電站是指采用先進(jìn)、可靠、集成和開放的智能設(shè)備，輔以智能系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，以電站數(shù)字化為基本要求，以可觀測(cè)、可視性、自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自趨優(yōu)、互動(dòng)性等為特征，滿足全壽命周期管理要求，具備三維可視化、智能調(diào)節(jié)、智能控制、智能分析、智能決策等功能的抽水蓄能電站。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)是以一體化平臺(tái)為核心，以可靠的高速光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)為物理主干，以水電標(biāo)準(zhǔn)通信總線為基礎(chǔ)，以水電公共信息模型為支撐的面向服務(wù)的分布式結(jié)構(gòu)[3]。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能抽水蓄能電站通信網(wǎng)絡(luò)采用分層分布開放式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。按照水電站安全防護(hù)要求，橫向劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)（包括安全Ⅰ區(qū)、安全Ⅱ區(qū)）和管理信息大區(qū)。根據(jù)縱向劃分為“三層兩網(wǎng)”，“三層”即過程層、單元層和電站層，“兩網(wǎng)”即過程層網(wǎng)絡(luò)和電站層網(wǎng)絡(luò)[4]。

2.1.1 電站層

在控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）電站層部署電站實(shí)時(shí)監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制、自動(dòng)電壓控制、抽水工況控制、發(fā)電工況控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等功能。在非控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）電站層部署電站數(shù)據(jù)前置區(qū)，設(shè)置的系統(tǒng)包括發(fā)電計(jì)劃申報(bào)系統(tǒng)、電能計(jì)量系統(tǒng)、故障錄波信息子站系統(tǒng)及水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)。管理信息大區(qū)主要包括電站數(shù)據(jù)中心、電廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)、綜合安全管控系統(tǒng)、健康評(píng)價(jià)系統(tǒng)以及設(shè)備全生命周期系統(tǒng)、大壩自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防汛信息系統(tǒng)、報(bào)價(jià)輔助決策系統(tǒng)等。電站層完成電站級(jí)運(yùn)行監(jiān)視、自動(dòng)發(fā)電控制、智能作業(yè)、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、智能控制、綜合安全管控、設(shè)備設(shè)施健康評(píng)價(jià)、虛擬仿真運(yùn)行等功能。

2.1.2 單元層

本層控制區(qū)（安全Ⅰ區(qū)）按照機(jī)組單元、開關(guān)站和公用系統(tǒng)分別部署智能電子設(shè)備（IED）。機(jī)組單元包括機(jī)組控制單元IED、水泵水輪機(jī)IED、發(fā)電電動(dòng)機(jī)IED、調(diào)速系統(tǒng)IED、勵(lì)磁系統(tǒng)IED、發(fā)電機(jī)電壓設(shè)備IED、主進(jìn)水閥IED、靜止變頻裝置（SFC）IED、主變壓器IED、發(fā)變組繼電保護(hù)IED、發(fā)變組相量測(cè)量（PMU）IED。開關(guān)站單元層包括GIS設(shè)備IED、GIS繼電保護(hù)IED、開關(guān)站相量測(cè)量（PMU）IED。公用系統(tǒng)單元層包括氣系統(tǒng)IED、水系統(tǒng)IED、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備IED、火災(zāi)報(bào)警及消防控制系統(tǒng)IED、直流電源系統(tǒng)IED、照明系統(tǒng)IED。非控制區(qū)（安全Ⅱ區(qū)）單元層包括故障錄波系統(tǒng)IED、電能量采集系統(tǒng)IED、狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)IED、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)IED。管理信息大區(qū)單元層包括水工安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)IED、工業(yè)電視及安防系統(tǒng)IED。

各IED就地安置在宿主設(shè)備旁，完成宿主設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)評(píng)估、智能控制等就地綜合評(píng)估、實(shí)時(shí)狀態(tài)預(yù)報(bào)的功能，滿足設(shè)備狀態(tài)可視化要求。

2.1.3 過程層

合并單元、智能終端、智能傳感器等IED部署在過程層，完成與一次設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)采集及控制功能，包括實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、控制命令的執(zhí)行等。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)

基于全廠數(shù)據(jù)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，構(gòu)建一個(gè)高速、標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)（基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)）是建設(shè)智能抽水蓄能電站的必然要求?；贗EC 61850標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)由電站層網(wǎng)和過程層網(wǎng)組成。

2.2.1 電站層網(wǎng)

電站層設(shè)備通過電站層網(wǎng)與電站層其他設(shè)備以及單元層網(wǎng)通信。邏輯功能上，電站層網(wǎng)覆蓋電站層的數(shù)據(jù)交換接口、電站層與單元層之間數(shù)據(jù)交換接口，可傳輸MMS 報(bào)文和GOOSE 報(bào)文。生產(chǎn)控制大區(qū)采用DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)MMS協(xié)議實(shí)現(xiàn)電站級(jí)數(shù)據(jù)中心與單元層設(shè)備通信，管理信息大區(qū)采用DL/T 890標(biāo)準(zhǔn)Web Service規(guī)范實(shí)現(xiàn)電站級(jí)數(shù)據(jù)中心與外部系統(tǒng)通信。

