CN1801574A - Iec 61850标准下基于神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法 - Google Patents

Abstract

一种IEC 61850标准下基于人工神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法，它利用数字式互感器采集电流、电压数据并用通信网络传输电流、电压瞬时采样数据的变电站中，当继电保护根据由网络接收到的数据判断电网发生故障并输出断路器动作信号到变电站过程控制器的时候，由过程控制器收集站内所有线路和母线的电流、电压数据并输入到人工神经网络中进行模式匹配，判断变电站的电流、电压数据是否与已知的故障模式相匹配，以闭锁因继电保护接收到错误数据误动所发出的高压断路器动作信号。本发明可提高IEC 61850标准下的变电站自动化系统信息安全防护能力，防止继电保护因为接收到错误的电流、电压数据误动对电网安全稳定运行带来的危害。

Description

IEC 61850标准下基于神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法

技术领域

本发明涉及变电站自动化技术，属电力系统保护控制领域。

背景技术

90年代中期以来，变电站自动化系统随着计算机和网络通信技术的发展取得了实质性的进展，出现了使用网络技术，如Ethernet、Lon Works(LocalOperation Network)、CAN(Control Area Network)等替代控制电缆的趋势。近年来研制成功的数字式互感器可以将采集得到的瞬时电流、电压信号通过数字输出口以指定帧格式封装并传送给变电站的二次计量和保护设备。通过网络传输数字式互感器采集的电流、电压信号可使变电站自动化系统中的测量和保护部分实现数据完全共享，从而简化现场接线和二次设备，降低成本，也为实现变电站监视、计量、控制和继电保护的信息共享与系统集成提供了技术基础。由于数字信号在传输过程中不易受干扰，这种方式也有利于提高系统的准确度、可靠性以及继电保护的快速性、选择性和可靠性。

为了规范和推动网络通信技术在变电站自动化系统中的广泛应用，国际电工委员会(IEC)制定了针对变电站自动化系统通信网络的IEC 61850标准，对变电站通信网络和系统的功能、模型、接口乃至于通信网络的工程管理与验收测试进行了定义和规范。与传统继电保护直接通过电缆采集电流电压信号并输出断路器动作信号控制断路器动作隔离故障不同的是，在IEC 61850标准下，继电保护将根据由通信网络从数字式互感器收集到的瞬时电流、电压采样数据来判断电网是否发生故障，并在检测到故障时通过通信网络发送断路器动作信号给过程控制器，然后才由过程控制器控制断路器动作隔离故障。

随着网络通信技术在电力系统中的广泛应用，通过变电站内局域网传输的电压、电流采样数据开始面临信息安全的问题。如非法用户侵入变电站自动化通信网络并向继电保护发送错误的电流、电压数据，就可能导致继电保护误动。IEC 61850标准中利用用户分组授权和数据加密来实现信息安全防护，这些措施可以在一定程度上提高网络非法入侵的难度，降低其对电网的危害程度，但同时也都有其明显不足。通过用户分组授权可以增加非法用户侵入网络并非法使用网络资源的难度，却不能防止内部合法用户非法使用网络资源，也不能完全避免非法用户的入侵；通信加密技术可以有效减少系统安全漏洞带来的安全问题，但复杂的加密算法需要较长的加密、解密时间，难以保证继电保护快速动作；其次，当网络通信服务质量(QoS)变差时，加密、解密行为可能因身份认证、密码分发等环节发生错误而失败，无法保证电流、电压采样数据的完整性和正确性。虽然采用物理隔离的专用通信网络可以避免攻击者从外部入侵，但由于变电站自动化系统中有很多不同的应用需要和调度中心进行通信，因此，各变电站的内部网络可通过调度中心的联系构成一个庞大的网络。如果该网络中有个别计算机存在安全漏洞，非法用户就能侵入到与调度中心相连的各个变电站通信网络进而危害到变电站自动化系统的信息安全。美国电科院进行的一项调查即表明，美国各大电网已发生数十起经由通信网络非法入侵并在发、输、配电系统中通过远程开启油库阀门、控制断路器操作及调整锅炉系统的阀门并造成危害的案例，其中部分案例甚至导致电厂停机及配电网停电事故，因此，变电站自动化系统的信息安全防护是一个亟待解决的现实问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对变电站自动化系统现有信息安全防护方法普遍存在的缺陷，提出一种IEC 61850标准下基于人工神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法，它依据电网发生短路故障时电流、电压及其故障特征分量的分布特点，利用人工神经网络对故障数据与已知故障数据进行模式匹配以识别虚假故障，提高变电站自动化系统信息安全防护能力，防止继电保护因接收到错误的数据误动对电网安全稳定运行造成的危害。

本发明所采用的技术方案是：在利用数字式互感器采集电流、电压数据并用网络传输数据的变电站中，当继电保护根据由网络接收到的数据判断电网故障并输出动作出口信号到过程控制器时，由过程控制器通过变电站网络收集站内所有线路和母线的电流、电压数据，并将其输入到经过训练的人工神经网络中，然后用该神经网络进行模式匹配，判断变电站的电流、电压数据是否与已知的真实故障数据的模式相匹配，如能与已有故障模式匹配，则由过程控制器控制断路器动作，否则闭锁断路器动作信号，防止因继电保护接受到错误的电流、电压数据误动对电网安全稳定运行造成的危害。

