智能變電站繼電保護(hù)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的策略探討

姚亮， 鄒磊， 王勝

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司,江蘇 南京 210032； 2.南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153)

智能變電站繼電保護(hù)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的策略探討

姚亮1,2， 鄒磊1,2， 王勝1,2

(1.國(guó)電南京自動(dòng)化股份有限公司,江蘇 南京 210032； 2.南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153)

對(duì)變電站主要通信服務(wù)分類研究，根據(jù)服務(wù)要求和報(bào)文特點(diǎn)，通過變電站虛擬局域網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)防范網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生。采用通信報(bào)文的流量控制和報(bào)文過濾技術(shù)減少風(fēng)暴出現(xiàn)后對(duì)運(yùn)行保護(hù)的影響。以縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)為例，變電站網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證了采用上述措施后在注入不同風(fēng)暴流量下，SV和GOOSE報(bào)文服務(wù)可不受影響。

智能變電站；網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴；虛擬局域網(wǎng)；流量控制；報(bào)文過濾

0 引 言

隨著電網(wǎng)的智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化程度越來越高，電網(wǎng)各種保護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)通信的依賴性越來越強(qiáng)。IEC 61850在變電站中深入推廣和應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為影響智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵因素，網(wǎng)絡(luò)安全課題已經(jīng)成為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的焦點(diǎn)問題。

變電站中站控層網(wǎng)絡(luò)關(guān)系到站內(nèi)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制、操作閉鎖及保護(hù)信息管理，過程層網(wǎng)絡(luò)關(guān)系到繼電保護(hù)設(shè)備能否正確動(dòng)作，進(jìn)而影響整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。而以太網(wǎng)是一種面向非鏈接的網(wǎng)絡(luò)，存在資源競(jìng)爭(zhēng)，非鏈接競(jìng)爭(zhēng)的通信方式是為了最大限度地提高通信資源的利用率，但在提高通信效率的同時(shí)，犧牲了通信的可靠性和資源有序分配。因此提高變電站內(nèi)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性和實(shí)時(shí)性對(duì)及IED整體性能的提升起著至關(guān)重要的作用，對(duì)于變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義[1]。

1 智能變電站的主要通信服務(wù)

智能變電站通信業(yè)務(wù)主要包括設(shè)備實(shí)時(shí)控制、電氣量模擬數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)和變電站內(nèi)設(shè)備時(shí)鐘同步等。根據(jù)IEC 61850-5通信服務(wù)的功能主要有通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE)報(bào)文、采樣值(Sampled Value，SV)報(bào)文、制造報(bào)文 (Manufacturing Message Specification，MMS)和時(shí)間同步報(bào)文。

1)GOOSE報(bào)文包括跳閘、合閘、閉鎖信號(hào)等，實(shí)時(shí)性要求很高的短報(bào)文數(shù)據(jù)。GOOSE報(bào)文在正常運(yùn)行情況時(shí)流量較低，但在系統(tǒng)故障時(shí)流量會(huì)突發(fā)增長(zhǎng)。正常無信號(hào)變位情況下，GOOSE發(fā)送報(bào)文間隔時(shí)間為5 s，GOOSE發(fā)送報(bào)文典型長(zhǎng)度為200 B，一般不會(huì)超過300 B，則裝置發(fā)送GOOSE報(bào)文流量為(200×8)/5=320bit/s；裝置突發(fā)事件的情況下，按照最小重發(fā)時(shí)間2 ms計(jì)算，裝置每秒發(fā)出500幀的GOOSE報(bào)文，GOOSE報(bào)文流量為(300×8)×500≈1.2 M bit/s。

2)SV報(bào)文對(duì)傳輸延時(shí)的要求比GOOSE報(bào)文略低，由合并單元(Merging Unit，MU)發(fā)出。采樣值報(bào)文對(duì)傳遞時(shí)延的要求較GOOSE報(bào)文略寬松，IEC 61850-9-2中建議使用VLAN組播發(fā)送SV報(bào)文。其特點(diǎn)是高速、持續(xù)、大流量。報(bào)文流量穩(wěn)定，系統(tǒng)故障或非正常運(yùn)行情況下都不會(huì)明顯增長(zhǎng)。SV采樣每周波80個(gè)點(diǎn)，典型報(bào)文長(zhǎng)度為160 B，最大長(zhǎng)度一般為250 B，正常流量為(160×8)×80×50≈5.12 M bit/s，最大流量一般不超過(250×8)×80×50≈8 M bit/s。

3)MMS報(bào)文屬于TCP/IP協(xié)議報(bào)文，流量較大，對(duì)傳遞延時(shí)要求不高，在變電站中此類報(bào)文的通信常采用降低優(yōu)先級(jí)、分割數(shù)據(jù)以及限制報(bào)文長(zhǎng)度等策略為其它報(bào)文“讓路”。

