智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡通信架構(gòu)及關鍵技術

1引言 建設信息化、自動化、互動化為特征的堅強智 能電網(wǎng)(Smart Grid，SG)要求健壯的網(wǎng)絡通信支 撐平臺，分布式狀態(tài)可感知能力、先進的電表計量 基礎設施(AMI)以及實時的需求響應等功能，這 些都對現(xiàn)有的網(wǎng)絡平臺提出了更高的要求。智能電 網(wǎng)的網(wǎng)絡通信平臺為電力行業(yè)的生產(chǎn)運行、輸電、 配電、市場業(yè)務等多個領域提供服務，需求的多樣 性決定了其構(gòu)成的復雜性，智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡支撐體 系將是一個融合了多種網(wǎng)絡技術的綜合平臺，有多 種網(wǎng)絡成分構(gòu)成，既需要骨干網(wǎng)，又需要接入網(wǎng)和 多種駐地網(wǎng)，既依賴于企業(yè)專網(wǎng)，也離不開公共的 因特網(wǎng)，在技術上，將融合成熟的 TCP/IP、MPLS、 工業(yè)以太網(wǎng)和新型的無線傳感器網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)，涉 及多種網(wǎng)絡協(xié)議。 因此，有必要對智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡通信架構(gòu)進行 研究，明確不同應用領域的關鍵網(wǎng)絡技術。

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(tǒng)的發(fā)電、 輸電、變電、配電、用電和調(diào)度各個環(huán)節(jié)的發(fā)展路 線，強調(diào)各個領域電力流、信息流和業(yè)務流的融合， 因此，智能電網(wǎng)的框架中各個關鍵領域的溝通，必 然是由網(wǎng)絡通信為橋梁實現(xiàn)的。 2009 年 9 月 ， 美 國 國 家 標 準 與 技 術 研 究 所 (NIST)提出了關于智能電網(wǎng)互操作標準的框架與 路線圖，明確了推進標準化工作的 8 個優(yōu)先發(fā)展領 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)絡安全、網(wǎng)絡通信、先進的計量基礎設 施和配網(wǎng)管理 [1] 。其中，有三個領域與網(wǎng)絡技術直 接相關。 網(wǎng)絡安全(Cyber Security) ：為保證電子信息系 統(tǒng)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)絡通信(Network Communication) ： 要求針對 智能電網(wǎng)各個關鍵領域的應用和操作器的網(wǎng)絡通信 需求，實施和維護合適的安全和訪問控制手段。該 領域覆蓋電力專網(wǎng)和公共網(wǎng)絡。 先進的計量基礎設施(Advanced Metering Infrastructure，AMI) ：能夠提供雙向通信，既能為多個功 能系統(tǒng)所使用，也能使授權的第三方與用戶設備和系 統(tǒng)交換信息，AMI 系統(tǒng)能為用戶提供透明的實時電價 感知功能，也能幫助供電方實現(xiàn)必要的減負目標。 為了有助于智能電網(wǎng)的規(guī)劃，最終建立一個能 夠互操作的網(wǎng)絡集合， 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 個領域，這 7 個領 域是： 用戶、 電力市場、 電力市場的運行和操作者、 供電、運行、輸電和配電。其中，供電部門為終端 用戶提供供電服務;用戶不僅是電力系統(tǒng)的終端用 戶，也能夠參與發(fā)電、輸電和管理電能的使用，主 要分為三類：居民用戶、商業(yè)用戶、工業(yè)用戶;大 容量發(fā)電單位既能發(fā)電也可儲電。 這 7 個領域覆蓋電力行業(yè)的各個環(huán)節(jié)， 每個領域 和子領域中的執(zhí)行單元(軟件、硬件設備和系統(tǒng))通 常需要通過網(wǎng)絡與其他域的執(zhí)行單元進行交互。因 此，網(wǎng)絡平臺在智能電網(wǎng)中起著關鍵的支撐作用，它 用于連通智能電網(wǎng)各個領域。 1 為智能電網(wǎng)的概念 圖 參考圖，該圖只是一個概念參考模型，并不是實際的 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，因此，雖然圖中網(wǎng)絡連接的 7 個域跨越 不同的安全區(qū)，但并沒有
指明網(wǎng)絡隔離元素。

