基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式研究

李新江，夏桂兵，陳慶華，劉 燁，孫高盼，曾慶國

(國網(wǎng)巴中供電公司調(diào)度控制中心，四川 巴中 636600)

電力系統(tǒng)是國家安全的重要組成部分，其穩(wěn)定運行關(guān)系國計民生，其中電力監(jiān)控系統(tǒng)更是電力系統(tǒng)的大腦和神經(jīng)中樞，作為電力監(jiān)控原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩雷o更是重中之重。目前，國網(wǎng)巴中供電公司所轄廠站均分別采用IEC-101[1]和IEC-104[2-3]進行遠動數(shù)據(jù)傳輸，未達到雙調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸?shù)娜哂嗯渲谩?/p>

如何快速滿足國家電網(wǎng)公司及四川省公司的安全防護要求，對所轄廠站進行雙網(wǎng)冗余配置，已亟待解決。第一種方案是等待立項另外購買一套廠站端調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備(路由器、交換機、加密機)，第二種方案是探索一條既經(jīng)濟節(jié)約又能滿足安全防護要求的研究路線。

1 基于IEC-101和IEC-104的遠動數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀

1.1 基于 IEC-101的傳輸

IEC60870-5-101規(guī)約(簡稱IEC-101規(guī)約)是國際電工委員會(IEC)制定的《遠動設(shè)備及系統(tǒng)第5-101部分：傳輸規(guī)約基本遠動任務(wù)配套標準》，對應(yīng)我國電力行業(yè)標準DL/T634.5101—2002《遠動設(shè)備及系統(tǒng)第5101部分：傳輸規(guī)約 基本遠動任務(wù)配套標準》。其用于變電站與控制中心之間交換信息，不同控制中心之間交換信息，也可以用于集控站與控制中心之間交換信息。

1.2 基于 IEC-104的傳輸

IEC60870-5-104規(guī)約(簡稱104規(guī)約)定義了開放的TCP/IP接口的使用，這個網(wǎng)絡(luò)包含如傳輸DT/L634.5101—2002《遠動設(shè)備及系統(tǒng)第5104部分：傳輸規(guī)約 基本遠動任務(wù)配套標準》ASDU的遠動設(shè)備的局域網(wǎng)，包含不同廣域網(wǎng)類型(如X.25，幀中繼，ISDN等)的路由器可通過公共的TCP/IP局域網(wǎng)接口互聯(lián)。

2 基于調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸

2.1 選擇協(xié)議轉(zhuǎn)換方案

要實現(xiàn)IEC-101數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，必須將IEC-101協(xié)議的數(shù)據(jù)接口進行網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)換，目前市面上有兩種協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置(設(shè)備)，分別從網(wǎng)絡(luò)路由、遠程管理、參數(shù)配置、端口數(shù)量、設(shè)備成本等方面進行了綜合比較分析，確定了最佳協(xié)議轉(zhuǎn)換方案。

方案1：采用RS-232轉(zhuǎn)RJ-45協(xié)議轉(zhuǎn)換器。RS-232轉(zhuǎn)RJ-45轉(zhuǎn)換器是RS-232到TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的簡易設(shè)備，設(shè)備功能簡單，接口資源單一。通過購置1臺RS-232轉(zhuǎn)RJ-45轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。

方案2：采用串口通信服務(wù)器(終端服務(wù)器)[4]。串口通信服務(wù)器是RS-232到TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的專業(yè)設(shè)備，設(shè)備功能完備，接口資源豐富。通過購置1臺串口通信服務(wù)器，實現(xiàn)RS-232到TCP/IP的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。

(1)方案比較：網(wǎng)絡(luò)路由。方案1、方案2均支持網(wǎng)絡(luò)路由功能，滿足廣域網(wǎng)的使用需求。方案1采用的是簡易設(shè)備，僅具備1個網(wǎng)絡(luò)接入能力，只具備1條靜態(tài)路由，不滿足未來雙平面接入需求。方案2采用的是專用設(shè)備，具備2個網(wǎng)絡(luò)接入能力，可配置2條靜態(tài)路由，可以滿足未來雙平面接入需求。

(2)方案比較：遠程管理。方案1、方案2均支持遠程配置和WEB訪問配置功能，滿足設(shè)備的遠程管理需要。方案1不支持Linux操作系統(tǒng)終端訪問配置，設(shè)備配置管理方式單一。方案2支持Linux操作系統(tǒng)終端訪問配置，設(shè)備配置管理方式靈活。

(3)方案比較：參數(shù)配置。方案1、方案2均支持RS-232基本參數(shù)(波特率及校驗位)的設(shè)置，也支持TCP端口設(shè)置，滿足IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化接入的基本需求。方案1設(shè)備功能單一，不支持監(jiān)聽功能；方案2具備監(jiān)聽功能，可適應(yīng)設(shè)備多樣化使用需求。

