智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )通信架構及關(guān)鍵技術(shù)

1引言 建設信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的堅強智 能電網(wǎng)(Smart Grid，SG)要求健壯的網(wǎng)絡(luò )通信支 撐平臺，分布式狀態(tài)可感知能力、先進(jìn)的電表計量 基礎設施(AMI)以及實(shí)時(shí)的需求響應等功能，這 些都對現有的網(wǎng)絡(luò )平臺提出了更高的要求。智能電 網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )通信平臺為電力行業(yè)的生產(chǎn)運行、輸電、 配電、市場(chǎng)業(yè)務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域提供服務(wù)，需求的多樣 性決定了其構成的復雜性，智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )支撐體 系將是一個(gè)融合了多種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的綜合平臺，有多 種網(wǎng)絡(luò )成分構成，既需要骨干網(wǎng)，又需要接入網(wǎng)和 多種駐地網(wǎng)，既依賴(lài)于企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)，也離不開(kāi)公共的 因特網(wǎng)，在技術(shù)上，將融合成熟的 TCP/IP、MPLS、 工業(yè)以太網(wǎng)和新型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和物聯(lián)網(wǎng)，涉 及多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。 因此，有必要對智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )通信架構進(jìn)行 研究，明確不同應用領(lǐng)域的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

2 智能電網(wǎng)的框架與概念參考模型

中國的智能電網(wǎng)建設提出了以特高壓電網(wǎng)為骨 干網(wǎng)架，以堅強智能電網(wǎng)為基礎，以通信信息平臺 為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統的發(fā)電、 輸電、變電、配電、用電和調度各個(gè)環(huán)節的發(fā)展路 線(xiàn)，強調各個(gè)領(lǐng)域電力流、信息流和業(yè)務(wù)流的融合， 因此，智能電網(wǎng)的框架中各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的溝通，必 然是由網(wǎng)絡(luò )通信為橋梁實(shí)現的。 2009 年 9 月 ， 美 國 國 家 標 準 與 技 術(shù) 研 究 所 (NIST)提出了關(guān)于智能電網(wǎng)互操作標準的框架與 路線(xiàn)圖，明確了推進(jìn)標準化工作的 8 個(gè)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng) 域：廣域網(wǎng)狀態(tài)可感知、需求響應、電能存儲、電 力交通、網(wǎng)絡(luò )安全、網(wǎng)絡(luò )通信、先進(jìn)的計量基礎設 施和配網(wǎng)管理 [1] 。其中，有三個(gè)領(lǐng)域與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)直 接相關(guān)。 網(wǎng)絡(luò )安全(Cyber Security) ：為保證電子信息系 統的保密性、完整性和可用性采取的措施，是保護和 管理智能電網(wǎng)中的電能、信息和通信設施必須的。 網(wǎng)絡(luò )通信(Network Communication) ： 要求針對 智能電網(wǎng)各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的應用和操作器的網(wǎng)絡(luò )通信 需求，實(shí)施和維護合適的安全和訪(fǎng)問(wèn)控制手段。該 領(lǐng)域覆蓋電力專(zhuān)網(wǎng)和公共網(wǎng)絡(luò )。 先進(jìn)的計量基礎設施(Advanced Metering Infrastructure，AMI) ：能夠提供雙向通信，既能為多個(gè)功 能系統所使用，也能使授權的第三方與用戶(hù)設備和系 統交換信息，AMI 系統能為用戶(hù)提供透明的實(shí)時(shí)電價(jià) 感知功能，也能幫助供電方實(shí)現必要的減負目標。 為了有助于智能電網(wǎng)的規劃，最終建立一個(gè)能 夠互操作的網(wǎng)絡(luò )集合， NIST 提出了智能電網(wǎng)的概念 參考模型，將智能電網(wǎng)劃分為 7 個(gè)領(lǐng)域，這 7 個(gè)領(lǐng) 域是： 用戶(hù)、 電力市場(chǎng)、 電力市場(chǎng)的運行和操作者、 供電、運行、輸電和配電。其中，供電部門(mén)為終端 用戶(hù)提供供電服務(wù);用戶(hù)不僅是電力系統的終端用 戶(hù)，也能夠參與發(fā)電、輸電和管理電能的使用，主 要分為三類(lèi)：居民用戶(hù)、商業(yè)用戶(hù)、工業(yè)用戶(hù);大 容量發(fā)電單位既能發(fā)電也可儲電。 這 7 個(gè)領(lǐng)域覆蓋電力行業(yè)的各個(gè)環(huán)節， 每個(gè)領(lǐng)域 和子領(lǐng)域中的執行單元(軟件、硬件設備和系統)通 常需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與其他域的執行單元進(jìn)行交互。因 此，網(wǎng)絡(luò )平臺在智能電網(wǎng)中起著(zhù)關(guān)鍵的支撐作用，它 用于連通智能電網(wǎng)各個(gè)領(lǐng)域。 1 為智能電網(wǎng)的概念 圖 參考圖，該圖只是一個(gè)概念參考模型，并不是實(shí)際的 系統結構圖，因此，雖然圖中網(wǎng)絡(luò )連接的 7 個(gè)域跨越 不同的安全區，但并沒(méi)有
指明網(wǎng)絡(luò )隔離元素。