2.2.2 過程層網(wǎng)

過程層網(wǎng)絡(luò)完成單元層與過程層設(shè)備、單元層設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，可傳輸 GOOSE 報(bào)文和 SV 報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)可以采用星形、環(huán)形或總線結(jié)構(gòu)。

由于智能設(shè)備的開發(fā)制造還在起步階段，在實(shí)際工程使用中部分性能不穩(wěn)定，因此現(xiàn)階段信號(hào)采集可以采取多種方式。電量的采集根據(jù)不同的互感器型式及電壓等級(jí)選擇以下3種方案：采用電子式互感器方式，直接接入SV網(wǎng)；采用電磁式互感器+合并單元方式，接入SV網(wǎng)；采用常規(guī)傳感器直采方式。非電量采集根據(jù)傳感器的不同型式選擇以下2種方案：采用常規(guī)傳感器直采方式；采用智能傳感器接入SV網(wǎng)。

3 安全防護(hù)

3.1 基本原則

智能抽水蓄能電站二次系統(tǒng)按照“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證、綜合防護(hù)”的原則，分別接入控制區(qū)、非控制區(qū)和管理信息大區(qū)。各應(yīng)用系統(tǒng)終端按照其所屬安全區(qū)專機(jī)專用、專網(wǎng)專用。安全防護(hù)設(shè)備需要獲得國(guó)家指定機(jī)構(gòu)安全檢測(cè)證明，并通過電力系統(tǒng)電磁兼容檢測(cè)。電站的生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)間相連采取物理隔離措施，如以網(wǎng)絡(luò)方式相連，部署電力專用橫向單向安全隔離裝置。參與系統(tǒng) AGC、AVC調(diào)節(jié)的抽水蓄能電站，在電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)邊界配置縱向加密認(rèn)證裝置或縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)進(jìn)行安全防護(hù)[5]。

3.2 生產(chǎn)控制大區(qū)

生產(chǎn)控制大區(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)部署安全審計(jì)功能，能夠?qū)Σ僮飨到y(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用的重要操作進(jìn)行記錄、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種違規(guī)行為以及病毒和黑客的攻擊行為。對(duì)于遠(yuǎn)程用戶登錄到本地系統(tǒng)中的操作行為，需要進(jìn)行嚴(yán)格地安全審計(jì)?？梢圆捎冒踩珜徲?jì)功能，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行日志、操作系統(tǒng)運(yùn)行日志、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問日志、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行日志、安全設(shè)施運(yùn)行日志等進(jìn)行集中收集、自動(dòng)分析[6]。

抽水蓄能電站的電站級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控中心的主服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)邊界處的通信網(wǎng)關(guān)機(jī)和Web服務(wù)器等，需要使用安全加固的操作系統(tǒng)。加固方式包括安全配置、安全補(bǔ)丁、采用專用軟件強(qiáng)化操作系統(tǒng)訪問控制能力以及配置安全應(yīng)用程序等，其中更改配置和安裝補(bǔ)丁應(yīng)當(dāng)經(jīng)過測(cè)試。

非控制區(qū)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與安全設(shè)備要采取身份鑒別、訪問權(quán)限控制、會(huì)話控制等安全加固措施。能夠應(yīng)用電力調(diào)度數(shù)字證書，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)支持HTTPS 的縱向安全Web服務(wù)，能夠?qū)g覽器客戶端訪問進(jìn)行身份認(rèn)證及加密傳輸。同時(shí)需要對(duì)存儲(chǔ)器、打印機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格管理。生產(chǎn)控制大區(qū)中除安全接入?yún)^(qū)外，禁止選用具有無線通信功能的設(shè)備；管理信息大區(qū)業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)信息時(shí)須具備接入認(rèn)證、加密等安全機(jī)制。

3.3 管理信息大區(qū)

針對(duì)管理信息大區(qū)內(nèi)、外網(wǎng)移動(dòng)應(yīng)用接入，在縱向邊界實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層或應(yīng)用層加密認(rèn)證，面向不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)將接入網(wǎng)關(guān)劃分為I型（專用型）、Ⅱ型（標(biāo)準(zhǔn)型）和Ⅲ型（一體化微型）3種型號(hào)。在橫向邊界，設(shè)置基于網(wǎng)閘構(gòu)架的信息網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置。安全隔離裝置部署如圖1所示。

對(duì)于電力無線專網(wǎng)建設(shè)要滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)要求，強(qiáng)化無線空口安全防護(hù)能力。電力無線專網(wǎng)設(shè)備及網(wǎng)管系統(tǒng)按照等級(jí)配置三級(jí)防護(hù)，保證無線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/p>

圖1 新一代信息網(wǎng)絡(luò)安全接入網(wǎng)關(guān)與信息網(wǎng)絡(luò)安全隔離裝置總體部署架構(gòu)Figure 1 The overall deployment framework of the new generation of information network security access gateway and information network security isolation device

4 典型應(yīng)用組件

4.1 智能安全管控系統(tǒng)

