配電自動(dòng)化時(shí)代：智能系統(tǒng)安全嗎？

是的，您可能認(rèn)為當(dāng)今世界是智能手機(jī)/平板電腦的天下。但我們周圍的“智能”裝置比您想象的更多。比如說帶有智能電表的智能電網(wǎng)。供電公司每天都會(huì)在某個(gè)區(qū)域的住宅安裝嶄新的智能電表，并鼓勵(lì)我們掌控我們的能源未來。我們能夠通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和報(bào)告耗電量，并且簽署有利于節(jié)省電費(fèi)的合約，比如分時(shí)計(jì)價(jià)。但管理全部這些裝置、分布式“智能”數(shù)據(jù)卻是業(yè)內(nèi)面臨的最新挑戰(zhàn)之一。智能手機(jī)和平板電腦背后需要大量的計(jì)算能力，即所謂的“云”。同樣智能電表和智能電網(wǎng)背后也需要有效的基礎(chǔ)設(shè)施來訪問收集的數(shù)據(jù)，以及優(yōu)化能源供給。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)持續(xù)重大發(fā)展，為能源配送自動(dòng)化起著作用。

配電自動(dòng)化時(shí)代的來臨

配電自動(dòng)化現(xiàn)在并不是一個(gè)新事物，自上世紀(jì)60年代以來，將計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)的愿景曾吸引了電力行業(yè)的大量眼球。然而，直到最近，這樣做的現(xiàn)實(shí)利益還受到質(zhì)疑。發(fā)達(dá)國家的電網(wǎng)非?？煽?，有人就問為什么要冒著系統(tǒng)可靠性的風(fēng)險(xiǎn)添加附加控制系統(tǒng)？“智能”系統(tǒng)？現(xiàn)實(shí)利益是什么？誠然，光是理論上的好處是很難判斷投入是值得的。

然而，在2013年，供電公司面臨的世界則完全不同。老化的電網(wǎng)及其效率(或無效率)和環(huán)境因素現(xiàn)在全部促使供電公司增強(qiáng)控制和性能，邁向配電自動(dòng)化。在美國，變壓器的平均使用時(shí)間已經(jīng)達(dá)到40年，與變壓器的建議工作年限相當(dāng)；電力基礎(chǔ)設(shè)施需要更新?lián)Q代。2012年7月發(fā)生在印度的大面積停電影響到6.8億居民，而當(dāng)時(shí)印度已經(jīng)不能滿足日常高峰期的用電需求，并希望在接下來5年內(nèi)將供電容量提高45%。

全球范圍許多國家的可再生能源配額制(RPS)體現(xiàn)了高效率和分布式發(fā)電的國際驅(qū)動(dòng)力?，F(xiàn)在，美國50個(gè)州中的30個(gè)州1要求可再生能源占據(jù)電力的一定百分比，例如風(fēng)力和太陽能。加利福尼亞州要求到2020年要有33%的電力來自于可再生能源2。歐盟2020年目標(biāo)3則要求到2020年有20%的電力來自于可再生能源，同時(shí)能源效率提高20%，據(jù)推測將降低總體能耗。中國2005年通過的可再生能源法也規(guī)定了類似的條款，并在中長期發(fā)展規(guī)劃中增加了相關(guān)條例。4

現(xiàn)在，配電自動(dòng)化被認(rèn)為是“電網(wǎng)智能控制功能向配電方向的延伸和超越...可通過智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。”配電自動(dòng)化的優(yōu)勢被廣泛接受，但并沒有使成功實(shí)現(xiàn)或可靠性變得簡單，這些是大范圍廣泛應(yīng)用的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化面臨的挑戰(zhàn)

過去的電力公司現(xiàn)在分成了發(fā)電和配電公司，雙方都紛紛在配電網(wǎng)上安裝智能電表，以及更改基礎(chǔ)設(shè)施。管理分布如此廣泛的設(shè)施面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？MaximIntegrated認(rèn)為有三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域需要注意，并且這些領(lǐng)域也是電網(wǎng)供應(yīng)商的機(jī)遇：資產(chǎn)保護(hù)、電網(wǎng)安全和資產(chǎn)管理。我們對(duì)這些領(lǐng)域分別進(jìn)行簡要討論。