4)時(shí)鐘同步報(bào)文用于實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)智能電子設(shè)備(Intelligent Electronic Device，IED) 的時(shí)鐘同步。它可與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文同時(shí)傳遞，通常采用網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1588 (Precision Time Protocol，PTP)，亦可采用獨(dú)立的時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)傳遞同步信號(hào)，如IRIG-B (Inter Range Instrumentation Group-B) 碼傳遞方式。IEEE 1588對(duì)時(shí)報(bào)文一般不超過64 bytes，發(fā)送間隔一般為1 s，報(bào)文流量為512 bit/s，流量很小，可忽略不計(jì)[2-3]。

面向不同應(yīng)用服務(wù)的報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)上傳輸有著不同的特點(diǎn)，如表1所示。若網(wǎng)絡(luò)配置不當(dāng)，將可能產(chǎn)生不合理的報(bào)文傳輸，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行造成影響。

表1 智能變電站主要報(bào)文的特點(diǎn)

2 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的應(yīng)對(duì)策略

智能變電站網(wǎng)絡(luò)采用雙系統(tǒng)冗余備份，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜易出現(xiàn)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)內(nèi)大量復(fù)制、傳播，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。需要在變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓蛟O(shè)備故障導(dǎo)致某個(gè)流向或端口的數(shù)據(jù)流激增，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性受到嚴(yán)重影響時(shí)，能迅速診斷故障點(diǎn)，有效調(diào)配通信資源。

2.1 VLAN的劃分

由于電網(wǎng)規(guī)模的不斷發(fā)展，變電站常常需要擴(kuò)建間隔，帶來站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換。若網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓暮蟪霈F(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)丟包、響應(yīng)遲緩、時(shí)斷時(shí)通等，很可能是網(wǎng)絡(luò)中存在環(huán)路，造成每一幀報(bào)文都在重復(fù)廣播，引起了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

VLAN是一組邏輯上的設(shè)備和用戶，這些設(shè)備和用戶并不受物理位置的限制，可以根據(jù)不同流向、不同類型報(bào)文劃分網(wǎng)絡(luò)資源，相互之間的通信就如同一個(gè)網(wǎng)段中。智能變電站采取對(duì)等通信模式，IED之前的信息交互通過GOOSE信息傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)，交換機(jī)的VLAN劃分應(yīng)采用最優(yōu)路徑方法結(jié)合邏輯功能劃分，通過在交換機(jī)上設(shè)置基于端口的VLAN，不同業(yè)務(wù)特性的信息交互限定在不同的虛擬網(wǎng)上，通過交換機(jī)多層交換技術(shù)(IP交換技術(shù))來防止廣播風(fēng)暴，以太網(wǎng)IEEE 802.1Q協(xié)議支持以VLAN方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的有效隔離，并在IED上進(jìn)行正確配置就可以有效地防止攻擊。通過不同的交換機(jī)或者在同一交換機(jī)劃分VLAN的技術(shù)， GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文均配置VLAN標(biāo)簽(VLAN Tag)分別傳輸，通過配置交換機(jī)端口的VLAN準(zhǔn)入列表，VLAN身份(VLAN ID)不一致的報(bào)文不能進(jìn)入交換機(jī)，防止檢修、改造中出現(xiàn)光纖鏈接錯(cuò)誤造成的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

不同VLAN內(nèi)的報(bào)文在傳輸時(shí)是相互隔離的，重要報(bào)文的服務(wù)亦可與網(wǎng)絡(luò)中其它服務(wù)隔離。如果設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信模塊損壞，損壞的通信模塊可能會(huì)不間斷地向交換機(jī)發(fā)送大量的數(shù)據(jù)包，產(chǎn)生大量無用的數(shù)據(jù)包，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。VLAN不僅限制網(wǎng)絡(luò)上的廣播，而且多個(gè)VLAN減少了風(fēng)暴影響的設(shè)備數(shù)量，防止了風(fēng)暴波及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)[4-5]。

2.2 流量控制

流量控制是對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈接合理分配其所需的帶寬，保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)高效、安全和穩(wěn)定地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活的監(jiān)控管理，按需分配、按級(jí)分配、按流量分配的需要。面向鏈接的分組交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 面向鏈接的分組交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中S為數(shù)據(jù)源端，T為交換節(jié)點(diǎn)，D為接收端，Pi為某個(gè)鏈接的峰值數(shù)據(jù)速率，n為輸入鏈接數(shù)，M為交換節(jié)點(diǎn)最大輸出數(shù)據(jù)速率。流量控制器輸出和所有鏈接最大輸入總和比:

(1)

統(tǒng)計(jì)多路復(fù)用利用率:

(2)

