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

2013-12-20 10:52:50 電力信息化　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

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(tái)，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(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提出了更高的要求。智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為電力行業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)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(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(tái)，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(duì)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(tái)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(chǔ)、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（CyberSecurity）：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（NetworkCommunication）：要求針對(duì)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（AdvancedMeteringInfrastructure，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(chǎng)、電力市場(chǎng)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(chǔ)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(tái)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。

　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(duì)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(tái)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(duì)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(duì)各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行分析和定位。

　4 承載電力系統(tǒng)多業(yè)務(wù)平臺(tái)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(duì)電力數(shù)據(jù)網(wǎng)的要求主要集中在兩個(gè)方面：一是對(duì)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(cè)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、MPLSVPNATMSDHMSTPGPRSPONIEEE802.3、802.1d、802.1qRS-485、PROFIBUS等傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)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)、RFIDPON/EPON/FTTH接入網(wǎng)（AN）企業(yè)本地網(wǎng)（LAN）現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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。

　　（4）細(xì)化VPN部屬策略，以提供細(xì)分的業(yè)務(wù)隔離和對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(chǎng)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(hào)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(hào)、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(duì)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。

　　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(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)湎嗷テヅ洌瑥亩岣呔W(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(cè)、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(cè)、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(tái)，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壳傲餍械腡CP/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)議裝，帶來額外20+20+18=58字節(jié)的協(xié)議首部，相對(duì)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(duì)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(jí)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(chǎng)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(duì)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。

　　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(duì)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)。可以在嵌入式平臺(tái)上采用簡化的IPv6方案6LowPAN（IPv6overLowPowerWPAN），這是針對(duì)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(duì)智能對(duì)象聯(lián)網(wǎng)的IP標(biāo)準(zhǔn)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可以和主流廠商的協(xié)議棧互操作，輕量級(jí)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(tái)，為了應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)智能電網(wǎng)通信平臺(tái)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。

責(zé)任編輯：和碩涵

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