智能電網的網絡通信架構及關鍵技術

2013-12-20 10:52:50 電力信息化　點擊量：評論 (0)

1引言　　建設信息化、自動化、互動化為特征的堅強智能電網(Smart Grid，SG)要求健壯的網絡通信支撐平臺，分布式狀態可感知能力、先進的電表計量基礎設施(AMI)以及實時的需求響應等功能，這些都對現有的網絡

1引言

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

　　2 智能電網的框架與概念參考模型

　　中國的智能電網建設提出了以特高壓電網為骨干網架，以堅強智能電網為基礎，以通信信息平臺為支撐，以智能控制為手段，包含電力系統的發電、輸電、變電、配電、用電和調度各個環節的發展路線，強調各個領域電力流、信息流和業務流的融合，因此，智能電網的框架中各個關鍵領域的溝通，必然是由網絡通信為橋梁實現的。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個優先發展領域：廣域網狀態可感知、需求響應、電能存儲、電力交通、網絡安全、網絡通信、先進的計量基礎設施和配網管理[1]。其中，有三個領域與網絡技術直接相關。網絡安全（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中的電能、信息和通信設施必須的。網絡通信（NetworkCommunication）：要求針對智能電網各個關鍵領域的應用和操作器的網絡通信需求，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和公共網絡。先進的計量基礎設施（AdvancedMeteringInfrastructure，AMI）：能夠提供雙向通信，既能為多個功能系統所使用，也能使授權的第三方與用戶設備和系統交換信息，AMI系統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必要的減負目標。為了有助于智能電網的規劃，最終建立一個能夠互操作的網絡集合，NIST提出了智能電網的概念參考模型，將智能電網劃分為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的終端用戶，也能夠參與發電、輸電和管理電能的使用，主要分為三類：居民用戶、商業用戶、工業用戶；大容量發電單位既能發電也可儲電。這7個領域覆蓋電力行業的各個環節，每個領域和子領域中的執行單元（軟件、硬件設備和系統）通常需要通過網絡與其他域的執行單元進行交互。因此，網絡平臺在智能電網中起著關鍵的支撐作用，它用于連通智能電網各個領域。1為智能電網的概念圖參考圖，該圖只是一個概念參考模型，并不是實際的系統結構圖，因此，雖然圖中網絡連接的7個域跨越不同的安全區，但并沒有指明網絡隔離元素。

　3 智能電網的網絡技術架構

　　需求，結合當前網絡技術的發展和應用現狀，對智能電網的網絡技術體系進行了梳理。智能電網是復雜系統的互聯，這也決定了其網絡支撐平臺是多種網絡技術的集成，在網絡結構上具有復雜性，在網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性。智能電網的不同域因為業務需求的不同，對底層網絡通信的要求也有不同，因此，迫切需要從智能電網不同領域的網絡與通信需求出發，對各種網絡技術進行分析和定位。

　4 承載電力系統多業務平臺的骨干網技術

　　電力數據網絡和電力信息網絡是電力行業的專用骨干網，它是智能電網的信息高速公路，承載主要數據流量，為保證信息流和業務流暢通無阻，首先必須建設一個健壯的（Robust）電力骨干數據網絡，堅強智能電網對電力數據網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網絡成分廣域網（WAN）IP、DWDM智能電網的網絡技術架構應用說明提供電力數據網（骨干網）、因特網的網絡互聯和路由等功能骨干網中提供標記交換，隔離不同業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、廣域網提供物理通道可用于LAN（以太網）接入城域網以無線方式接入廣域網無源光網絡，提供光纖接入方式電力企業的Intranet電廠、變電站等生產控制領域電廠、變電站等生產控制領域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，提供家庭用戶的光纖接入提供駐地網及用戶家庭網絡接入，遠程抄表、因特網接入用戶駐地網或家庭網絡接入，遠程抄表用于HAN中智能家居，家電控制可采用的網絡技術MPLS、MPLSVPNATMSDHMSTPGPRSPONIEEE802.3、802.1d、802.1qRS-485、PROFIBUS等傳統的現場總線工業以太網（802.3、802.1d、802.1q）N-PLC、B-PLC/BPL（窄帶、寬帶電力線載波通信）無線傳感器網絡（802.15.x）物聯網、RFIDPON/EPON/FTTH接入網（AN）企業本地網（LAN）現場區域網（FAN）用戶駐地網及家庭網絡（HAN）N-PLC、B-PLC/BPL無線局域網802.11無線傳感器網絡（802.15.x）干網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；二是對網絡的可靠性、可用性和服務質量（QoS）保證提出了更高的要求。

　　目前，電力骨干網絡中主要采用MPLS技術，電力行業采用MPLS有以下考慮：

　　（1）利用MPLSVPN對不同業務之間進行邏輯隔離，通過為不同的業務系統劃分虛擬專用網，有效隔離不同業務，保證業務的安全和可靠運行。

　　（2）簡化中間結點：主要的分類和標記功能由邊緣結點承擔。網絡中心只需要按標記轉發。

　　（3）針對不同業務需求提供服務質量保證，MPLS本身不是一種QoS體制，但可以在MPLS框架中實現IP層的QoS機制。通過將區分服務（DiffServ）的逐跳轉發行為（PHB）與MPLS的標簽綁定，MPLS域中路由器依據MPLS標簽轉發IP包，實現QoS策略。為了適應智能電網更多實時性的互動流量的增長，本文主要強調骨干網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劃。