(4)方案比較：端口數(shù)量。方案1僅支持單端口，僅滿足1路IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化接入需求。方案2支持多端口，滿足多鏈路接入需求，適應(yīng)主調(diào)、備調(diào)系統(tǒng)同步接入功能需求。

(5)方案比較：設(shè)備成本。方案2的串口通信服務(wù)器價格差不多是方案1的RS-232轉(zhuǎn)RJ-45轉(zhuǎn)換器的兩倍。

表1為各方案綜合得分(優(yōu)勢越大分越高)。方案2綜合得分最高，因此選擇方案2“采用串口通信服務(wù)器”為最佳協(xié)議轉(zhuǎn)換方案。

表1 兩個方案的綜合得分

2.2 選擇網(wǎng)絡(luò)組建方案

欲實現(xiàn)IEC-101遠動數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，其次需要解決落實的問題是網(wǎng)絡(luò)通道組建方式。為此，根據(jù)日常工作經(jīng)驗與實際，初步形成了3套網(wǎng)絡(luò)組建方案。

下面從設(shè)備成本、維護成本、推廣成本、人工成本、技術(shù)難度、安全風險、安裝空間、傳輸帶寬等多維度進行了比較分析，最終確定了最佳網(wǎng)絡(luò)組建方案。

方案1：基于協(xié)議轉(zhuǎn)換器組建專用網(wǎng)絡(luò)。購置E1-RJ45接口轉(zhuǎn)換器2對(4臺)，由通信專業(yè)分別開通主站(主調(diào))—站端、主站(備調(diào))—站端帶寬為2 M的E1傳輸通道，組建點對點專用網(wǎng)絡(luò)。

方案2：基于傳輸以太網(wǎng)組建專用網(wǎng)絡(luò)。購置傳輸以太網(wǎng)板3塊，由通信專業(yè)分別開通主站(主調(diào))-站端、主站(備調(diào))—站端帶寬為2 M的以太網(wǎng)，組建點對點專用網(wǎng)絡(luò)。

方案3：復(fù)用現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)。復(fù)用現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)軟硬件資源，由自動化專業(yè)自行組建基于網(wǎng)絡(luò)路由的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

(1)方案比較：設(shè)備成本(以實施1個站進行統(tǒng)計分析)。方案1、方案2均需購置設(shè)備材料以組建專用網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備投資較大；方案3復(fù)用現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備，無需設(shè)備投入。

(2)方案比較：維護成本(以維護1個站進行統(tǒng)計分析)。方案1、方案2的設(shè)備材料不具備網(wǎng)絡(luò)管理功能，不具備遠程巡檢條件，只能進行現(xiàn)場維護，設(shè)備巡檢頻度低、巡檢耗時長；方案3設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)管理功能，可以開展遠程巡檢，設(shè)備可巡檢頻度高、巡檢耗時少。

(3)方案比較：推廣成本(以推廣1個站進行統(tǒng)計分析)。方案1、方案2在大規(guī)模進行IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化改造時均需新購置一套組網(wǎng)設(shè)備材料，技術(shù)推廣成本高昂；方案3調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備已覆蓋全部35kV及以上變電站，技術(shù)推廣使用時無需購置新的組網(wǎng)設(shè)備材料。

(4)方案比較：人工成本(以實施1個站進行統(tǒng)計分析)。方案1、方案2在現(xiàn)場實施時均需通信專業(yè)人員配合，需在調(diào)度主站端、變電站端開展設(shè)備安裝調(diào)試工作，自動化及通信專業(yè)人力需求大；方案3因無需購置新的組網(wǎng)設(shè)備材料，因此無安裝調(diào)試工作，無需投入人力組建網(wǎng)絡(luò)。

(5)方案比較：技術(shù)難度。方案1、方案2采用的是星型輻射網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單；整個網(wǎng)絡(luò)同屬一個局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡單；星型網(wǎng)絡(luò)故障定位準確，故障排查簡單。方案1設(shè)備配置調(diào)試簡單；方案2傳輸以太網(wǎng)板設(shè)備配置復(fù)雜。方案3采用的是網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃復(fù)雜；設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)管理功能，故障排查簡單；設(shè)備配置命令繁多，配置調(diào)試復(fù)雜。

(6)方案比較：安全風險。方案1、方案2組建的網(wǎng)絡(luò)均屬于局域網(wǎng)，存在廣播風暴的風險，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差，故障影響范圍大；網(wǎng)絡(luò)路由靠人工指定，不具備自動路由功能，路由冗余性差。方案3設(shè)備技術(shù)成熟，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高；采用MPLS/VPN技術(shù)[5-6]，具備自動路由功能，路由冗余性好；每個變電站業(yè)務(wù)接入層屬于不同的局域網(wǎng)，相互隔離，網(wǎng)絡(luò)風暴影響范圍小。

