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

1引言 建設(shè)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化為特征的堅(jiān)強(qiáng)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(jì)量 基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)以及實(shí)時(shí)的需求響應(yīng)等功能，這 些都對現(xiàn)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(yùn)行、輸電、 配電、市場業(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(gòu)成的復(fù)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(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(shù)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(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(gòu)進(jìn)行 研究，明確不同應(yīng)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(shè)提出了以特高壓電網(wǎng)為骨 干網(wǎng)架，以堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)為基礎(chǔ)，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(gè)環(huán)節(jié)的發(fā)展路 線，強(qiáng)調(diào)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(xiàn)的。 2009 年 9 月 ， 美 國 國 家 標(biāo) 準(zhǔn) 與 技 術(shù) 研 究 所 (NIST)提出了關(guān)于智能電網(wǎng)互操作標(biāo)準(zhǔn)的框架與 路線圖，明確了推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)、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(jì)量基礎(chǔ)設(shè) 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(tǒng)的保密性、完整性和可用性采取的措施，是保護(hù)和 管理智能電網(wǎng)中的電能、信息和通信設(shè)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(yīng)用和操作器的網(wǎng)絡(luò)通信 需求，實(shí)施和維護(hù)合適的安全和訪問控制手段。該 領(lǐng)域覆蓋電力專網(wǎng)和公共網(wǎng)絡(luò)。 先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施(Advanced Metering Infrastructure，AMI) ：能夠提供雙向通信，既能為多個(gè)功 能系統(tǒng)所使用，也能使授權(quán)的第三方與用戶設(shè)備和系 統(tǒng)交換信息，AMI 系統(tǒng)能為用戶提供透明的實(shí)時(shí)電價(jià) 感知功能，也能幫助供電方實(shí)現(xiàn)必要的減負(fù)目標(biāo)。 為了有助于智能電網(wǎng)的規(guī)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、 電力市場、 電力市場的運(yùn)行和操作者、 供電、運(yùn)行、輸電和配電。其中，供電部門為終端 用戶提供供電服務(wù);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(gè)領(lǐng)域覆蓋電力行業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)， 每個(gè)領(lǐng)域 和子領(lǐng)域中的執(zhí)行單元(軟件、硬件設(shè)備和系統(tǒng))通 常需要通過網(wǎng)絡(luò)與其他域的執(zhí)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qū)，但并沒有
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(gòu)

需求，結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)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(fù)雜系統(tǒng)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(jié)構(gòu)上 具有復(fù)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(zhàn)性。 智能電網(wǎng)的不同域因?yàn)闃I(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(tǒng)多業(yè)務(wù)平臺的骨干網(wǎng)技術(shù)

