專利名稱：Iec 61850標(biāo)準(zhǔn)下基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變電站自動化技術(shù)，屬電力系統(tǒng)保護(hù)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
90年代中期以來，變電站自動化系統(tǒng)隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展取得了實質(zhì)性的進(jìn)展，出現(xiàn)了使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如Ethernet、Lon Works(LocalOperation Network)、CAN(Control Area Network)等替代控制電纜的趨勢。近年來研制成功的數(shù)字式互感器可以將采集得到的瞬時電流、電壓信號通過數(shù)字輸出口以指定幀格式封裝并傳送給變電站的二次計量和保護(hù)設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字式互感器采集的電流、電壓信號可使變電站自動化系統(tǒng)中的測量和保護(hù)部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)完全共享，從而簡化現(xiàn)場接線和二次設(shè)備，降低成本，也為實現(xiàn)變電站監(jiān)視、計量、控制和繼電保護(hù)的信息共享與系統(tǒng)集成提供了技術(shù)基礎(chǔ)。由于數(shù)字信號在傳輸過程中不易受干擾，這種方式也有利于提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、可靠性以及繼電保護(hù)的快速性、選擇性和可靠性。
為了規(guī)范和推動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在變電站自動化系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，國際電工委員會(IEC)制定了針對變電站自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，對變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的功能、模型、接口乃至于通信網(wǎng)絡(luò)的工程管理與驗收測試進(jìn)行了定義和規(guī)范。與傳統(tǒng)繼電保護(hù)直接通過電纜采集電流電壓信號并輸出斷路器動作信號控制斷路器動作隔離故障不同的是，在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下，繼電保護(hù)將根據(jù)由通信網(wǎng)絡(luò)從數(shù)字式互感器收集到的瞬時電流、電壓采樣數(shù)據(jù)來判斷電網(wǎng)是否發(fā)生故障，并在檢測到故障時通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送斷路器動作信號給過程控制器，然后才由過程控制器控制斷路器動作隔離故障。
隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，通過變電站內(nèi)局域網(wǎng)傳輸?shù)碾妷?、電流采樣?shù)據(jù)開始面臨信息安全的問題。如非法用戶侵入變電站自動化通信網(wǎng)絡(luò)并向繼電保護(hù)發(fā)送錯誤的電流、電壓數(shù)據(jù)，就可能導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)中利用用戶分組授權(quán)和數(shù)據(jù)加密來實現(xiàn)信息安全防護(hù)，這些措施可以在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)非法入侵的難度，降低其對電網(wǎng)的危害程度，但同時也都有其明顯不足。通過用戶分組授權(quán)可以增加非法用戶侵入網(wǎng)絡(luò)并非法使用網(wǎng)絡(luò)資源的難度，卻不能防止內(nèi)部合法用戶非法使用網(wǎng)絡(luò)資源，也不能完全避免非法用戶的入侵；通信加密技術(shù)可以有效減少系統(tǒng)安全漏洞帶來的安全問題，但復(fù)雜的加密算法需要較長的加密、解密時間，難以保證繼電保護(hù)快速動作；其次，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量(QoS)變差時，加密、解密行為可能因身份認(rèn)證、密碼分發(fā)等環(huán)節(jié)發(fā)生錯誤而失敗，無法保證電流、電壓采樣數(shù)據(jù)的完整性和正確性。雖然采用物理隔離的專用通信網(wǎng)絡(luò)可以避免攻擊者從外部入侵，但由于變電站自動化系統(tǒng)中有很多不同的應(yīng)用需要和調(diào)度中心進(jìn)行通信，因此，各變電站的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可通過調(diào)度中心的聯(lián)系構(gòu)成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)。如果該網(wǎng)絡(luò)中有個別計算機(jī)存在安全漏洞，非法用戶就能侵入到與調(diào)度中心相連的各個變電站通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而危害到變電站自動化系統(tǒng)的信息安全。美國電科院進(jìn)行的一項調(diào)查即表明，美國各大電網(wǎng)已發(fā)生數(shù)十起經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)非法入侵并在發(fā)、輸、配電系統(tǒng)中通過遠(yuǎn)程開啟油庫閥門、控制斷路器操作及調(diào)整鍋爐系統(tǒng)的閥門并造成危害的案例，其中部分案例甚至導(dǎo)致電廠停機(jī)及配電網(wǎng)停電事故，因此，變電站自動化系統(tǒng)的信息安全防護(hù)是一個亟待解決的現(xiàn)實問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對變電站自動化系統(tǒng)現(xiàn)有信息安全防護(hù)方法普遍存在的缺陷，提出一種IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)方法，它依據(jù)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時電流、電壓及其故障特征分量的分布特點，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障數(shù)據(jù)與已知故障數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配以識別虛假故障，提高變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)能力，防止繼電保護(hù)因接收到錯誤的數(shù)據(jù)誤動對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的危害。