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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。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（CyberSecurity）：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（NetworkCommunication）：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（AdvancedMeteringInfrastructure，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。圖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、MPLSVPNATMSDHMSTPGPRSPONIEEE802.3、802.1d、802.1qRS-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)、RFIDPON/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MPLSVPN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。 �。�4）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。 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。 4）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。（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（IPv6overLowPowerWPAN），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（TheIPforSmartObjectalliance），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�；ゲ僮�，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。 來(lái)源：智能電網(wǎng) |
