0 引言

随着电网技术的飞速发展，远动信息传输的可靠性已成为影响电网调度自动化系统稳定、准确、可靠运行的重要因素。内蒙古电网远动信息传输通道主要包括模拟传输通道和网络传输通道2种^[1-2]，其中，模拟传输通道的覆盖率几乎达到100%。随着网络技术的发展^[3]，网络传输通道以其巨大优势迅速成为远动传输通道的主流，内蒙古电网的网络传输通道近几年虽发展迅速，但在地区级调度（地调）和低电压等级变电站中的覆盖率仍处于偏低水平，且厂站内多数只有单套调度数据网，因此，模拟传输通道仍然是内蒙古电网地调传输通道中的主要通道。远动模拟传输通道直接关系到电网的安全调度，当其发生故障时需要在最短时间内确定故障原因。在日常检修工作中，工作人员常采用环回法查找故障原因。鉴于环回法测试存在的不足，研制了基于GSM的加密型运动模拟传输通道远程环回装置，以对远动故障进行快速、有效判定。

1 模拟传输模式及环回法测试存在的不足 1.1 远动信息模拟传输模式

远动信息模拟传输通道采用MODEM（调制解调器）进行通信，大多使用2种通信规约，即CDT和IEC 60870-5-101规约。远动信息模拟传输模式如图 1所示。调度主站终端服务器发出的数字信号通过调制解调器MODEM调制成模拟信号，然后通过通信处理机处理后经通信线路传送到厂站端的通信处理机，再通过MODEM解调成远动机可以处理的数字信号。由厂站端到调度主站的信息传输模式与此相同，方向相反。

1.2 环回法测试远动信息模拟传输通道及其不足

环回法是指先对装置或通道数据口的收发接线端子进行导线连接，然后调度主站或厂站远动机模拟测试报文，通过观察发出信号数据后返回的数据情况来逐步分析故障的1种方法^[4]。环回法常用来检查调度主站和模拟传输通道故障与否。具体操作过程为：将厂站端MODEM上的4线解下，将4线中的“两收”“两发”同时分别短接，直接连通上下行通道，使得传输通道形成一个环路，调度主站通过观察发送和接收的报文是否一致来判断从终端服务器到厂站通信处理机这部分是否正常。

环回法可快速检测远动信息模拟传输通道是否存在故障，其缺点是需要厂站端配合完成收发短接工作，限制了该方法的使用，增加了维护成本。

2 基于GSM的加密型远动模拟传输通道远程环回装置设计

为了解决远动信息模拟传输通道测试的问题，自主研发了一款基于GSM的加密型远动模拟传输通道远程环回装置。

2.1 装置原理

调度主站通过GSM（全球移动通信系统）网络将环回指令发送至厂站端的远动模拟传输通道远程环回装置，环回装置接收到环回指令后，通过继电器输出完成远动模拟传输通道环回，无需人员再前往厂站配合工作。基于GSM的加密型远动模拟传输通道远程环回装置如图 2所示。

2.2 装置硬件设计

基于GSM的加密型远动模拟传输通道远程环回装置以GSM网络^[5]为基础，采用运行稳定、成本低廉的STM32单片机作为主控制器^[6-9]，以具有光电隔离的继电器组作为输出元件，实现远动模拟传输通道环回；并设置专门的监视控制器，监视环回装置的运行状态，保证其安全运行。调度主站以2部独立固定的2G手机分别作为指令发送器和动态密码接收器，动态验证码采用加密模式传输，以保证信息安全。该装置的硬件构成如图 3所示。

2.3 装置软件设计

图 4为装置的工作流程图，具体为：上电后，GSM模块进行初始化和网络信号注册；同时主控制器完成初始化并与GSM模块通过串口通信进行握手，握手成功后清除SIM卡上的全部短信；监视控制器完成初始化后监视整个装置的运行状况。

指令发送器向装置发送激活指令，装置收到激活指令后，随机生成动态验证码，并将动态验证码发送到动态密码接收器，同时监视控制器启动验证码2 min时效计时；将接收到的动态验证码通过算法加密器进行加密，指令发送器将加密后的动态密码和具体操作指令发送给装置，装置进行解密操作，验证无误后通过继电器组执行操作指令。完成环回操作后，监视控制器启动解环倒计时，10 min内收不到解环指令，监视控制器会通过继电器复位整个装置，完成解环操作。

算法加密器软件界面简洁、操作简单，软件采用加密算法对六位动态密码进行加密处理，整个系统采用对称加密的模式进行加密，采用动态密码的形式进行身份认证。

3 安全性措施

基于GSM的加密型远动模拟传输通道远程环回装置的安全性，主要考虑2方面，即不被恶意攻击、不因装置自身故障导致环回后无法解环。为保证装置安全稳定运行，设计时采取以下措施。

3.1 反恶意攻击措施

（1）环回装置的信息及其指令发送器、动态密码接收器设有专人保管，其号码不对外公布，减少恶意和无效信息的接收。

（2）环回装置接收到指令后，先进行号码提取，如果不是指令发送器发送来的指令，信息会直接被删除。同时，环回装置设置为只向动态密码接收器发送动态密码，实现了控制的唯一性，提高了装置的安全性。

（3）采用加密认证的模式预防恶意攻击，环回装置采用动态密码形式进行身份认证。当装置接收到激活指令后会随机生成1个6位的动态密码，密码时效2 min。调度主站进行动态密码验证时采用加密的形式发送，算法加密器也设专人使用，防止了伪基站、监听、短信嗅探、销卡、补卡等手段的恶意攻击。

（4）GSM模块和主控制器之间采用串口通信，采用AT指令协议，防止病毒、木马入侵。

（5）采用带光电隔离的继电器作为输出元件，保证电网运行不被干扰。

3.2 防止环回后无法解环措施

（1）设有独立的监视控制器，监视控制器的一项功能是在环回10 min后，自动实现解环，并实现环回装置复位。

（2）环回装置主控制器采用“看门狗”技术，可确保装置不会出现“死机”现象。

4 现场试验

将装置分别安装在巴彦淖尔220 kV曙光变电站、220 kV天吉泰变电站、220 kV东郊变电站、110 kV西郊变电站、110 kV万丰变电站的远动机柜上，采用交流220 V照明电源供电。

4.1 试验1

分别对5套设备进行环回、解环试验15次，环回、解环交替进行，分别记录环回和解环成功次数，试验结果如表 1所示。

天吉泰变电站进行第5次试验时，环回后发送解环指令装置没有反应，等待10.1 min后装置自动解环，15.5 min后收到了装置返回的解环动态验证码，分析原因可能为网络信号造成通信延时所致。

4.2 试验2

环回成功后，不发送解环指令，等待装置的监视控制器实现自动解环，每个站试验3次，自环回成功后开始计时，记录装置自动解环所用时间，试验数据如表 2所示。

2组试验数据表明设备环回和解环成功率为99.3%，自动解环成功率为100%，自动解环平均用时600.41 s。

5 结语

本文设计的基于GSM的加密型远动模拟传输通道远程环回装置，采用动态密码的方式进行身份认证，并配备了独立的监视控制器，经安全分析和试验验证，该装置可以安全稳定地实现远动模拟传输通道的远程环回，解决了通道环回需要厂站端有人配合的难题。该装置的应用对远动故障检修和维护成本节省具有重要意义。