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是在利用數(shù)字式互感器采集電流、電壓數(shù)據(jù)并用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的變電站中，當(dāng)繼電保護(hù)根據(jù)由網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)判斷電網(wǎng)故障并輸出動作出口信號到過程控制器時，由過程控制器通過變電站網(wǎng)絡(luò)收集站內(nèi)所有線路和母線的電流、電壓數(shù)據(jù)，并將其輸入到經(jīng)過訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，然后用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式匹配，判斷變電站的電流、電壓數(shù)據(jù)是否與已知的真實故障數(shù)據(jù)的模式相匹配，如能與已有故障模式匹配，則由過程控制器控制斷路器動作，否則閉鎖斷路器動作信號，防止因繼電保護(hù)接受到錯誤的電流、電壓數(shù)據(jù)誤動對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的危害。
本發(fā)明中，所述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層為變電站內(nèi)各線路、母線的電流、電壓數(shù)字信號，并采用仿真得到的真實和虛假故障數(shù)據(jù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。真實故障數(shù)據(jù)是利用EMTP暫態(tài)仿真程序仿真得到的變電站所在電網(wǎng)在不同運(yùn)行方式下、在變電站不同地點發(fā)生不同類型故障(單相接地、相間短路、相間接地短路、三相短路等)時變電站內(nèi)各線路和母線的電流、電壓數(shù)據(jù)。虛假故障數(shù)據(jù)是在電網(wǎng)不同季節(jié)的各種正常運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成的，其生成的前提是假定網(wǎng)絡(luò)非法入侵者控制了一個數(shù)字式傳感器并假定其輸出虛假的單相或三相電流數(shù)據(jù)。虛假故障數(shù)據(jù)的生成方法是在仿真得到的各種正常運(yùn)行方式的變電站線路和母線電流、電壓數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，逐個將變電站內(nèi)各線路單相或三相電流增大8倍。過程控制器將變電站內(nèi)電流、電壓數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷為真實故障則由過程控制器發(fā)出斷路器動作信號，控制斷路器動作，否則閉鎖斷路器動作信號，以防止繼電保護(hù)由于接收到錯誤數(shù)據(jù)誤動而破壞電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
以下對本發(fā)明的工作原理做出進(jìn)一步說明。
人們知道，電網(wǎng)中發(fā)生故障時，故障點及其相鄰線路、變壓器會流過較大的故障電流，同時故障點附近的電壓將會降低。對變電站而言，如其連接的線路發(fā)生短路故障，則故障線路流過的電流會有較大增長，并使得所連接母線之電壓降低。整個變電站的母線電壓和線路電流數(shù)據(jù)應(yīng)按其所在電網(wǎng)運(yùn)行方式、故障地點與故障類型的不同而服從特定的模式，這一特性可以用來檢測繼電保護(hù)發(fā)出的斷路器動作信號是不是由于接收到錯誤的電流、電壓采樣數(shù)據(jù)造成的。當(dāng)繼電保護(hù)檢測到故障并向過程控制器發(fā)出斷路器動作信號時，過程控制器可通過判斷整個變電站的電流、電壓測量值是否與該變電站各種已知故障模式相匹配來決定是否向斷路器發(fā)出動作信號，從而避免因繼電保護(hù)接收到錯誤的采樣數(shù)據(jù)誤動而破壞系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
由以上可知，本發(fā)明為一種IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)方法，它依據(jù)電網(wǎng)故障技術(shù)特性，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對故障數(shù)據(jù)與已知故障數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配以識別虛假故障數(shù)據(jù)，使變電站自動化系統(tǒng)得到安全防護(hù)，由此實現(xiàn)了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下防止繼電保護(hù)因為接收到錯誤的數(shù)據(jù)信號誤動對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的危害。
圖1為IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下變電站自動化系統(tǒng)通信示意圖；圖2為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為變電站電流、電壓數(shù)據(jù)采集示意圖。
具體實施例方式
圖1IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下變電站自動化系統(tǒng)通信示意圖。該圖中在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下，繼電保護(hù)裝置通過現(xiàn)場總線通信網(wǎng)從數(shù)字式互感器中取得電流電壓瞬時測量值；當(dāng)檢測到電網(wǎng)短路故障時，繼電保護(hù)將通過通信網(wǎng)絡(luò)向過程控制器發(fā)送斷路器動作信號，并由過程控制器控制高壓斷路器動作隔離故障點；如圖2的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，其中輸入節(jié)點輸入數(shù)據(jù)為各線路、變壓器電流及母線電壓；圖3為變電站電流、電壓數(shù)據(jù)采集示意圖。該圖中CT 1～CT 6為變電站內(nèi)各線路安裝的電流互感器；PT 1～PT 2為變電站內(nèi)各母線處安裝的電壓互感器；Feeder 1～Feeder 3為變電站的3條饋線；其中PT和CT分別采集三相電壓和三相電流。