(7)方案比較：安裝空間。方案1主站端和變電站端都需安裝新設(shè)備，設(shè)備數(shù)量多，占用空間多；方案2主站端和變電站端也需安裝新設(shè)備，但僅需占用原設(shè)備槽位，占用空間少。方案3無需安裝新設(shè)備，不占用空間。

(8)方案比較：傳輸帶寬。方案1、方案2、方案3在接入層(變電站端)都采用固定帶寬接入方式，占用相同帶寬(2 M)。方案1在匯聚層仍采用固定帶寬接入，帶寬利用率低；方案2在匯聚層按匯聚節(jié)點采用局部共享帶寬方式，帶寬利用率居中；方案3在匯聚層采用交叉組網(wǎng)方式，全面共享帶寬，帶寬利用率高。

表2為三個方案的綜合得分(優(yōu)勢越大分越高)。方案3的綜合得分最高，因此選擇方案3“復(fù)用現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)”為最佳網(wǎng)絡(luò)組建方案。

表2 三個方案的綜合得分

2.3 選擇網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案

在確定“復(fù)用現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)”為最佳網(wǎng)絡(luò)組建方案后，下一步從具體網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃探討出兩個方案，并從地址規(guī)劃難度、設(shè)備配置難度、地址充裕程度、安全影響程度等多方面進行了比較分析，最終確定了最佳網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案。

方案1：復(fù)用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實時VPN。直接復(fù)用當前調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)已配置運行的實時VPN(VPN-RT)，借用當前實時VPN的業(yè)務(wù)IP地址作為IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸所需的業(yè)務(wù)IP地址。

方案2：新建調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)專用VPN。在現(xiàn)有調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的基礎(chǔ)上新建專業(yè)VPN(VPN-101)，獨立規(guī)劃IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸所需業(yè)務(wù)IP地址。

(1)方案比較：地址規(guī)劃難度。方案1復(fù)用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)現(xiàn)運行的實時VPN，直接借用該VPN的業(yè)務(wù)IP地址，因此無需規(guī)劃公網(wǎng)地址、私網(wǎng)地址、業(yè)務(wù)地址，地址規(guī)劃簡單。方案2需新建VPN-101，需在現(xiàn)運行OSPF公網(wǎng)的基礎(chǔ)上新規(guī)劃私網(wǎng)地址和業(yè)務(wù)地址，地址規(guī)劃難度大。

(2)方案比較：設(shè)備配置難度。方案1無需修改設(shè)備配置，路由器、交換機、服務(wù)器等設(shè)備均不需要配置，實施簡單。方案2需要修改路由器配置新建VPN-101網(wǎng)絡(luò)；需要修改交換機配置新建業(yè)務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)；需要修改調(diào)度主站端前置服務(wù)器配置，新接入VPN-101網(wǎng)絡(luò)、添加網(wǎng)絡(luò)路由，網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜。

(3)方案比較：地址充裕程度。方案1需借用原VPN-RT業(yè)務(wù)地址，可借用的地址少，占用原備用業(yè)務(wù)地址；方案2采用新規(guī)劃業(yè)務(wù)地址，可用地址多，不占用原備用的業(yè)務(wù)地址。

(4)方案比較：安全影響程度。方案1采用借用地址方式，因地址管理問題在運行中可能會出現(xiàn)地址沖突問題；因不需修改設(shè)備配置，故不存在相應(yīng)的影響和安全隱患。方案2采用新規(guī)劃地址方式，不存在地址沖突的可能性；因需修改設(shè)備配置，可能會誤動原設(shè)備配置或因新添加的配置影響當前運行配置；因新配置未經(jīng)原設(shè)計專家審核，可能會存在潛在安全隱患。

表3為各方案綜合得分(優(yōu)勢越大分越高)。

表3 各方案綜合得分

結(jié)論：方案1綜合得分最高，因此選擇方案1“復(fù)用調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)實時VPN”為最佳網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方案。

2.4 選擇安全配置方案

IEC-101遠動數(shù)據(jù)原來采用專線傳輸方式時不具備安全加密功能，只能進行明文傳輸?，F(xiàn)IEC-101遠動數(shù)據(jù)將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化傳輸，數(shù)據(jù)傳輸方式有“明文傳輸”和“密文傳輸”兩種安全配置方案，對兩種方案進行了比較，確定了最佳安全配置方案。

方案1：延續(xù)IEC-101專線明文傳輸方式。不改變IEC-101遠動數(shù)據(jù)原有傳輸方式，只實現(xiàn)單純的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)仍延續(xù)明文傳輸方式，縱向加密裝置僅配置明通策略。