電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和電力信息網(wǎng)絡(luò)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(wù)流暢通無阻，首 先必須建設(shè)一個(gè)健壯的(Robust)電力骨干數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)對電力數(shù)據(jù)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(gòu) 應(yīng)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(luò)互聯(lián)和路由等功能 骨干網(wǎng)中提供標(biāo)記交換，隔離不同業(yè)務(wù)的流量 保護(hù)原有投資技術(shù)，已逐漸退出應(yīng)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(luò)，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(lǐng)域 電廠、變電站等生產(chǎn)控制領(lǐng)域 IED 設(shè)備互連 用于計(jì)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(shè)備巡檢中標(biāo)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(luò)接入，遠(yuǎn)程抄表、因特網(wǎng)接入 用戶駐地網(wǎng)或家庭網(wǎng)絡(luò)接入，遠(yuǎn)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(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(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(xiàn)場區(qū)域網(wǎng)(FAN) 用戶駐地網(wǎng) 及家庭網(wǎng)絡(luò)(HAN) N-PLC、B-PLC/BPL 無線局域網(wǎng) 802.11 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(802.15.x) 干網(wǎng)在安全性建設(shè)方面一直比較重視， 安全性是另一個(gè)專題， 本文不打算在這方面展開討論; 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，通過為不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)劃分虛擬 專用網(wǎng)，有效隔離不同業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)的安全和可靠運(yùn)行。 (2)簡化中間結(jié)點(diǎn)：主要的分類和標(biāo)記功能由邊緣結(jié)點(diǎn)承擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)中心只需要按標(biāo)記 轉(zhuǎn)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(xiàn) IP 層的 QoS 機(jī)制。通過將區(qū)分服務(wù)(DiffServ)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)行為(PHB) 與 MPLS 的標(biāo)簽綁定，MPLS 域中路由器依據(jù) MPLS 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā) IP 包，實(shí)現(xiàn) QoS 策略。 為了適應(yīng)智能電網(wǎng)更多實(shí)時(shí)性的互動(dòng)流量的增長，本文主要強(qiáng)調(diào)骨干網(wǎng)兩個(gè)方面技術(shù)的 深化應(yīng)用：一是 VPN 的部屬策略;另一個(gè)是流量工程的規(guī)劃。 (1)細(xì)化 VPN 部屬策略，以提供細(xì)分的業(yè)務(wù)隔離和對關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供 QoS 保證 隨著智能電網(wǎng)應(yīng)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(luò)上運(yùn)行的不同業(yè) 務(wù)系統(tǒng)和不同業(yè)務(wù)單位提供細(xì)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(tǒng)進(jìn)行隔離，采用二層VPN技術(shù)對通過骨干網(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(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為例，根據(jù)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(shù)據(jù)， 遠(yuǎn)動(dòng)信息、 如： 網(wǎng)絡(luò) RTU、 AGC/MGC、 水調(diào)自動(dòng)化、EMS 系統(tǒng)之間交換的用于網(wǎng)絡(luò)分析的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、電力市場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。 2)準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：如無功電壓管理系統(tǒng)、地調(diào)網(wǎng)供負(fù)荷計(jì)劃數(shù)據(jù)、地方小火電發(fā)電 計(jì)劃數(shù)據(jù)和錯(cuò)峰預(yù)警信號等數(shù)據(jù)、電度量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。 3)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：繼電保護(hù)及故障錄波信號、調(diào)度生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表等。 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)作為生產(chǎn)類網(wǎng)絡(luò)，不允許承載對外的公網(wǎng)訪問流量，因此，不設(shè)置缺省業(yè)務(wù) 流量，信息數(shù)據(jù)網(wǎng)可以設(shè)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(fù)載不均衡出現(xiàn)的擁塞問題，方法是使網(wǎng)絡(luò)流量同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?互匹配，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，傳統(tǒng) 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(shí)，就考慮流量的合理 分布，實(shí)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)失效時(shí)采取的策略。

當(dāng)流量傳輸路徑上發(fā)生故障時(shí)， 需要解決以下幾個(gè)基本問題：故障檢測、故障通知、鏈路復(fù)原與業(yè)務(wù)恢復(fù)。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(fù)策略，下面給出的是一些可行的策略： 1)在結(jié)點(diǎn)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(shí)，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(jìn) 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(wù)立刻導(dǎo)向備份的 LSP，直到 主 LSP 從故障中恢復(fù)，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(jī) 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(jī)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(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測、 狀態(tài)感知、遠(yuǎn)程控制，到用戶側(cè)的實(shí)時(shí)計(jì)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(shè)備基于嵌入式平臺，計(jì)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(jì)算機(jī)之間共享資源而提出的，而傳感器網(wǎng)絡(luò)則是面向監(jiān)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)，是為了從其開放性、高帶寬、低成本、 建設(shè)和運(yùn)維的簡易性和擴(kuò)展的靈活性等優(yōu)點(diǎn)中獲益。但同時(shí)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(yīng)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(shí)，這對于計(jì)算資源有限、低帶寬、 低能耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是不可忽略的。

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(jié)點(diǎn)分為兩類： (1)需要端到端 IP 連接的設(shè)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。這類智能結(jié)點(diǎn)通常作為 IP 網(wǎng)絡(luò)中可訪問的常規(guī)結(jié)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(shè)備，智能 家居中的被控設(shè)備結(jié)點(diǎn)等。這些結(jié)點(diǎn)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(yīng)用層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，如圖 2(b) 。

后者 的典型應(yīng)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(bào)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(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(zhuǎn)換和簡化的協(xié)議首部處理等優(yōu)點(diǎn)?？梢栽谇度胧狡脚_上采用簡 化的IPv6 方案——6LowPAN (IPv6 over Low Power WPAN) ，這是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無 [3] 線個(gè)人區(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)通信體系是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵支撐平臺，為了應(yīng)對智能電網(wǎng)的 挑戰(zhàn)，必須增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)，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(jié)點(diǎn)協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)模式，對智能電網(wǎng)通信平臺的建設(shè)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(yīng)用來選擇實(shí)現(xiàn)方案并在具體實(shí)施中細(xì)化。