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特高压直流输电系统换流站网络安全研究

发表时间：2020/7/14 来源：《基层建设》2020年第6期作者：郝成龙1 李琪2

[导读] 摘要：近年来，随着直流输电电压等级的不断提高，直流换流站中电力设备在数量和容量上不断增加，导致换流站网络安全问题日益突出，对电力系统的平稳运行带来了严峻挑战。

        1.国网山西检修公司山西太原 030000
        2.国网山西输电检修公司山西太原 030000
        摘要：近年来，随着直流输电电压等级的不断提高，直流换流站中电力设备在数量和容量上不断增加，导致换流站网络安全问题日益突出，对电力系统的平稳运行带来了严峻挑战。近期国家电网公司、南方电网公司相继出台各种文件，强调换流站网络安全重要性以及对存在的风险隐患进行多轮次排查。面对当前严峻的电力系统网络安全形势，换流站作为电力系统行业的重要核心支柱急需加强网络安全防护，打造晴朗的换流站网络空间，筑起积极主动、攻防兼备、可管可控的换流站网络安全屏障势在必行。
        关键词：特高压；直流输电系统；换流站；网络安全
        引言
        随着国民经济的快速增长，国内用电需求大幅增加，而国内自然条件、能源以及负荷中心的分布使得远距离、大容量、低损耗的电力传输成为必然，特高压直流输电技术正好迎合这一需求。本文介绍了特高压直流输电系统中换流站当前面临的网络安全风险与挑战，并提出了对应的解决方案。这为净化换流站网络空间，夯实换流站网络安全监管，从根本上解决换流站网络安全所存在的风险隐患提供了重要指导。
        1柔直换流站与变电站、直流换流站区别
        柔直换流站与变电站、直流换流站区别主要涉及到以下方面内容:现阶段，柔直换流站相较于变电站、传统直流换流站应用范围小、投运数量少、认知相对浅薄。变电站是以交流电的形式对电压和电流进行变换，接受电能及分配电能的场所，主要包括变压器、高压断路器、隔离开关、母线、避雷器、电容器、电抗器等，应用最为广泛，但其交流特性致使输送容量受限、故障损失较大、电能质量要求较高，不利于跨区域、大容量输送电能。传统直流换流站利用直流输电技术，可大容量、远距离输送电能，较交流线路造价低、损耗小，故障时能限制系统的短路电流。传统直流换流站主要包括晶闸管换流阀、换流变压器、交流开关、平波电抗器、交流滤波器、无功补偿设备等。由于设备众多，占地面积较大，造价较高，现阶段主要用于远距离输电、电网间互联。柔直换流站利用柔性直流输电技术，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。柔直换流站较传统换流站换流阀为电压源换流器（VSC），其用可关断器件（通常为IGBT）代替传统晶闸管，其是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，驱动功率小而饱和压降低。
        2换流站常见网络安全隐患
        2.1网络病毒
        换流站常见网络安全隐患之一是网络病毒。网络病毒是电力系统网络运维过程中最为常见的问题。常见的网络病毒主要有木马病毒、蠕虫病毒和后门病毒等，都具有传播速度快，扩散面广，传播形式趋于复杂，清除更加困难等特征。工作人员将自己的笔记本电脑接入换流站网络进行调试，或者未使用换流站专用移动存储盘工作等，一旦站内某台计算机感染病毒，就会通过网络迅速扩散，对换流站整个网络及其计算机造成极大冲击，严重时会对逆变侧换流站网络架构与计算机造成极大损害。
        2.2信息化网络安全体系不健全
        换流站常见网络安全隐患之二是信息化网络安全体系不健全。随着电力系统的自动化程度不断深入推进，严格管控电力网络安全制度规范化，不断创新完善网络安全防护制度清晰化已迫在眉睫，这样才能从根本上提升电力系统网络安全。就当前情况而言，换流站的日常运维中仍然对网络安全体系建设不够重视和完善，很大程度上对换流站整体网络架构产生极大隐患。