智能抽水蓄能電站朝著“無人值守”和“少人值守”方向發(fā)展，需要構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的綜合安全管控系統(tǒng)以提升整個(gè)電站的安全管控水平。在基建期，利用地質(zhì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站建設(shè)期地下洞室群開挖過程中地質(zhì)預(yù)測(cè)，掌握地下洞室開挖斷面前方斷層、破碎帶、溶洞、暗河及其他地質(zhì)帶的位置和形態(tài)。利用環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站建設(shè)期地下洞室群、消防、通風(fēng)、重要設(shè)備運(yùn)行場(chǎng)區(qū)氣體含量、粉塵含量、通風(fēng)情況的報(bào)警和預(yù)警。在運(yùn)行期，建設(shè)運(yùn)維期的綜合安全監(jiān)控平臺(tái)，集成人員作業(yè)安全管理、安全環(huán)境監(jiān)控、消防、反恐等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮、人員定位等功能[7]。

智能安全管控系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵是基于數(shù)據(jù)共享的多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制。例如，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)報(bào)警等異常狀況時(shí)，工業(yè)電視系統(tǒng)中的高清攝像頭應(yīng)即刻轉(zhuǎn)向報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行抓拍和錄像；同時(shí)門禁系統(tǒng)應(yīng)打開相關(guān)的門禁；綜合安全監(jiān)控平臺(tái)在接收到報(bào)警信號(hào)后，應(yīng)發(fā)出聲光提示、語(yǔ)音報(bào)警、自動(dòng)彈出視頻畫圖，方便值班人員進(jìn)行事故分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理。

4.2 基于移動(dòng)終端的智能巡檢

傳統(tǒng)巡檢一般采用手工記錄的方式進(jìn)行巡檢信息記錄，現(xiàn)場(chǎng)遇到故障問題需要電話聯(lián)系巡檢指揮中心詳細(xì)描述，故障點(diǎn)記錄還需要攜帶相機(jī)進(jìn)行拍照，歸檔時(shí)需要二次錄入將巡檢結(jié)果錄入電腦存檔。作業(yè)人員工作量大且效率低，紙質(zhì)記錄不易保存差錯(cuò)率高?；谝苿?dòng)終端的智能巡檢系統(tǒng)是借助支持近場(chǎng)通信技術(shù)的移動(dòng)終端，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)定位芯片實(shí)現(xiàn)到位管理；利用智能終端的錄音、拍照、攝像功能全面反映設(shè)備狀態(tài)，提高巡檢員的工作效率和工作體驗(yàn)，降低巡檢的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)成本，為發(fā)電廠巡檢管理提供低成本、高效率的巡檢解決方案[8]。

移動(dòng)終端采用消費(fèi)級(jí)智能手機(jī)，安裝巡檢APP，就可以成為電站巡檢儀。移動(dòng)終端和巡檢服務(wù)器共同組成巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)巡檢路線規(guī)劃、巡檢計(jì)劃管理、漏檢統(tǒng)計(jì)、工時(shí)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警管理和巡檢數(shù)據(jù)分析。同時(shí)需要注意的是，該系統(tǒng)接入管理信息大區(qū)時(shí)，要配置信息安全網(wǎng)絡(luò)隔離裝置、安全接入網(wǎng)關(guān)和防火墻。對(duì)移動(dòng)終端系統(tǒng)同步手機(jī)時(shí)間、手機(jī)巡檢程序由服務(wù)器推送升級(jí)，限制與安裝工作無關(guān)的應(yīng)用，限制與3G、4G互聯(lián)網(wǎng)連接，綁定終端登錄用戶等。

4.3 無線應(yīng)急指揮系統(tǒng)

電站作為大型公共設(shè)施場(chǎng)所，會(huì)涉及恐怖襲擊、自然災(zāi)害等帶來的突發(fā)事件。面對(duì)各種突發(fā)情況，現(xiàn)場(chǎng)指揮人員可以利用無線通信裝備將前方人員的音視頻信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞回來，并快速做出響應(yīng)。

無線應(yīng)急指揮系統(tǒng)利用單兵設(shè)備、對(duì)講機(jī)、手機(jī)等無線通信設(shè)備，通過電力無線專網(wǎng)、5G等無線移動(dòng)技術(shù)與電站層管理信息大區(qū)中應(yīng)急指揮平臺(tái)和服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)電站前方人員和指揮中心之間通過視頻、圖片、文字和語(yǔ)音進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。電力無線專網(wǎng)需要經(jīng)過防火墻和信息網(wǎng)絡(luò)安全接入網(wǎng)關(guān)接入到管理信息大區(qū)。

5 結(jié)論

面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的智能抽水蓄能電站是未來的發(fā)展方向，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建是電站智能化的基礎(chǔ)工作，網(wǎng)絡(luò)的可靠性、傳輸數(shù)據(jù)的及時(shí)性和信息的安全性是關(guān)鍵技術(shù)問題。智能抽水蓄能電站的建設(shè)還需是在實(shí)踐中不斷摸索、改進(jìn)和完善，還有很長(zhǎng)的路需要走，需要建設(shè)方、設(shè)計(jì)方和設(shè)備制造方等共同努力來推進(jìn)抽水蓄能電站智能化發(fā)展。