圖1 智能電網(wǎng)的概念參考模型

3 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡技術架構(gòu)

需求，結(jié)合當前網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，對智 能電網(wǎng)的網(wǎng)絡技術體系進行了梳理。 智能電網(wǎng)是復雜系統(tǒng)的互聯(lián)，這也決定了其網(wǎng) 絡支撐平臺是多種網(wǎng)絡技術的集成，在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上 具有復雜性，在網(wǎng)絡技術上具有多樣性，在安全管 理、端到端的一致性等方面具有挑戰(zhàn)性。 智能電網(wǎng)的不同域因為業(yè)務需求的不同，對底 層網(wǎng)絡通信的要求也有不同，因此，迫切需要從智 能電網(wǎng)不同領域的網(wǎng)絡與通信需求出發(fā)，對各種網(wǎng) 絡技術進行分析和定位。

表 1 針對智能電網(wǎng)各領域

4 承載電力系統(tǒng)多業(yè)務平臺的骨干網(wǎng)技術

電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和電力信息網(wǎng)絡是電力行業(yè)的專 用骨干網(wǎng)，它是智能電網(wǎng)的信息高速公路，承載主 要數(shù)據(jù)流量，為保證信息流和業(yè)務流暢通無阻，首 先必須建設一個健壯的(Robust)電力骨干數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡，堅強智能電網(wǎng)對電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的要求主要集中在 兩個方面：一是對安全提出了更高的要求，電力骨 表1 網(wǎng)絡成分 廣域網(wǎng)(WAN) IP、DWDM 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡技術架構(gòu) 應用說明 提供電力數(shù)據(jù)網(wǎng)(骨干網(wǎng))、因特網(wǎng)的網(wǎng)絡互聯(lián)和路由等功能 骨干網(wǎng)中提供標記交換，隔離不同業(yè)務的流量 保護原有投資技術，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) 以無線方式接入廣域網(wǎng) 無源光網(wǎng)絡，提供光纖接入方式 電力企業(yè)的 Intranet 電廠、變電站等生產(chǎn)控制領域 電廠、變電站等生產(chǎn)控制領域 IED 設備互連 用于計量、儀表數(shù)據(jù)采集等數(shù)據(jù)的傳輸 輸、配電、用電側(cè)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和監(jiān)控 設備巡檢中標簽數(shù)據(jù)的采集 智能化住宅小區(qū)，提供家庭用戶的光纖接入 提供駐地網(wǎng)及用戶家庭網(wǎng)絡接入，遠程抄表、因特網(wǎng)接入 用戶駐地網(wǎng)或家庭網(wǎng)絡接入，遠程抄表 用于 HAN 中智能家居，家電控制 可采用的網(wǎng)絡技術 MPLS、MPLS VPN ATM SDH MSTP GPRS PON IEEE 802.3、802.1d、802.1q RS-485、PROFIBUS 等傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線 工業(yè)以太網(wǎng)(802.3、802.1d、802.1q) N-PLC、B-PLC/BPL(窄帶、 寬帶電力線載波通信) 無線傳感器網(wǎng)絡(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(xiàn)場區(qū)域網(wǎng)(FAN) 用戶駐地網(wǎng) 及家庭網(wǎng)絡(HAN) N-PLC、B-PLC/BPL 無線局域網(wǎng) 802.11 無線傳感器網(wǎng)絡(802.15.x) 干網(wǎng)在安全性建設方面一直比較重視， 安全性是另一個專題， 本文不打算在這方面展開討論; 二是對網(wǎng)絡的可靠性、可用性和服務質(zhì)量(QoS)保證提出了更高的要求。