　　（4）細化VPN部屬策略，以提供細分的業務隔離和對關鍵業務提供QoS保證隨著智能電網應用流量在種類和數量上的增長，必須對在同一骨干網絡上運行的不同業務系統和不同業務單位提供細化的隔離手段，可采用三層VPN對骨干網絡中承載的不同業務系統進行隔離，采用二層VPN技術對通過骨干網連接的不同業務單位進行隔離。MPLS可提供二層和三層的VPN技術，以太網最新的橋接協議（PBB）也可為廣域網提供二層的隔離VLAN[2]。

　　這里以電力調度數據網絡為例，根據不同業務的實時性需求給出了一個粗粒度的VPN劃分：

　　1）實時業務VPN：主要包括傳輸頻度在秒級的數據，遠動信息、如：網絡RTU、AGC/MGC、水調自動化、EMS系統之間交換的用于網絡分析的實時數據、電力市場實時數據等。

　　2）準實時業務VPN：如無功電壓管理系統、地調網供負荷計劃數據、地方小火電發電計劃數據和錯峰預警信號等數據、電度量計費系統。

　　3）非實時業務VPN：繼電保護及故障錄波信號、調度生產運行報表等。調度數據網作為生產類網絡，不允許承載對外的公網訪問流量，因此，不設置缺省業務流量，信息數據網可以設缺省業務流量。

　　4）部屬流量工程，優化網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的擁塞問題，方法是使網絡流量同網絡拓撲相互匹配，從而提高網絡資源的利用率，傳統IP網絡一旦為一個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包在網絡中所走過的路徑，這樣可以避免傳統路由協議的盲目行為，在建立路徑時，就考慮流量的合理分布，實現網絡資源的合理利用。TE彈性屬性決定在鏈路故障或結點失效時采取的策略。

　　當流量傳輸路徑上發生故障時，需要解決以下幾個基本問題：故障檢測、故障通知、鏈路復原與業務恢復。如果流量主干流經的路徑發生了故障，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）在結點之間配置有多條平行的路徑，根據某種控制策略，發生故障時，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，將流量重新路由到任意一條可用路徑上。骨干數據網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，另外一條處于備份狀態，一旦主LSP出現故障，業務立刻導向備份的LSP，直到主LSP從故障中恢復，業務再從備份的LSP切回到主LSP。同時，要求網絡具有重路由的機制，以備需要時啟動，MPLS網絡的RSVP-TE和CR-LDP均支持重路由機制。

　　5 分布式傳感器網絡

　　分布式傳感器網絡在智能電網中是大有用武之地的，它可以解決從電力系統遠程監測、狀態感知、遠程控制，到用戶側的實時計量和智能家居交互。分布式的傳感器網絡涵蓋較為寬泛的網絡技術，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，數據量不大，在不易布線的環境下需要無線傳輸等。目前流行的TCP/IP是為了計算機之間共享資源而提出的，而傳感器網絡則是面向監控的，在工業網絡中引入流行的TCP/IP和以太網技術，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點中獲益。但同時也引入了過多的協議開銷、分組交換的不穩定性，以及開放所帶來的安全隱患。特別是，在面向數據采集和控制的智能傳感器應用中，層層嵌套的協議首部在數據單元中所占比重過大，例如：常用的TCP-〉IP-〉以太網協議裝，帶來額外20+20+18=58字節的協議首部，相對所發送的狀態數據、控制數據等比重過大，此外，層層的協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、低能耗的傳感器網絡來說是不可忽略的。

　　本文從網絡通信協議棧的角度出發，把用于智能電網的智能結點分為兩類：

　　（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關等。這類智能結點通常作為IP網絡中可訪問的常規結點，需要完整的TCP/IP協議棧，但可以采用輕量級的IP協議。

　　（2）無需端到端IP傳輸的：如變電站中的現場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等。這些結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，可采用精簡的協議棧，將應用層直接映射到數據鏈路層。

　　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）完整協議棧模型（b）精簡協議棧模型圖2 智能結點的協議棧在完整協議棧中，建議IP層選用IPv6協議，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地址的自動轉換和簡化的協議首部處理等優點。可以在嵌入式平臺上采用簡化的IPv6方案6LowPAN（IPv6overLowPowerWPAN），這是針對無線傳感器網絡、無[3]線個人區域網絡（WPAN）的IPv6優化方案。已有27個公司發起了針對智能對象聯網的IP標準協作組織IPSO（TheIPforSmartObjectalliance），目前已有45個成員，包括Cisco、SAP、SUN、Bosch、Intel等，該組織所提出的IPv6協議棧？IPv6可以和主流廠商的協議棧互操作，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絡通信體系是智能電網的關鍵支撐平臺，為了應對智能電網的挑戰，必須增強網絡端到端的健壯性，本文針對這個需求，梳理了適用的網絡技術體系，體系覆蓋了從網絡核心和網絡邊緣的技術及其標準，文中所提出的骨干網業務隔離和流量工程的部署策略，以及智能傳感結點協議棧的實現模式，對智能電網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方案并在具體實施中細化。