圖1 智能電網(wǎng)的概念參考模型

3 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)架構

需求，結合當前網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展和應用現狀，對智 能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)體系進(jìn)行了梳理。 智能電網(wǎng)是復雜系統的互聯(lián)，這也決定了其網(wǎng) 絡(luò )支撐平臺是多種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的集成，在網(wǎng)絡(luò )結構上 具有復雜性，在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)上具有多樣性，在安全管 理、端到端的一致性等方面具有挑戰性。 智能電網(wǎng)的不同域因為業(yè)務(wù)需求的不同，對底 層網(wǎng)絡(luò )通信的要求也有不同，因此，迫切需要從智 能電網(wǎng)不同領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )與通信需求出發(fā)，對各種網(wǎng) 絡(luò )技術(shù)進(jìn)行分析和定位。

表 1 針對智能電網(wǎng)各領(lǐng)域

4 承載電力系統多業(yè)務(wù)平臺的骨干網(wǎng)技術(shù)

電力數據網(wǎng)絡(luò )和電力信息網(wǎng)絡(luò )是電力行業(yè)的專(zhuān) 用骨干網(wǎng)，它是智能電網(wǎng)的信息高速公路，承載主 要數據流量，為保證信息流和業(yè)務(wù)流暢通無(wú)阻，首 先必須建設一個(gè)健壯的(Robust)電力骨干數據網(wǎng) 絡(luò )，堅強智能電網(wǎng)對電力數據網(wǎng)的要求主要集中在 兩個(gè)方面：一是對安全提出了更高的要求，電力骨 表1 網(wǎng)絡(luò )成分 廣域網(wǎng)(WAN) IP、DWDM 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)架構 應用說(shuō)明 提供電力數據網(wǎng)(骨干網(wǎng))、因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)和路由等功能 骨干網(wǎng)中提供標記交換，隔離不同業(yè)務(wù)的流量 保護原有投資技術(shù)，已逐漸退出應用 為接入城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)提供物理通道 可用于 LAN(以太網(wǎng))接入城域網(wǎng) 以無(wú)線(xiàn)方式接入廣域網(wǎng) 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò )，提供光纖接入方式 電力企業(yè)的 Intranet 電廠(chǎng)、變電站等生產(chǎn)控制領(lǐng)域 電廠(chǎng)、變電站等生產(chǎn)控制領(lǐng)域 IED 設備互連 用于計量、儀表數據采集等數據的傳輸 輸、配電、用電側的數據采集、監測和監控 設備巡檢中標簽數據的采集 智能化住宅小區，提供家庭用戶(hù)的光纖接入 提供駐地網(wǎng)及用戶(hù)家庭網(wǎng)絡(luò )接入，遠程抄表、因特網(wǎng)接入 用戶(hù)駐地網(wǎng)或家庭網(wǎng)絡(luò )接入，遠程抄表 用于 HAN 中智能家居，家電控制 可采用的網(wǎng)絡(luò )技術(shù) MPLS、MPLS VPN ATM SDH MSTP GPRS PON IEEE 802.3、802.1d、802.1q RS-485、PROFIBUS 等傳統的現場(chǎng)總線(xiàn) 工業(yè)以太網(wǎng)(802.3、802.1d、802.1q) N-PLC、B-PLC/BPL(窄帶、 寬帶電力線(xiàn)載波通信) 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(802.15.x) 物聯(lián)網(wǎng)、RFID PON /EPON/FTTH 接入網(wǎng)(AN) 企業(yè)本地網(wǎng)(LAN) 現場(chǎng)區域網(wǎng)(FAN) 用戶(hù)駐地網(wǎng) 及家庭網(wǎng)絡(luò )(HAN) N-PLC、B-PLC/BPL 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) 802.11 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(802.15.x) 干網(wǎng)在安全性建設方面一直比較重視， 安全性是另一個(gè)專(zhuān)題， 本文不打算在這方面展開(kāi)討論; 二是對網(wǎng)絡(luò )的可靠性、可用性和服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證提出了更高的要求。