方案2：借鑒IEC-104網(wǎng)絡(luò)密文傳輸方式。改變IEC-101遠動數(shù)據(jù)原有傳輸方式，在網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)幕A(chǔ)上，借鑒IEC-104網(wǎng)絡(luò)密文傳輸方式實現(xiàn)加密傳輸，縱向加密裝置配置密通策略。

方案1延續(xù)明文傳輸方式，縱向加密裝置僅配置明通策略，設(shè)備調(diào)試簡單，數(shù)據(jù)處理效率高，但會對調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)引入新的網(wǎng)絡(luò)安全風險，因此不選擇本方案。

方案2借鑒IEC-104網(wǎng)絡(luò)密文傳輸方式采用加密傳輸，縱向加密裝置需配置密通策略，設(shè)備調(diào)試復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理效率有所降低，但IEC-101遠動數(shù)據(jù)通信量少，數(shù)據(jù)處理效率降低影響甚微，鑒于本方案不會為調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)引入新的網(wǎng)絡(luò)安全風險，故選擇此方案。

結(jié)論：方案2“借鑒IEC-104網(wǎng)絡(luò)密文傳輸方式”為最佳安全配置方案。

2.5 選擇業(yè)務(wù)割接方案

業(yè)務(wù)割接是IEC-101數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸?shù)淖詈笠粋€必要環(huán)節(jié)，業(yè)務(wù)割接的關(guān)鍵點在于遠動通信管理機與串口通信服務(wù)器之間連接線及接口的重新連接。

為此，基于“新布放制作轉(zhuǎn)接線纜”和“改造利舊原通信線纜”兩種方案進行了比較和選擇。

方案1：新布放制作轉(zhuǎn)接線纜。重新布放遠動通信管理機與串口通信服務(wù)器之間的通信線纜，按照兩端接口標準制作線纜接頭，線纜測試成功后，在遠動通信管理機側(cè)替換插入原通信接口，在串口通信服務(wù)器側(cè)直接接入規(guī)劃的通信接口。

方案2：改造利舊原通信線纜。利舊原來布放的通信線纜，按照串口通信服務(wù)器側(cè)的接口標準重新制作原RS-232配線架側(cè)的通信接頭，接頭測試成功后，直接接入規(guī)劃的通信接口，遠動通信管理機側(cè)的接口保持不變。

方案1線纜布放、接頭制作等前期準備時間長，但線纜布放完畢后即可直接投入使用，可同時完成主調(diào)、備調(diào)IEC-101業(yè)務(wù)的接入，對已運行的IEC-101業(yè)務(wù)影響小，中斷時間短，故選擇此方案。

方案2利舊原通信線纜，只需重新制作串口通信服務(wù)器側(cè)的通信接頭，業(yè)務(wù)割接工作量少，但是因制作通信接頭比較耗時，制作期間已運行的IEC-101業(yè)務(wù)處于中斷狀態(tài)，中斷時間長，故不選擇此方案。

結(jié)論：方案1“新布放制作轉(zhuǎn)接線纜”為最佳業(yè)務(wù)割接方案。

3 結(jié)果與分析

IEC-101遠動數(shù)據(jù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化傳輸后，對傳輸過程中經(jīng)過的通信設(shè)備和專線(RS-232)斷點數(shù)量再次進行了調(diào)查和統(tǒng)計。專線通信斷點數(shù)量如圖1所示。

圖1 專線通信斷點數(shù)量

通過本次研究，實現(xiàn)了IEC-101遠動數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，僅變電站側(cè)遠動通信管理機與串口通信服務(wù)器之間的傳輸方式為專線傳輸，其余與調(diào)度主站的通信環(huán)節(jié)均為網(wǎng)絡(luò)化傳輸，專線傳輸斷點數(shù)量縮減為了1個。

同時，有效利用了遠動通信管理機的IEC-101專線通信接口資源，充分發(fā)揮IEC-101專線通信成熟穩(wěn)定優(yōu)勢，解決IEC-101專線通信傳輸速度慢、通道誤碼高、數(shù)據(jù)無法加密、故障定位困難等問題，繼續(xù)保持了主調(diào)系統(tǒng)“IEC-104+IEC-101”雙協(xié)議、雙通道接入方式，同步實現(xiàn)備調(diào)系統(tǒng)“IEC-104+IEC-101”雙協(xié)議、雙通道接入，能真正意義上實現(xiàn)了備調(diào)系統(tǒng)廠站的全接入。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于IEC-101遠動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化傳輸方式，既可滿足安全防護的要求，又可結(jié)合雙規(guī)約的共同優(yōu)點進行遠動數(shù)據(jù)的可靠傳輸，同時也可實現(xiàn)備調(diào)系統(tǒng)“IEC-101+IEC-104”方式的雙通道接入，滿足了備調(diào)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)冗余性需求。通過試驗取得了令人滿意的效果。

本文的工作還存在一定不足，下一步包括實現(xiàn)站端自動化設(shè)備控制口的集中接入管理等工作。