下面以圖3所示變電站為例，結(jié)合附圖1、2來進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施方式
。
對于圖3所示有6組電流互感器和2組電壓互感器(3相)的變電站，首先要建立如圖2所示的用于模式匹配的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層有24個輸入節(jié)點(3×8)和1個輸出節(jié)點。接下來要用真實和虛假的故障數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。在只考慮變電站的3條饋線發(fā)生短路故障的情況下，需要對變電站所在電網(wǎng)的幾種運(yùn)行方式下對3條饋線分別發(fā)生單相短路、相間短路、相間接地短路及三相故障進(jìn)行仿真以產(chǎn)生真實故障數(shù)據(jù)；然后在電網(wǎng)的幾種正常運(yùn)行方式數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過將單相或3相電流數(shù)據(jù)放大8倍以形成虛假故障數(shù)據(jù)。在真實和虛假故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以指定在輸入數(shù)據(jù)為真實故障時要求輸出為1，而輸入數(shù)據(jù)為虛假故障時輸出為-1，然后利用反向傳播算法即可完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。由此，當(dāng)圖1中繼電保護(hù)根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)接收到的電流、電壓數(shù)據(jù)判斷電網(wǎng)發(fā)生短路故障并通過通信網(wǎng)絡(luò)向過程控制器發(fā)送斷路器動作信號時，過程控制器可以通過網(wǎng)絡(luò)接收站內(nèi)各電流電壓互感器數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行模式匹配。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出大于0，則表明繼電保護(hù)檢測到的是真實故障，由過程控制器控制斷路器動作隔離故障；否則過程控制器閉鎖斷路器動作信號，以防止繼電保護(hù)因接收到錯誤的數(shù)據(jù)誤動給電網(wǎng)造成的危害。
權(quán)利要求
1.一種IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)方法，其特征是，該方法為，在利用數(shù)字式互感器采集電流、電壓數(shù)據(jù)并用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的變電站中，當(dāng)繼電保護(hù)根據(jù)由網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)判斷電網(wǎng)故障并輸出動作出口信號到過程控制器時，由過程控制器通過變電站網(wǎng)絡(luò)收集站內(nèi)所有線路和母線的電流、電壓數(shù)據(jù)，并將其輸入到經(jīng)過訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，然后用該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模式匹配，判斷變電站的電流、電壓數(shù)據(jù)是否與已知的真實故障數(shù)據(jù)的模式相匹配，如能與已有故障模式匹配，則由過程控制器控制斷路器動作，否則閉鎖斷路器動作信號，防止因繼電保護(hù)接受到錯誤的電流、電壓數(shù)據(jù)誤動對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的危害。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)方法，其特征是，采用真實故障和虛假故障數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，真實故障數(shù)據(jù)是利用數(shù)值仿真得到的變電站所在電網(wǎng)在不同季節(jié)的不同運(yùn)行方式下、在變電站的各處發(fā)生不同類型短路故障時變電站內(nèi)各線路、母線的電流和電壓數(shù)據(jù)；虛假故障數(shù)據(jù)是在電網(wǎng)各種正常運(yùn)行方式的變電站內(nèi)線路和母線的電流、電壓數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，逐個將變電站線路的單相或三相電流增大8倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)方法，所使用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層為變電站內(nèi)各電流、電壓互感器采集的電流、電壓數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)方法，它利用數(shù)字式互感器采集電流、電壓數(shù)據(jù)并用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸電流、電壓瞬時采樣數(shù)據(jù)的變電站中，當(dāng)繼電保護(hù)根據(jù)由網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)判斷電網(wǎng)發(fā)生故障并輸出斷路器動作信號到變電站過程控制器的時候，由過程控制器收集站內(nèi)所有線路和母線的電流、電壓數(shù)據(jù)并輸入到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行模式匹配，判斷變電站的電流、電壓數(shù)據(jù)是否與已知的故障模式相匹配，以閉鎖因繼電保護(hù)接收到錯誤數(shù)據(jù)誤動所發(fā)出的高壓斷路器動作信號。本發(fā)明可提高IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)下的變電站自動化系統(tǒng)信息安全防護(hù)能力，防止繼電保護(hù)因為接收到錯誤的電流、電壓數(shù)據(jù)誤動對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的危害。
文檔編號G01R31/08GK1801574SQ20051003258
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者蘇盛, 李繼洸, 段獻(xiàn)忠, 王進(jìn), 李澤文 申請人:長沙理工大學(xué)