其中αi為某個(gè)鏈接平均傳輸時(shí)間和總的傳輸時(shí)間比。K>1為多路復(fù)用；ρ應(yīng)小于1，否則信道將被堵塞。

由式(2)可見，在輸出總帶寬不變時(shí)，鏈接峰值數(shù)據(jù)速率一定情況下，降低傳輸時(shí)間比αi，可以提高交換節(jié)點(diǎn)的鏈接數(shù)量。

漏桶(Leaky Bucket)算法強(qiáng)行限制數(shù)據(jù)的傳輸速率，但該算法對(duì)于突發(fā)性流量缺乏效率。在此基礎(chǔ)上提出了令牌桶(Token Bucket)算法，令牌桶被看作一個(gè)存放令牌的容器，對(duì)其預(yù)設(shè)容量，按照預(yù)設(shè)的速率向桶中放置令牌，當(dāng)桶中的令牌滿時(shí)，多余的令牌溢出，令牌桶中令牌量不再增加。當(dāng)某條合法鏈接的輸入源進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，就會(huì)從令牌桶得到一個(gè)令牌，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩存。采用令牌桶調(diào)度動(dòng)態(tài)滿足輸入多鏈接的流控需求，到達(dá)交換節(jié)點(diǎn)的源端只有從令牌桶獲得令牌才能進(jìn)入數(shù)據(jù)緩存待發(fā)。若在該時(shí)刻有多個(gè)令牌滿足發(fā)送條件，則根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定發(fā)送順序。如果無待發(fā)報(bào)文，則清除該令牌和鏈接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將該令牌重新放入令牌桶待分配。為每個(gè)鏈接都建立一個(gè)配置參數(shù)表，該表存放該鏈接的流控參數(shù)優(yōu)先級(jí)信息，該表可以重構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整流量參數(shù)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)比特率(Variable Bit Rate，VBR)，當(dāng)一個(gè)合法鏈接的報(bào)文進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，令牌桶分配單元將為該鏈接分配一個(gè)令牌，同時(shí)根據(jù)配置參數(shù)表的值建立該令牌的運(yùn)行參數(shù)表。當(dāng)多個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)包進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)交換時(shí)，即為每個(gè)隊(duì)列動(dòng)態(tài)分配一個(gè)帶有虛調(diào)度算法的令牌，在短時(shí)間內(nèi)完成所有隊(duì)列的調(diào)度算法的計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來完成令牌桶的動(dòng)態(tài)調(diào)度[6-7]。

根據(jù)IEEE 802.1p流量?jī)?yōu)先級(jí)控制和IEC 61850-8-1的附錄C和IEC 61850-9-2中附錄A，通過分級(jí)流量?jī)?yōu)先和動(dòng)態(tài)組播過濾服務(wù)，優(yōu)先級(jí)隊(duì)列為0～7級(jí)(7為最高優(yōu)先級(jí)，0為最低優(yōu)先級(jí)) ，服務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置可參考表2所列，保證帶有序列標(biāo)簽的GOOSE、SV等報(bào)文流優(yōu)先傳輸，不產(chǎn)生亂序現(xiàn)象。

表2 智能變電站報(bào)文服務(wù)優(yōu)先級(jí)

注：GSSE，Generic Substation State Event通用變電站狀態(tài)事件。

2.3 報(bào)文過濾

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的時(shí)候，所有的數(shù)據(jù)流都有可能被丟棄；為滿足用戶對(duì)不同應(yīng)用不同服務(wù)質(zhì)量的要求，需要網(wǎng)絡(luò)能根據(jù)用戶的要求分配和調(diào)度資源，對(duì)實(shí)時(shí)性強(qiáng)且重要的數(shù)據(jù)報(bào)文優(yōu)先處理；對(duì)于實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的普通數(shù)據(jù)報(bào)文，提供較低的處理優(yōu)先級(jí)，網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)甚至丟棄。報(bào)文過濾是對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信加以約束，有效地分配網(wǎng)絡(luò)帶寬，合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源，解決網(wǎng)絡(luò)延遲和阻塞等問題。

根據(jù)OSI(Open System Interconnection)參考模型，結(jié)合變電站通信網(wǎng)絡(luò)中的各類數(shù)據(jù)報(bào)文的映射模型，時(shí)間同步報(bào)文和MMS報(bào)文的映射路徑為應(yīng)用層→傳輸層→網(wǎng)絡(luò)層→數(shù)據(jù)鏈路層→物理層，此類報(bào)文符合TCP/IP模型。SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文實(shí)時(shí)性要求高，其映射路徑跳過了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層，從應(yīng)用層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，即應(yīng)用層→數(shù)據(jù)鏈路層→物理層，如圖2 所示。為了保證數(shù)據(jù)的完整性，通過哈希(Hash)算法保證GOOSE報(bào)文和SV報(bào)文的完整性。

