馬 軍，虞 躍，劉 昊，劉柃君，那麗丹

（1.國網(wǎng)思極神往位置服務（北京）有限公司，北京 102209；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，秦皇島 066000）

北斗配電終端監(jiān)測平臺利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)解決配網(wǎng)設備的授時、定位和通信問題，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行的全面實時監(jiān)控，實現(xiàn)配網(wǎng)故障快速定位，通過GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）定位故障位置并合理規(guī)劃搶修線路，縮短故障停電時間，加快故障處理速度，提升用戶滿意度和客戶服務水平，切實提高用戶供電可靠性。

秦皇島公司作為國網(wǎng)公司首家試點單位，目前已在河北一線、河北二線、南一線等9條線路，安裝100套北斗終端，將北斗衛(wèi)星通信和智能配電網(wǎng)管理有機結合。公司利用北斗系統(tǒng)無需建設專網(wǎng)基站、無需敷設專用光纜的獨特優(yōu)勢，以及無可比擬的信息安全性，‘精確定位'‘精準對時'‘短報文通訊'等功能，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)實時更新、配電網(wǎng)故障遠程監(jiān)控，形成了具有切實推廣性的技術成果，為北斗衛(wèi)星系統(tǒng)融入電網(wǎng)管控領域提供了寶貴經(jīng)驗。

現(xiàn)為北斗配電終端監(jiān)測平臺最終能夠接入管理信息大區(qū)，并在管理信息大區(qū)內與配電自動化系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互而編寫本文。本文從各個方面對北斗配電終端監(jiān)測平臺接入管理信息大區(qū)提供了安全防護方案，并對報文規(guī)約上的轉化做了一些理論上的論述。

1 平臺功能

基于北斗的配電終端監(jiān)測平臺設計主要包括在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、綜合分析、檔案管理、指標維護、系統(tǒng)管理等幾大模塊，各個模塊通過嚴謹?shù)南到y(tǒng)框架和靈活的數(shù)據(jù)結構有機結合為一個整體。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。數(shù)據(jù)支撐層的作用是接收系統(tǒng)底層采集到的原始通信數(shù)據(jù)并解析處理，以及提供數(shù)據(jù)處理必需的基礎數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)層用于將處理后的業(yè)務數(shù)據(jù)按照關系數(shù)據(jù)庫設計原則有序存儲至數(shù)據(jù)庫；應用層主要負責調用有效的數(shù)據(jù)庫資源，由JSP、Servlet等生成動態(tài)web頁面，在頁面上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的展示和交互邏輯；最終用戶通過與系統(tǒng)處于同一網(wǎng)絡的任意位置的顯示終端的web頁面與系統(tǒng)進行直接交互。系統(tǒng)設計實現(xiàn)的技術路線遵循Java EE技術體系，采用組件化、動態(tài)化的軟件技術，利用一致的可共享的數(shù)據(jù)模型，按照展現(xiàn)層、應用邏輯層、業(yè)務邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層實現(xiàn)多層技術體系設計，通過一體化企業(yè)級平臺的應用集成，實現(xiàn)平臺的各接口組件能夠在企業(yè)內的協(xié)同工作、各層次上集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和重用，以滿足不同層次的業(yè)務需求。

2 總體部署結構

北斗配電終端監(jiān)測平臺系統(tǒng)包括配電監(jiān)測終端、北斗通信模塊、北斗數(shù)傳終端、北斗指揮機、北斗通信前置、北斗指揮型用戶級、GIS服務器、數(shù)據(jù)庫服務器和應用服務器等。數(shù)據(jù)從北斗通信前置出來后，經(jīng)隔離裝置接入管理信息大區(qū)。北斗配電終端監(jiān)測平臺總體部署結構如圖2所示，以秦皇島公司為單位進行建設（北斗指揮機部署于秦皇島公司）。

3 防護方案

3.1 安全保護等級

北斗配電終端監(jiān)測平臺可承載多種配電監(jiān)測終端，系統(tǒng)遭受攻擊后業(yè)務數(shù)據(jù)丟失、泄露、破壞可能造成業(yè)務敏感信息泄露或業(yè)務數(shù)據(jù)采集失敗，對公司業(yè)務系統(tǒng)造成嚴重損害，對社會秩序、公共利益造成一般損害；系統(tǒng)服務不可用可能造成相關電力業(yè)務的正常運行，對公司業(yè)務系統(tǒng)造成嚴重損害，會對社會秩序、公共利益造成嚴重損害。依據(jù)GB/T 22240-2008《信息系統(tǒng)安全等級保護定級指南》和公司《關于深化管理信息系統(tǒng)安全等級保護定級與備案相關工作的通知》（信息運安[2010]116號），參照公司現(xiàn)有電力無線專網(wǎng)定級情況，北北斗配電終端監(jiān)測平臺的業(yè)務信息安全保護等級（S）定為二級，系統(tǒng)服務安全保護等級（A）定級為三級，整體安全保護等級定為三級（S2A3G3）。

