智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )通信架構以及其關(guān)鍵技術(shù)解析

目前，電力骨干網(wǎng)絡(luò )中主要采用 MPLS 技術(shù)，電力行業(yè)采用 MPLS 有以下考慮： (1)利用 MPLS VPN 對不同業(yè)務(wù)之間進(jìn)行邏輯隔離，通過(guò)為不同的業(yè)務(wù)系統劃分虛擬 專(zhuān)用網(wǎng)，有效隔離不同業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)的安全和可靠運行。 (2)簡(jiǎn)化中間結點(diǎn)：主要的分類(lèi)和標記功能由邊緣結點(diǎn)承擔。網(wǎng)絡(luò )中心只需要按標記 轉發(fā)。 (3)針對不同業(yè)務(wù)需求提供服務(wù)質(zhì)量保證，MPLS 本身不是一種 QoS 體制，但可以在 MPLS 框架中實(shí)現 IP 層的 QoS 機制。通過(guò)將區分服務(wù)(DiffServ)的逐跳轉發(fā)行為(PHB) 與 MPLS 的標簽綁定，MPLS 域中路由器依據 MPLS 標簽轉發(fā) IP 包，實(shí)現 QoS 策略。 為了適應智能電網(wǎng)更多實(shí)時(shí)性的互動(dòng)流量的增長(cháng)，本文主要強調骨干網(wǎng)兩個(gè)方面技術(shù)的 深化應用：一是 VPN 的部屬策略;另一個(gè)是流量工程的規劃。 (1)細化 VPN 部屬策略，以提供細分的業(yè)務(wù)隔離和對關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供 QoS 保證 隨著(zhù)智能電網(wǎng)應用流量在種類(lèi)和數量上的增長(cháng)，必須對在同一骨干網(wǎng)絡(luò )上運行的不同業(yè) 務(wù)系統和不同業(yè)務(wù)單位提供細化的隔離手段，可采用三層VPN對骨干網(wǎng)絡(luò )中承載的不同業(yè)務(wù) 系統進(jìn)行隔離，采用二層VPN技術(shù)對通過(guò)骨干網(wǎng)連接的不同業(yè)務(wù)單位進(jìn)行隔離。MPLS 可提 供二層和三層的VPN技術(shù)，以太網(wǎng)最新的橋接協(xié)議(PBB)也可為廣域網(wǎng)提供二層的隔離 VLAN[2]。

這里以電力調度數據網(wǎng)絡(luò )為例，根據不同業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求給出了一個(gè)粗粒度的 VPN 劃分： 1) 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN： 主要包括傳輸頻度在秒級的數據， 遠動(dòng)信息、 如： 網(wǎng)絡(luò ) RTU、 AGC/MGC、 水調自動(dòng)化、EMS 系統之間交換的用于網(wǎng)絡(luò )分析的實(shí)時(shí)數據、電力市場(chǎng)實(shí)時(shí)數據等。 2)準實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：如無(wú)功電壓管理系統、地調網(wǎng)供負荷計劃數據、地方小火電發(fā)電 計劃數據和錯峰預警信號等數據、電度量計費系統。 3)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：繼電保護及故障錄波信號、調度生產(chǎn)運行報表等。 調度數據網(wǎng)作為生產(chǎn)類(lèi)網(wǎng)絡(luò )，不允許承載對外的公網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)流量，因此，不設置缺省業(yè)務(wù) 流量，信息數據網(wǎng)可以設缺省業(yè)務(wù)流量。 (2)部屬流量工程，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )全局的抗擁塞和抗故障能力 流量工程(TE)能夠解決負載不均衡出現的擁塞問(wèn)題，方法是使網(wǎng)絡(luò )流量同網(wǎng)絡(luò )拓撲相 互匹配，從而提高網(wǎng)絡(luò )資源的利用率，傳統 IP 網(wǎng)絡(luò )一旦為一個(gè) IP 包選擇了一條路徑，則不 管這條鏈路是否擁塞，IP 包都會(huì )沿著(zhù)這條路徑傳送，MPLS 流量工程可以控制 IP 包在網(wǎng)絡(luò )中 所走過(guò)的路徑，這樣可以避免傳統路由協(xié)議的盲目行為，在建立路徑時(shí)，就考慮流量的合理 分布，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源的合理利用。