圖2 變電站中OSI模型應(yīng)用

根據(jù)IEC 61850-8-1中附錄B多播地址(長(zhǎng)度為6的八位位組字符串)前3位被定為01-0C-CD；第4位GOOSE服務(wù)為01；GSSE服務(wù)為02；多播采樣值服務(wù)為04；最后2個(gè)字節(jié)為單獨(dú)地址，其范圍如表3推薦。采用應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)識(shí)別技術(shù)，網(wǎng)關(guān)首先

識(shí)別出控制流，并根據(jù)控制流的協(xié)議通過特定的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)對(duì)其進(jìn)行解析，從協(xié)議內(nèi)容中識(shí)別出相應(yīng)的業(yè)務(wù)流[8-10]。

表3 多播地址推薦

報(bào)文過濾技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域發(fā)展出來的一種應(yīng)用層檢測(cè)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行篩選，依據(jù)被稱為訪問控制表的過濾邏輯，檢測(cè)數(shù)據(jù)流中每個(gè)數(shù)據(jù)包的源地址、源端口號(hào)、目的地址、目的端口號(hào)和協(xié)議類型或者它們的組合來確定此數(shù)據(jù)包是否可以通過。報(bào)文檢測(cè)對(duì)IP包4層以下內(nèi)容進(jìn)行分析，包括源地址、目的地址、源端口、目的端口和協(xié)議類型。深度報(bào)文檢測(cè)(Deep Packet Inspect，DPI)可以深入分析當(dāng)前數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型以及各個(gè)字段，基于固定位置特征字匹配，在應(yīng)用層對(duì)IP數(shù)據(jù)包、TCP或者UDP數(shù)據(jù)進(jìn)行截獲[11]。

3 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴下的檢測(cè)方法

智能變電站中繼電保護(hù)裝置在網(wǎng)絡(luò)壓力的檢測(cè)方法可分為過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)壓力測(cè)試，網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴下繼電保護(hù)檢測(cè)如圖3 所示。

圖3 變電站網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴檢測(cè)系統(tǒng)

其中過程層網(wǎng)絡(luò)壓力又分訂閱報(bào)文和非訂閱報(bào)文兩類，檢測(cè)方法與技術(shù)要求如表4所示。

表4 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的檢測(cè)方法和智能設(shè)備的技術(shù)要求

考慮縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)涉及SV采樣及兩側(cè)數(shù)據(jù)同步要求，遠(yuǎn)跳功能涉及GOOSE報(bào)文接收，因此以此為例，根據(jù)表4中方法進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，在100%最惡劣條件下的試驗(yàn)情況如表5所列，可見采取了流量控制與報(bào)文過濾技術(shù)的風(fēng)暴應(yīng)對(duì)策略，保護(hù)裝置縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)與遠(yuǎn)跳功能可以不受網(wǎng)絡(luò)壓力的影響，性能與正常狀態(tài)完全一致。

表5 網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴100%流量下性能檢測(cè)

注：差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流為定值4倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要組成部分，變電站內(nèi)部大量應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸信息，以“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、服務(wù)隔離”為核心，針對(duì)變電站中網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的特點(diǎn)，從變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析入手，以IEEE 802.1p分級(jí)優(yōu)先和動(dòng)態(tài)組播過濾服務(wù)的流量控制、DPI報(bào)文識(shí)別的多級(jí)過濾方法，可實(shí)現(xiàn)有效的抑制風(fēng)暴和管理流量，在變電站網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴檢測(cè)系統(tǒng)中驗(yàn)證保護(hù)裝置在流量壓力下仍可對(duì)正常報(bào)文的接收與處理，保證了智能變電站乃至智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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Strategies on How to Use Smart Substation Relaying to Deal with the Network Storm

Yao Liang1,2, Zou Lei1,2, Wang Sheng1,2

(1. State Grid Nanjing Automation Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210032，China ;2. Nanjing SAC Power Grid Automation Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211153，China)

According to the investigation of classification of main substation communication services, as well as the service requirements and the message features, the virtual LAN architecture for substation is designed to prevent the network storms. It adopts message flow control and message filtering technique to reduce the impact to the service protection when a storm appears. In longitudinal differential protection, for example, the substation network storm detection system demonstrates that when the above-mentioned measures are adopted SV and GOOSE message services will not be affected upon different storm flows.

smart substation；network storm；virtual LAN；flow control；message filtration

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.020

TM744

A

1000-3886(2016)05-0060-04

姚亮(1979-)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，主要從事繼電保護(hù)與控制技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)工作。 鄒磊(1982-)，男，吉林長(zhǎng)春人，工程師，主要從事繼電保護(hù)與控制技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)工作。 王勝(1982-)，男，湖北黃岡人，工程師，主要從事繼電保護(hù)與控制技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)工作。

定稿日期: 2016-04-24