目前，電力骨干網(wǎng)絡中主要采用 MPLS 技術，電力行業(yè)采用 MPLS 有以下考慮： (1)利用 MPLS VPN 對不同業(yè)務之間進行邏輯隔離，通過為不同的業(yè)務系統(tǒng)劃分虛擬 專用網(wǎng)，有效隔離不同業(yè)務，保證業(yè)務的安全和可靠運行。 (2)簡化中間結(jié)點：主要的分類和標記功能由邊緣結(jié)點承擔。網(wǎng)絡中心只需要按標記 轉(zhuǎn)發(fā)。 (3)針對不同業(yè)務需求提供服務質(zhì)量保證，MPLS 本身不是一種 QoS 體制，但可以在 MPLS 框架中實現(xiàn) IP 層的 QoS 機制。通過將區(qū)分服務(DiffServ)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)行為(PHB) 與 MPLS 的標簽綁定，MPLS 域中路由器依據(jù) MPLS 標簽轉(zhuǎn)發(fā) IP 包，實現(xiàn) QoS 策略。 為了適應智能電網(wǎng)更多實時性的互動流量的增長，本文主要強調(diào)骨干網(wǎng)兩個方面技術的 深化應用：一是 VPN 的部屬策略;另一個是流量工程的規(guī)劃。 (1)細化 VPN 部屬策略，以提供細分的業(yè)務隔離和對關鍵業(yè)務提供 QoS 保證 隨著智能電網(wǎng)應用流量在種類和數(shù)量上的增長，必須對在同一骨干網(wǎng)絡上運行的不同業(yè) 務系統(tǒng)和不同業(yè)務單位提供細化的隔離手段，可采用三層VPN對骨干網(wǎng)絡中承載的不同業(yè)務 系統(tǒng)進行隔離，采用二層VPN技術對通過骨干網(wǎng)連接的不同業(yè)務單位進行隔離。MPLS 可提 供二層和三層的VPN技術，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(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡為例，根據(jù)不同業(yè)務的實時性需求給出了一個粗粒度的 VPN 劃分： 1) 實時業(yè)務 VPN： 主要包括傳輸頻度在秒級的數(shù)據(jù)， 遠動信息、 如： 網(wǎng)絡 RTU、 AGC/MGC、 水調(diào)自動化、EMS 系統(tǒng)之間交換的用于網(wǎng)絡分析的實時數(shù)據(jù)、電力市場實時數(shù)據(jù)等。 2)準實時業(yè)務 VPN：如無功電壓管理系統(tǒng)、地調(diào)網(wǎng)供負荷計劃數(shù)據(jù)、地方小火電發(fā)電 計劃數(shù)據(jù)和錯峰預警信號等數(shù)據(jù)、電度量計費系統(tǒng)。 3)非實時業(yè)務 VPN：繼電保護及故障錄波信號、調(diào)度生產(chǎn)運行報表等。 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)作為生產(chǎn)類網(wǎng)絡，不允許承載對外的公網(wǎng)訪問流量，因此，不設置缺省業(yè)務 流量，信息數(shù)據(jù)網(wǎng)可以設缺省業(yè)務流量。 (2)部屬流量工程，優(yōu)化網(wǎng)絡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(xiàn)的擁塞問題，方法是使網(wǎng)絡流量同網(wǎng)絡拓撲相 互匹配，從而提高網(wǎng)絡資源的利用率，傳統(tǒng) IP 網(wǎng)絡一旦為一個 IP 包選擇了一條路徑，則不 管這條鏈路是否擁塞，IP 包都會沿著這條路徑傳送，MPLS 流量工程可以控制 IP 包在網(wǎng)絡中 所走過的路徑，這樣可以避免傳統(tǒng)路由協(xié)議的盲目行為，在建立路徑時，就考慮流量的合理 分布，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的合理利用。 TE 彈性屬性決定在鏈路故障或結(jié)點失效時采取的策略。

當流量傳輸路徑上發(fā)生故障時， 需要解決以下幾個基本問題：故障檢測、故障通知、鏈路復原與業(yè)務恢復。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(jié)點之間配置有多條平行的路徑，根據(jù)某種控制策略，發(fā)生故障時，使得在一條 LSP 失敗后，其上的流量轉(zhuǎn)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。如果沒有所需的路徑的話，則不進 行重新路由。 3)考慮各種資源約束參數(shù)，將流量重新路由到任意一條可用路徑上。 骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)可采用類似第一種策略，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(xiàn)故障，業(yè)務立刻導向備份的 LSP，直到 主 LSP 從故障中恢復，業(yè)務再從備份的 LSP 切回到主 LSP。同時，要求網(wǎng)絡具有重路由的機 制，以備需要時啟動，MPLS 網(wǎng)絡的 RSVP-TE 和 CR-LDP 均支持重路由機制。