TE 彈性屬性決定在鏈路故障或結點(diǎn)失效時(shí)采取的策略

當流量傳輸路徑上發(fā)生故障時(shí)， 需要解決以下幾個(gè)基本問(wèn)題：故障檢測、故障通知、鏈路復原與業(yè)務(wù)恢復。如果流量主干流 經(jīng)的路徑發(fā)生了故障，那么可以為它們指定許多恢復策略，下面給出的是一些可行的策略： 1)在結點(diǎn)之間配置有多條平行的路徑，根據某種控制策略，發(fā)生故障時(shí)，使得在一條 LSP 失敗后，其上的流量轉移到其它的 LSP 上。 2)將流量主干重新路由到具有充足資源的路徑上。如果沒(méi)有所需的路徑的話(huà)，則不進(jìn) 行重新路由。 3)考慮各種資源約束參數，將流量重新路由到任意一條可用路徑上。 骨干數據網(wǎng)可采用類(lèi)似第一種策略，即沿襲路徑備份的策略，可以配置兩條 LSP，一條處 于激活狀態(tài)，另外一條處于備份狀態(tài)，一旦主 LSP 出現故障，業(yè)務(wù)立刻導向備份的 LSP，直到 主 LSP 從故障中恢復，業(yè)務(wù)再從備份的 LSP 切回到主 LSP。同時(shí)，要求網(wǎng)絡(luò )具有重路由的機 制，以備需要時(shí)啟動(dòng)，MPLS 網(wǎng)絡(luò )的 RSVP-TE 和 CR-LDP 均支持重路由機制。

目前，電力骨干網(wǎng)絡(luò )中主要采用 MPLS 技術(shù)，電力行業(yè)采用 MPLS 有以下考慮： (1)利用 MPLS VPN 對不同業(yè)務(wù)之間進(jìn)行邏輯隔離，通過(guò)為不同的業(yè)務(wù)系統劃分虛擬 專(zhuān)用網(wǎng)，有效隔離不同業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)的安全和可靠運行。 (2)簡(jiǎn)化中間結點(diǎn)：主要的分類(lèi)和標記功能由邊緣結點(diǎn)承擔。網(wǎng)絡(luò )中心只需要按標記 轉發(fā)。 (3)針對不同業(yè)務(wù)需求提供服務(wù)質(zhì)量保證，MPLS 本身不是一種 QoS 體制，但可以在 MPLS 框架中實(shí)現 IP 層的 QoS 機制。通過(guò)將區分服務(wù)(DiffServ)的逐跳轉發(fā)行為(PHB) 與 MPLS 的標簽綁定，MPLS 域中路由器依據 MPLS 標簽轉發(fā) IP 包，實(shí)現 QoS 策略。 為了適應智能電網(wǎng)更多實(shí)時(shí)性的互動(dòng)流量的增長(cháng)，本文主要強調骨干網(wǎng)兩個(gè)方面技術(shù)的 深化應用：一是 VPN 的部屬策略;另一個(gè)是流量工程的規劃。 (1)細化 VPN 部屬策略，以提供細分的業(yè)務(wù)隔離和對關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供 QoS 保證 隨著(zhù)智能電網(wǎng)應用流量在種類(lèi)和數量上的增長(cháng)，必須對在同一骨干網(wǎng)絡(luò )上運行的不同業(yè) 務(wù)系統和不同業(yè)務(wù)單位提供細化的隔離手段，可采用三層VPN對骨干網(wǎng)絡(luò )中承載的不同業(yè)務(wù) 系統進(jìn)行隔離，采用二層VPN技術(shù)對通過(guò)骨干網(wǎng)連接的不同業(yè)務(wù)單位進(jìn)行隔離。MPLS 可提 供二層和三層的VPN技術(shù)，以太網(wǎng)最新的橋接協(xié)議(PBB)也可為廣域網(wǎng)提供二層的隔離 VLAN[2]。