資產(chǎn)保護(hù)

資產(chǎn)保護(hù)意味著供電公司必須投入高性能元件，可靠監(jiān)測電網(wǎng)以及保護(hù)其高成本資產(chǎn)。通過保護(hù)所有資產(chǎn)，供電公司的總體投資將提供長時(shí)間有效服務(wù)。

配電自動(dòng)化設(shè)備的投資數(shù)額巨大，一個(gè)變電站的自動(dòng)化升級(jí)成本為1000萬至2000萬美元。6所以，如果沒有長遠(yuǎn)的項(xiàng)目目標(biāo)及深入論證，現(xiàn)代化的供電公司不會(huì)開始大型升級(jí)項(xiàng)目，而項(xiàng)目的成本往往會(huì)引起費(fèi)率調(diào)整，以覆蓋項(xiàng)目成本。這正是高質(zhì)量半導(dǎo)體傳感器以及優(yōu)化器件如此重要的原因。這些器件將確保電網(wǎng)正常運(yùn)行，從而為供電公司的投資提供最有效的保護(hù)。

所有并網(wǎng)裝置的核心是模擬信號(hào)鏈。配電網(wǎng)中的每個(gè)裝置都需要進(jìn)行電測量。最簡單的并網(wǎng)裝置僅測量電流，而最復(fù)雜的繼電器則執(zhí)行全部四象限測量，獲得多次諧波。該信號(hào)鏈(圖1)7通常包括電壓或電流變壓器、運(yùn)算放大器、電壓基準(zhǔn)，以及用于實(shí)際電測量的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。隔離及直流/直流轉(zhuǎn)換器提供必要的保護(hù)及系統(tǒng)工作電源。

圖1：智能電網(wǎng)方案的核心——信號(hào)鏈中的關(guān)鍵器件。

作為信號(hào)鏈核心的ADC必須提供配電自動(dòng)化所需的最佳性能。MAX11040K具有24位分辨率和高達(dá)64ksps的采樣率，具備所要求的高性能。這款4通道ADC同時(shí)采樣多個(gè)通道，防止線路之間的任何同步誤差。多片MAX11040K可級(jí)聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)最高32通道采樣。

大多數(shù)半導(dǎo)體公司采用簡單的信號(hào)鏈方框圖展示其配電自動(dòng)化領(lǐng)域的知識(shí)，而這種演示是不夠的。智能電網(wǎng)所需設(shè)備的多樣性要求對(duì)每個(gè)元件及產(chǎn)品具有深入的了解。從相量測量單元到電容組控制器，每個(gè)系統(tǒng)的精度和定時(shí)要求區(qū)別很大，要求器件具有相當(dāng)?shù)男阅苤笜?biāo)。

安全

由于所有配電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施都必須能夠預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊，所以電網(wǎng)及其數(shù)據(jù)的安全性至關(guān)重要。

安全性是當(dāng)今先進(jìn)配電系統(tǒng)中討論最多的話題。討論往往集中在網(wǎng)絡(luò)安全和加密，盡管加密非常重要，但并不是現(xiàn)代化的靈丹妙藥。系統(tǒng)安全方案利用高級(jí)物理安全實(shí)現(xiàn)無可比擬的低成本IP保護(hù)、預(yù)防克隆以及外設(shè)安全認(rèn)證。8雙向安全認(rèn)證、多層加密和物理篡改檢測全部預(yù)防電網(wǎng)遭受網(wǎng)絡(luò)威脅：硬件、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

在保護(hù)硬件時(shí)，安全策略考慮從制造到安裝直至銷毀的整個(gè)產(chǎn)品生命周期。必須組合采用安全硬件和安全保護(hù)方案。防止制造合作伙伴訪問私匙或者防止開發(fā)攻擊系統(tǒng)的途徑非常重要。2012年初期波多黎各曾發(fā)生完全違反保密協(xié)議的事件，完全破壞了當(dāng)?shù)匦虏渴鸬碾娋W(wǎng)。安裝期間，必須對(duì)安全資產(chǎn)實(shí)行嚴(yán)格認(rèn)證，最好是雙向認(rèn)證，以及質(zhì)詢和應(yīng)答，以確保合法性。這樣的相互認(rèn)證將確認(rèn)無論是裝置還是軟件在制造期間未經(jīng)篡改，尤其是處在第三方承包商時(shí)。工作期間，需要采用物理安全確保系統(tǒng)不容易被篡改。為防止通過攔截、更改，或者利用能夠打開或關(guān)斷電力的通信消息進(jìn)行篡改，也必須采用多層加密。