5 分布式傳感器網(wǎng)絡

分布式傳感器網(wǎng)絡在智能電網(wǎng)中是大有用武之地的，它可以解決從電力系統(tǒng)遠程監(jiān)測、 狀態(tài)感知、遠程控制，到用戶側(cè)的實時計量和智能家居交互。分布式的傳感器網(wǎng)絡涵蓋較為 寬泛的網(wǎng)絡技術，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(shù)據(jù)量 不大，在不易布線的環(huán)境下需要無線傳輸?shù)取Ｄ壳傲餍械?TCP/IP 是為了計算機之間共享資源而提出的，而傳感器網(wǎng)絡則是面向監(jiān)控 的，在工業(yè)網(wǎng)絡中引入流行的 TCP/IP 和以太網(wǎng)技術，是為了從其開放性、高帶寬、低成本、 建設和運維的簡易性和擴展的靈活性等優(yōu)點中獲益。但同時也引入了過多的協(xié)議開銷、分組 交換的不穩(wěn)定性，以及開放所帶來的安全隱患。特別是，在面向數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)單元中所占比重過大，例如：常用的 TCP-〉IP-〉以 太網(wǎng)協(xié)議封裝，帶來額外 20+20+18=58 字節(jié)的協(xié)議首部，相對所發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù) 等比重過大，此外，層層的協(xié)議處理也帶來額外的處理延時，這對于計算資源有限、低帶寬、 低能耗的傳感器網(wǎng)絡來說是不可忽略的。

本文從網(wǎng)絡通信協(xié)議棧的角度出發(fā)，把用于智能電網(wǎng)的智能結(jié)點分為兩類： (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的 IED、智能家居中 的家庭網(wǎng)關等。這類智能結(jié)點通常作為 IP 網(wǎng)絡中可訪問的常規(guī)結(jié)點，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)無需端到端IP傳輸?shù)模喝缱冸娬局械默F(xiàn)場層用于數(shù)據(jù)采集和控制的IED設備，智能 家居中的被控設備結(jié)點等。這些結(jié)點通常只對本地提供訪問，因此MAC層的尋址和接入控制 功能就夠用了，可采用精簡的協(xié)議棧，將應用層直接映射到數(shù)據(jù)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)精簡協(xié)議棧模型 圖2 智能結(jié)點的協(xié)議棧 在完整協(xié)議棧中，建議IP層選用IPv6 協(xié)議，以利用其帶來的豐富的地址資源、自動編址能 力、硬件地址到IP地址的自動轉(zhuǎn)換和簡化的協(xié)議首部處理等優(yōu)點。可以在嵌入式平臺上采用簡 化的IPv6 方案——6LowPAN (IPv6 over Low Power WPAN) ，這是針對無線傳感器網(wǎng)絡、無 [3] 線個人區(qū)域網(wǎng)絡(WPAN)的IPv6 優(yōu)化方案 。已有 27 個公司發(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 可以和主流廠商的協(xié)議?；?操作，輕量級的代碼只需要 11.5kB的內(nèi)存。 6 結(jié)論 高性能和高安全可靠的網(wǎng)絡通信體系是智能電網(wǎng)的關鍵支撐平臺，為了應對智能電網(wǎng)的 挑戰(zhàn)，必須增強網(wǎng)絡端到端的健壯性，本文針對這個需求，梳理了適用的網(wǎng)絡技術體系，體 系覆蓋了從網(wǎng)絡核心和網(wǎng)絡邊緣的技術及其標準，文中所提出的骨干網(wǎng)業(yè)務隔離和流量工程 的部署策略，以及智能傳感結(jié)點協(xié)議棧的實現(xiàn)模式，對智能電網(wǎng)通信平臺的建設具有一定的 參考價值，在實踐中，也還需要圍繞具體的應用來選擇實現(xiàn)方案并在具體實施中細化。