本发明中，所述人工神经网络输入层为变电站内各线路、母线的电流、电压数字信号，并采用仿真得到的真实和虚假故障数据训练网络。真实故障数据是利用EMTP暂态仿真程序仿真得到的变电站所在电网在不同运行方式下、在变电站不同地点发生不同类型故障(单相接地、相间短路、相间接地短路、三相短路等)时变电站内各线路和母线的电流、电压数据。虚假故障数据是在电网不同季节的各种正常运行数据基础上生成的，其生成的前提是假定网络非法入侵者控制了一个数字式传感器并假定其输出虚假的单相或三相电流数据。虚假故障数据的生成方法是在仿真得到的各种正常运行方式的变电站线路和母线电流、电压数据基础上，逐个将变电站内各线路单相或三相电流增大8倍。过程控制器将变电站内电流、电压数据输入到神经网络后，如人工神经网络判断为真实故障则由过程控制器发出断路器动作信号，控制断路器动作，否则闭锁断路器动作信号，以防止继电保护由于接收到错误数据误动而破坏电网安全稳定运行。

以下对本发明的工作原理做出进一步说明。

人们知道，电网中发生故障时，故障点及其相邻线路、变压器会流过较大的故障电流，同时故障点附近的电压将会降低。对变电站而言，如其连接的线路发生短路故障，则故障线路流过的电流会有较大增长，并使得所连接母线之电压降低。整个变电站的母线电压和线路电流数据应按其所在电网运行方式、故障地点与故障类型的不同而服从特定的模式，这一特性可以用来检测继电保护发出的断路器动作信号是不是由于接收到错误的电流、电压采样数据造成的。当继电保护检测到故障并向过程控制器发出断路器动作信号时，过程控制器可通过判断整个变电站的电流、电压测量值是否与该变电站各种已知故障模式相匹配来决定是否向断路器发出动作信号，从而避免因继电保护接收到错误的采样数据误动而破坏系统安全稳定运行。

由以上可知，本发明为一种IEC 61850标准下基于人工神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法，它依据电网故障技术特性，利用人工神经网络对故障数据与已知故障数据进行模式匹配以识别虚假故障数据，使变电站自动化系统得到安全防护，由此实现了IEC 61850标准下防止继电保护因为接收到错误的数据信号误动对电网安全稳定运行的危害。

附图说明

图1为IEC 61850标准下变电站自动化系统通信示意图；

图2为人工神经网络的结构示意图；

图3为变电站电流、电压数据采集示意图。

具体实施方式

图1IEC 61850标准下变电站自动化系统通信示意图。该图中：在IEC 61850标准下，继电保护装置通过现场总线通信网从数字式互感器中取得电流电压瞬时测量值；当检测到电网短路故障时，继电保护将通过通信网络向过程控制器发送断路器动作信号，并由过程控制器控制高压断路器动作隔离故障点；

如图2的人工神经网络结构示意图，其中输入节点输入数据为各线路、变压器电流及母线电压；

图3为变电站电流、电压数据采集示意图。该图中：CT 1～CT 6为变电站内各线路安装的电流互感器；PT 1～PT 2为变电站内各母线处安装的电压互感器；Feeder 1～Feeder 3为变电站的3条馈线；其中PT和CT分别采集三相电压和三相电流。

下面以图3所示变电站为例，结合附图1、2来进一步说明本发明的具体实施方式。

对于图3所示有6组电流互感器和2组电压互感器(3相)的变电站，首先要建立如图2所示的用于模式匹配的神经网络，该神经网络输入层有24个输入节点(3×8)和1个输出节点。接下来要用真实和虚假的故障数据对神经网络进行训练。在只考虑变电站的3条馈线发生短路故障的情况下，需要对变电站所在电网的几种运行方式下对3条馈线分别发生单相短路、相间短路、相间接地短路及三相故障进行仿真以产生真实故障数据；然后在电网的几种正常运行方式数据基础上通过将单相或3相电流数据放大8倍以形成虚假故障数据。在真实和虚假故障数据的基础上，可以指定在输入数据为真实故障时要求输出为1，而输入数据为虚假故障时输出为-1，然后利用反向传播算法即可完成神经网络的训练。由此，当图1中继电保护根据通信网络接收到的电流、电压数据判断电网发生短路故障并通过通信网络向过程控制器发送断路器动作信号时，过程控制器可以通过网络接收站内各电流电压互感器数据，并将该数据输入到神经网络中进行模式匹配。如神经网络输出大于0，则表明继电保护检测到的是真实故障，由过程控制器控制断路器动作隔离故障；否则过程控制器闭锁断路器动作信号，以防止继电保护因接收到错误的数据误动给电网造成的危害。

Claims (3)

1、一种IEC 61850标准下基于人工神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法，其特征是，该方法为，在利用数字式互感器采集电流、电压数据并用网络传输数据的变电站中，当继电保护根据由网络接收到的数据判断电网故障并输出动作出口信号到过程控制器时，由过程控制器通过变电站网络收集站内所有线路和母线的电流、电压数据，并将其输入到经过训练的人工神经网络中，然后用该神经网络进行模式匹配，判断变电站的电流、电压数据是否与已知的真实故障数据的模式相匹配，如能与已有故障模式匹配，则由过程控制器控制断路器动作，否则闭锁断路器动作信号，防止因继电保护接受到错误的电流、电压数据误动对电网安全稳定运行造成的危害。

2、根据权利要求1所述IEC 61850标准下基于人工神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法，其特征是，采用真实故障和虚假故障数据训练神经网络，真实故障数据是利用数值仿真得到的变电站所在电网在不同季节的不同运行方式下、在变电站的各处发生不同类型短路故障时变电站内各线路、母线的电流和电压数据；虚假故障数据是在电网各种正常运行方式的变电站内线路和母线的电流、电压数据基础上，逐个将变电站线路的单相或三相电流增大8倍。

3、根据权利要求1所述IEC 61850标准下基于人工神经网络的变电站自动化系统信息安全防护方法，所使用的人工神经网络的输入层为变电站内各电流、电压互感器采集的电流、电压数据。