MAXQ1050微控制器把所有這些安全特性集成進(jìn)去以確保生命周期安全。通過了防止植入不良軟件以及防止惡意克隆和刪除已裝載的軟件等方面的安全認(rèn)證。具有多層對(duì)稱及非對(duì)稱加密數(shù)據(jù)保護(hù)，內(nèi)置密匙發(fā)生器保護(hù)密匙。防引腳篡改及其它物理層面的密匙機(jī)械保護(hù)，防止通過熱以及其它的途徑刪除安全密匙和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理包括跟蹤資產(chǎn)的簡單和復(fù)雜方法，時(shí)刻了解現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)。對(duì)于確保性能和監(jiān)測維護(hù)，這樣的管理是非常寶貴的。

以一個(gè)簡單場景為例，很容易理解戰(zhàn)略性的資產(chǎn)管理。在一場暴風(fēng)雨中，電網(wǎng)上的許多點(diǎn)發(fā)生了斷電。來自于不同供電公司的人員被召集在一起，幫助維修，“點(diǎn)亮燈光”的精神戰(zhàn)勝了天氣。線路得到了維修，設(shè)備得到了更換，又重新恢復(fù)了供電。這一切都很快。然而，危機(jī)結(jié)束時(shí)，供電公司并不完全了解以及緊密跟蹤現(xiàn)場工作的資產(chǎn)?？紤]到設(shè)備成本以及保證分布式資源及供電安全的需求，先進(jìn)的電網(wǎng)不能容忍未知或不合適的資產(chǎn)在現(xiàn)場工作。

戰(zhàn)略資產(chǎn)管理要求完全從上至下部署、安全認(rèn)證以及跟蹤電網(wǎng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的全部過程、軟件以及系統(tǒng)。安全認(rèn)證為重中之重。嵌入式安全認(rèn)證是設(shè)備自我識(shí)別的基本過程，因此必須作為系統(tǒng)的一部分進(jìn)行了解，以便于跟蹤和管理。8對(duì)于小額投資，可使用簡單的硅器件唯一識(shí)別配電網(wǎng)上的設(shè)備，包括線傳感器到變壓器再到重合器控制器。唯一質(zhì)詢/應(yīng)答識(shí)別允許跟蹤每件設(shè)備，并通過供電公司的AMI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在這點(diǎn)上，安全性與報(bào)告資產(chǎn)識(shí)別、位置、工作狀態(tài)、最新維護(hù)數(shù)據(jù)或其他各種報(bào)告功能是相一致的。

對(duì)于我們的意義和指導(dǎo)性

現(xiàn)代化的供電公司過去曾經(jīng)是具有豐富電力電子經(jīng)驗(yàn)的發(fā)電和配電公司?，F(xiàn)在，隨著供電公司將復(fù)雜的IT工作與多層復(fù)雜的設(shè)備及資源和數(shù)據(jù)管理集成在一起，情況發(fā)生了天翻地覆的變化。當(dāng)電力公司購買新設(shè)備以更新其基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，需要在整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)從下至上構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施的新裝置和安全算法。這些電網(wǎng)裝置需要的不僅僅是以太網(wǎng)和簡單加密，而是必須配備可靠的保護(hù)、管理和安全功能。

智能電網(wǎng)往往被描述為電網(wǎng)上鋪天蓋地的電能測量和通信。這種定義過于簡單。智能電網(wǎng)應(yīng)該集成安全硬件和智能電能管理軟件。電網(wǎng)需要先進(jìn)的檢測和通信能力，以形成可靠、有效、安全的供電系統(tǒng)，提高系統(tǒng)效率和支持分布式資源的能力。屆時(shí)，我們將大范圍實(shí)現(xiàn)高效率的配電自動(dòng)化。