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由于缺乏科学的、系统的网络安全体系，使得在日常运维中容易出现大漏洞。
        3换流站网络安全防范措施
        3.1使用防病毒系统和专用设备
        换流站网络安全防范措施之一是使用防病毒系统和专用设备。在换流站，任何信息的交互大多采用了计算机，而更多的装置采用了嵌入式系统，在调试期间需接入外部计算机设备进行调试，同时为了数据及其配置备份，需要用到外部移动存储器。在此工作期间必须使用专用调试计算机和移动存储设备，严防带病毒存储设备或者将调试计算机接入外部互联网，从根源上确保换流站整个体系设备均不被网络病毒进行感染和攻击。
        3.2完善网络安全体系建设
        换流站网络安全防范措施之二是完善网络安全体系建设。近年来，随着电力市场化进程的加快，完善电力系统网络安全体系进程刻不容缓。换流站安全系统的建设包括了网络防火墙、入侵检测、漏洞扫描、计算机防病毒、纵向加密等在内的安全系统。首先，安全管理建设与安全策略建设密不可分，有必要建立集中式、全方位、动态的安全管理中心，使其与整体安全有关的各项安全技术和产品捏合在一个规范的、集体的、集中的安全平台上。其次，安全策略实现电子化和自动化管理，遵循均衡、动态和立体性的原则。
        3.3利用直流断路器实现孤岛换流站在线并网机理
        换流站网络安全防范措施之三是利用直流断路器实现孤岛换流站在线并网机理。基于半桥子模块拓扑的MMC由三相六桥臂构成，每相均包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块以及桥臂电抗器Larm串联构成。孤岛换流站无交流侧充电电源，只能通过直流断路器实现换流器的安全可靠并网。直流断路器中主支路由快速机械开关和电力电子开关构成，转移支路只含电力电子开关，耗能支路则由避雷器串联组成。当直流断路器处于断开状态时，主支路、转移支路均处于断开状态，避雷器全部投入。由于耗能支路避雷器的1mA参考电压大于直流侧额定运行电压，因而孤岛换流站无电流注入。当换流站需要启动时，首先合闸其中一级转移支路，合闸完成后该级的耗能支路被旁路，直流断路器只剩下四级避雷器串联，1mA参考电压降低为原来的4/5，低于额定直流电压，避雷器动作对孤岛换流站子模块电容充电；当子模块电容电压达到一定程度后，直流断路器两侧的电压差降低至避雷器参考电压之下，需要再次合闸一级转移支路，从而继续为子模块电容充电。不断重复上述过程，直至直流断路器转移支路全部合闸为止。当直流断路器分级合闸完成后，孤岛换流站开始进行直流侧主动充电，直至子模块电容电压达到额定运行值，孤岛换流站启动
        3.4有效应用字符分割技术
        换流站网络安全防范措施之四是有效应用字符分割技术。由于换流站中心显示屏上的主要信息刨除边框后，主要由英文字母、数字、汉字组成，且每个字符长宽高都有相应的规格，本文根据这一特征采用垂直投影法对换流站中心显示屏图像字符实现字符分割。假设对换流站中心显示屏图像进行分割后出现n个区域，根据所采取的垂直投影法从左向右依次检测n个区域的投影数值，在检测过程中，当出现第i个投影数值不为零时，则该像素点设定为第i个区域的左边界，当出现第i个投影数值为零时，则该像素点设定为第i个区域的右边界。
        结语
        综上所述，电力系统关系到国计民生，而换流站作为电力系统稳定可靠运行的压舱石，必须要有较高的安全需求。本文介绍了换流站常见网络安全隐患，并提出了换流站网络安全防范措施。
        参考文献
        [1]梁晓.国家电网电力系统计算机网络信息安全的防护研究[J].通讯世界，2018，（1）：247.
        [2]刘媛媛，李静.电力系统计算机网络信息安全防护研究[J].电子技术与软件工程，2013，（18）：240.