這里以電力調度數據網(wǎng)絡(luò )為例，根據不同業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求給出了一個(gè)粗粒度的 VPN 劃分： 1) 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN： 主要包括傳輸頻度在秒級的數據， 遠動(dòng)信息、 如： 網(wǎng)絡(luò ) RTU、 AGC/MGC、 水調自動(dòng)化、EMS 系統之間交換的用于網(wǎng)絡(luò )分析的實(shí)時(shí)數據、電力市場(chǎng)實(shí)時(shí)數據等。 2)準實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：如無(wú)功電壓管理系統、地調網(wǎng)供負荷計劃數據、地方小火電發(fā)電 計劃數據和錯峰預警信號等數據、電度量計費系統。 3)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：繼電保護及故障錄波信號、調度生產(chǎn)運行報表等。 調度數據網(wǎng)作為生產(chǎn)類(lèi)網(wǎng)絡(luò )，不允許承載對外的公網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)流量，因此，不設置缺省業(yè)務(wù) 流量，信息數據網(wǎng)可以設缺省業(yè)務(wù)流量。 (2)部屬流量工程，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )全局的抗擁塞和抗故障能力 流量工程(TE)能夠解決負載不均衡出現的擁塞問(wèn)題，方法是使網(wǎng)絡(luò )流量同網(wǎng)絡(luò )拓撲相 互匹配，從而提高網(wǎng)絡(luò )資源的利用率，傳統 IP 網(wǎng)絡(luò )一旦為一個(gè) IP 包選擇了一條路徑，則不 管這條鏈路是否擁塞，IP 包都會(huì )沿著(zhù)這條路徑傳送，MPLS 流量工程可以控制 IP 包在網(wǎng)絡(luò )中 所走過(guò)的路徑，這樣可以避免傳統路由協(xié)議的盲目行為，在建立路徑時(shí)，就考慮流量的合理 分布，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源的合理利用。

5 分布式傳感器網(wǎng)絡(luò )

分布式傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能電網(wǎng)中是大有用武之地的，它可以解決從電力系統遠程監測、 狀態(tài)感知、遠程控制，到用戶(hù)側的實(shí)時(shí)計量和智能家居交互。分布式的傳感器網(wǎng)絡(luò )涵蓋較為 寬泛的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，但共同之處是設備基于嵌入式平臺，計算資源有限，要求低能耗，數據量 不大，在不易布線(xiàn)的環(huán)境下需要無(wú)線(xiàn)傳輸等。目前流行的 TCP/IP 是為了計算機之間共享資源而提出的，而傳感器網(wǎng)絡(luò )則是面向監控 的，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò )中引入流行的 TCP/IP 和以太網(wǎng)技術(shù)，是為了從其開(kāi)放性、高帶寬、低成本、 建設和運維的簡(jiǎn)易性和擴展的靈活性等優(yōu)點(diǎn)中獲益。但同時(shí)也引入了過(guò)多的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)、分組 交換的不穩定性，以及開(kāi)放所帶來(lái)的安全隱患。特別是，在面向數據采集和控制的智能傳感 器應用中，層層嵌套的協(xié)議首部在數據單元中所占比重過(guò)大，例如：常用的 TCP-〉IP-〉以 太網(wǎng)協(xié)議封裝，帶來(lái)額外 20+20+18=58 字節的協(xié)議首部，相對所發(fā)送的狀態(tài)數據、控制數據 等比重過(guò)大，此外，層層的協(xié)議處理也帶來(lái)額外的處理延時(shí)，這對于計算資源有限、低帶寬、 低能耗的傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)是不可忽略的。