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。

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。

本文從網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議棧的角度出發(fā)，把用于智能電網(wǎng)的智能結點(diǎn)分為兩類(lèi)： (1)需要端到端 IP 連接的設備：如變電站中的一些提供核心服務(wù)的 IED、智能家居中 的家庭網(wǎng)關(guān)等。這類(lèi)智能結點(diǎn)通常作為 IP 網(wǎng)絡(luò )中可訪(fǎng)問(wèn)的常規結點(diǎn)，需要完整的 TCP/IP 協(xié) 議棧，但可以采用輕量級的 IP 協(xié)議。(2)無(wú)需端到端IP傳輸的：如變電站中的現場(chǎng)層用于數據采集和控制的IED設備，智能 家居中的被控設備結點(diǎn)等。這些結點(diǎn)通常只對本地提供訪(fǎng)問(wèn)，因此MAC層的尋址和接入控制 功能就夠用了，可采用精簡(jiǎn)的協(xié)議棧，將應用層直接映射到數據鏈路層，如圖 2(b) 。

后者 的典型應用如IEC61850 中定義的具有低延時(shí)要求(1~4ms)的變電站事件通用對象GOOSE 報文 [3] 。 (a)完整協(xié)議棧模型 (b)精簡(jiǎn)協(xié)議棧模型 圖2 智能結點(diǎn)的協(xié)議棧 在完整協(xié)議棧中，建議IP層選用IPv6 協(xié)議，以利用其帶來(lái)的豐富的地址資源、自動(dòng)編址能 力、硬件地址到IP地址的自動(dòng)轉換和簡(jiǎn)化的協(xié)議首部處理等優(yōu)點(diǎn)?？梢栽谇度胧狡脚_上采用簡(jiǎn) 化的IPv6 方案——6LowPAN (IPv6 over Low Power WPAN) ，這是針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、無(wú) [3] 線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(WPAN)的IPv6 優(yōu)化方案 。已有 27 個(gè)公司發(fā)起了針對智能對象聯(lián)網(wǎng)的IP 標準協(xié)作組織——IPSO(The IP for Smart Object alliance) ，目前已有 45 個(gè)成員，包括Cisco、 SAP、SUN、Bosch、Intel等，該組織所提出的IPv6 協(xié)議棧?IPv6 可以和主流廠(chǎng)商的協(xié)議?；?操作，輕量級的代碼只需要 11.5kB的內存。 6 結論 高性能和高安全可靠的網(wǎng)絡(luò )通信體系是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐平臺，為了應對智能電網(wǎng)的 挑戰，必須增強網(wǎng)絡(luò )端到端的健壯性，本文針對這個(gè)需求，梳理了適用的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)體系，體 系覆蓋了從網(wǎng)絡(luò )核心和網(wǎng)絡(luò )邊緣的技術(shù)及其標準，文中所提出的骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)隔離和流量工程 的部署策略，以及智能傳感結點(diǎn)協(xié)議棧的實(shí)現模式，對智能電網(wǎng)通信平臺的建設具有一定的 參考價(jià)值，在實(shí)踐中，也還需要圍繞具體的應用來(lái)選擇實(shí)現方案并在具體實(shí)施中細化。