圖1 北斗配電終端監(jiān)測平臺總體框架圖

圖2 部署結構圖

表1 業(yè)務信息安全保護等級矩陣表（S）

表2 系統(tǒng)服務安全保護等級矩陣表（A）

公民、法人和其他組織的合法權益 第一級 第二級 第二級社會秩序、公共利益 第二級 第三級 第四級國家安全 第三級 第四級 第五級

3.2 接入防護方案

北斗配電終端監(jiān)測平臺安全防護涉及終端接入安全、通道傳輸安全、北斗通信設備安全以及內部網(wǎng)絡邊界安全等方面，針對上述主要風險，采取“終端集成與綁定、北斗終端接入過濾、關無用端口服務、業(yè)務終端至業(yè)務主站加密認證、內部邊界強隔離、加強北斗通信卡管控”的多業(yè)務接入整體安全策略，系統(tǒng)安全防護框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)安全防護框架

3.2.1 網(wǎng)絡通道安全

本方案主要防護的網(wǎng)絡通道為北斗衛(wèi)星通道、信息內網(wǎng)網(wǎng)絡通道，信息內網(wǎng)網(wǎng)絡通道由秦皇島公司負責安全管理。北斗衛(wèi)星通道由軍方提供，存在通道被竊聽導致數(shù)據(jù)泄露、無線頻段被干擾風險，針對通道安全風險其具體防護措施主要有：

（1）衛(wèi)星空中鏈路采用擴頻通信方式。即將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機編碼調制，實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進行解擴及相關的處理，恢復原始信息數(shù)據(jù)。

（2）針對無線工作頻段干擾，采用頻譜感知規(guī)避局部頻率干擾；采取引入了較多隨機序列的復雜頻分復用和跳頻技術防范被干擾；制定清除干擾源等應急措施。

（3）根據(jù)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供的信息可知北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對北斗配電終端監(jiān)測采取“一戶一密”方式進行加密傳輸，防止數(shù)據(jù)被竊聽。但為確保對數(shù)據(jù)保 密性的可控，應在北斗通信終端與北斗通信前置間采用加密措施確保數(shù)據(jù)傳輸安全。

北斗配電監(jiān)測終端必須安裝由中國人民解放軍總參謀部認證授權的北斗通信 ID 卡才能進行雙向通信，其中北斗通信所用 ID 卡必須由獲得北斗民用分理級服務資質的單位向中國人民解放軍總參謀部提交申請，經(jīng)過批準備案后綁定至北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

3.2.2 通信協(xié)議安全

北斗獨有的短報文通信方式在具備全方位、全天候、無死角等優(yōu)勢的同時，也有著通信頻率低和信道容量不足的劣勢，難以滿足目前普遍應用于電力行業(yè)的標準通信協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸要求。

系統(tǒng)結合北斗通信能力和配網(wǎng)線路關鍵業(yè)務數(shù)據(jù)兩方面考慮，設計實現(xiàn)了基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的配網(wǎng)應用通信協(xié)議規(guī)范。該規(guī)范以IEC60870-5-104標準為基礎修改定制而成，簡化了協(xié)議中的非業(yè)務類信息，保留了三相電流、電壓、功率、告警類型等線路運行狀態(tài)的關鍵信息，保證系統(tǒng)運行在北斗通信能力可支撐的范圍內的同時能夠滿足配網(wǎng)巡檢的功能性和實時性需求。

3.2.3 終端安全

北斗配電終端監(jiān)測平臺所涉及終端主要有配電監(jiān)測終端、運維辦公終端，通過北斗配電終端監(jiān)測平臺接入的業(yè)終端為管理信息大區(qū)業(yè)務終端和辦公類終端，在身份鑒別、訪問控制、安全審計、入侵防范、惡意代碼防范、資源控制等方面按照公司相關要求進行統(tǒng)一的安全防護和管理。采用北斗數(shù)傳終端方式進行通信的，應采取物理防護措施確保終端可信（如：可配置防護箱，并配備非法開箱告警功能）。

要求采用北斗配電終端監(jiān)測平臺的業(yè)務系統(tǒng)采取業(yè)務終端至業(yè)務主站加密認證措施防止仿冒和非法接入。業(yè)務終端可采用外置式、嵌入式安全芯片多種形式的終端安全模塊實現(xiàn)安全防護，對于早期安裝又不支持軟件升級的業(yè)務終端宜采取外置式終端安全模塊防護，新安裝的業(yè)務終端宜采取嵌入式安全芯片防護。

4 接入方案

在論述了北斗配電終端監(jiān)測平臺的安全防護方案后，根據(jù)相關文件資料以及一些成熟案例，制定除了如下接入方案：將北斗配電終端監(jiān)測平臺的前置交換機，通過光纖經(jīng)由正反向隔離裝置連接到配電自動化系統(tǒng)的前置交換機上，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的物理連接，從而可以進一步的完成數(shù)據(jù)之間的交互。

5 規(guī)約轉化

冀北北斗項目是用于冀北秦皇島配電監(jiān)測的技術改造項目，項目中將FTU、故障指示器、故障定位裝置通過GPRS或北斗數(shù)傳終端兩種方式傳送到平臺采集服務器。為了適應北斗短報文發(fā)送時間和長度的限制（用戶機每分鐘只能發(fā)送一次，指揮機每50秒發(fā)送一次，且報文長度均為78字節(jié)），在標準報文的基礎上，對通信規(guī)則進行了簡化，以減輕傳送的壓力。如表3所示，對104標準規(guī)約和簡化規(guī)約做了對比。

表3 104標準規(guī)約與104簡化規(guī)約對比

表格可以看出，常用的應用層字節(jié)在104標準規(guī)約和104簡化規(guī)約中是一致的，因此，其通信報文可直接進行轉化。

5.1 短幀(U-Format、S-Format)格式報文

U-Format

S-Format

5.2 長幀(I-Format)格式報文

68 Length控制域1控制域1控制域1控制域4類型標識可變結構限定詞傳送原因低位傳送原因高位公共地址低位公共地址高位信息體APCI ASDU

由于依靠北斗傳輸?shù)脑O備，受北斗規(guī)約自身的通訊特點（每分鐘每張卡只能發(fā)送一幀報文，報文有效數(shù)據(jù)為78字節(jié)），因此此類裝置采用104簡化規(guī)約，但是信息體字節(jié)數(shù)比104標準規(guī)約少，最多66byte。但由于是從北斗配電監(jiān)測平臺傳輸數(shù)據(jù)報文至配電自動化系統(tǒng)，因此信息體的大小并不會產(chǎn)生影響報文的傳輸，只需直接將收到的報文轉發(fā)至配電自動化系統(tǒng)即可。

6 應用成果

加強配電網(wǎng)自動化建設。持續(xù)提升配電自動化覆蓋率，提高配電網(wǎng)運行監(jiān)測、控制能力，實現(xiàn)配電網(wǎng)可管可控，變“被動報修”為“主動監(jiān)控”。通過將北斗衛(wèi)星位置信息功能模塊于GIS平臺相結合，提供精確的實時位置信息，實現(xiàn)故障精確定位，將故障坐標直接發(fā)送至配電搶修指揮系統(tǒng)，引導搶修車輛（人員）快速到達現(xiàn)場，加快響應速度，切實提高配電網(wǎng)實用化水平。

加強配電通信網(wǎng)支撐。堅持一二次協(xié)調的原則，同步規(guī)劃改造配電通信網(wǎng)；運用北斗衛(wèi)星短報文通信功能，解決無公網(wǎng)覆蓋地區(qū)配電網(wǎng)狀態(tài)及故障信息上報，提高通信網(wǎng)絡覆蓋率，提高配電通信網(wǎng)絡對配電自動化遙控可靠動作和狀態(tài)信息采集業(yè)務的支撐能力。利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)擴大配電自動化范圍，實現(xiàn)對無公網(wǎng)覆蓋地域設備的遙測、遙信功能。

7 結束語

本應用在“冀北北斗衛(wèi)星系統(tǒng)支撐配網(wǎng)智能化建設示范應用項目”基礎上進一步完善北斗采集服務與配電自動化接口開發(fā)，同時還將分析北斗配電終端檢測平臺存在的信息安全風險，并根據(jù)現(xiàn)有配電自動化系統(tǒng)安全防護需求，從邊界安全、通道安全、接收端和業(yè)務應用安全、北斗數(shù)傳終端安全防護等方面進行研究與設計，確保系統(tǒng)滿足國家信息安全等級保護和公司配電自動化系統(tǒng)安全防護的要求。在原項目基礎上研究北斗短報文通信體制與配網(wǎng)自動化業(yè)務需求的匹配能力，同時針對存在的問題提出可行的解決方案，提升北斗衛(wèi)星系統(tǒng)對配網(wǎng)智能化建設的支撐能力。