智能电网的网络通信架构及关键技术

1引言 建设信息化、自动化、互动化为特征的坚强智 能电网(Smart Grid，SG)要求健壮的网络通信支 撑平台，分布式状态可感知能力、先进的电表计量 基础设施(AMI)以及实时的需求响应等功能，这 些都对现有的网络平台提出了更高的要求。智能电 网的网络通信平台为电力行业的生产运行、输电、 配电、市场业务等多个领域提供服务，需求的多样 性决定了其构成的复杂性，智能电网的网络支撑体 系将是一个融合了多种网络技术的综合平台，有多 种网络成分构成，既需要骨干网，又需要接入网和 多种驻地网，既依赖于企业专网，也离不开公共的 因特网，在技术上，将融合成熟的 TCP/IP、MPLS、 工业以太网和新型的无线传感器网络和物联网，涉 及多种网络协议。 因此，有必要对智能电网的网络通信架构进行 研究，明确不同应用领域的关键网络技术。

2 智能电网的框架与概念参考模型

中国的智能电网建设提出了以特高压电网为骨 干网架，以坚强智能电网为基础，以通信信息平台 为支撑，以智能控制为手段，包含电力系统的发电、 输电、变电、配电、用电和调度各个环节的发展路 线，强调各个领域电力流、信息流和业务流的融合， 因此，智能电网的框架中各个关键领域的沟通，必 然是由网络通信为桥梁实现的。 2009 年 9 月 ， 美 国 国 家 标 准 与 技 术 研 究 所 (NIST)提出了关于智能电网互操作标准的框架与 路线图，明确了推进标准化工作的 8 个优先发展领 域：广域网状态可感知、需求响应、电能存储、电 力交通、网络安全、网络通信、先进的计量基础设 施和配网管理 [1] 。其中，有三个领域与网络技术直 接相关。 网络安全(Cyber Security) ：为保证电子信息系 统的保密性、完整性和可用性采取的措施，是保护和 管理智能电网中的电能、信息和通信设施必须的。 网络通信(Network Communication) ： 要求针对 智能电网各个关键领域的应用和操作器的网络通信 需求，实施和维护合适的安全和访问控制手段。该 领域覆盖电力专网和公共网络。 先进的计量基础设施(Advanced Metering Infrastructure，AMI) ：能够提供双向通信，既能为多个功 能系统所使用，也能使授权的第三方与用户设备和系 统交换信息，AMI 系统能为用户提供透明的实时电价 感知功能，也能帮助供电方实现必要的减负目标。 为了有助于智能电网的规划，最终建立一个能 够互操作的网络集合， NIST 提出了智能电网的概念 参考模型，将智能电网划分为 7 个领域，这 7 个领 域是： 用户、 电力市场、 电力市场的运行和操作者、 供电、运行、输电和配电。其中，供电部门为终端 用户提供供电服务;用户不仅是电力系统的终端用 户，也能够参与发电、输电和管理电能的使用，主 要分为三类：居民用户、商业用户、工业用户;大 容量发电单位既能发电也可储电。 这 7 个领域覆盖电力行业的各个环节， 每个领域 和子领域中的执行单元(软件、硬件设备和系统)通 常需要通过网络与其他域的执行单元进行交互。因 此，网络平台在智能电网中起着关键的支撑作用，它 用于连通智能电网各个领域。 1 为智能电网的概念 图 参考图，该图只是一个概念参考模型，并不是实际的 系统结构图，因此，虽然图中网络连接的 7 个域跨越 不同的安全区，但并没有
指明网络隔离元素。

图1 智能电网的概念参考模型

3 智能电网的网络技术架构

需求，结合当前网络技术的发展和应用现状，对智 能电网的网络技术体系进行了梳理。 智能电网是复杂系统的互联，这也决定了其网 络支撑平台是多种网络技术的集成，在网络结构上 具有复杂性，在网络技术上具有多样性，在安全管 理、端到端的一致性等方面具有挑战性。 智能电网的不同域因为业务需求的不同，对底 层网络通信的要求也有不同，因此，迫切需要从智 能电网不同领域的网络与通信需求出发，对各种网 络技术进行分析和定位。

表 1 针对智能电网各领域

4 承载电力系统多业务平台的骨干网技术

电力数据网络和电力信息网络是电力行业的专 用骨干网，它是智能电网的信息高速公路，承载主 要数据流量，为保证信息流和业务流畅通无阻，首 先必须建设一个健壮的(Robust)电力骨干数据网 络，坚强智能电网对电力数据网的要求主要集中在 两个方面：一是对安全提出了更高的要求，电力骨 表1 网络成分 广域网(WAN) IP、DWDM 智能电网的网络技术架构 应用说明 提供电力数据网(骨干网)、因特网的网络互联和路由等功能 骨干网中提供标记交换，隔离不同业务的流量 保护原有投资技术，已逐渐退出应用 为接入城域网、广域网提供物理通道 可用于 LAN(以太网)接入城域网 以无线方式接入广域网 无源光网络，提供光纤接入方式 电力企业的 Intranet 电厂、变电站等生产控制领域 电厂、变电站等生产控制领域 IED 设备互连 用于计量、仪表数据采集等数据的传输 输、配电、用电侧的数据采集、监测和监控 设备巡检中标签数据的采集 智能化住宅小区，提供家庭用户的光纤接入 提供驻地网及用户家庭网络接入，远程抄表、因特网接入 用户驻地网或家庭网络接入，远程抄表 用于 HAN 中智能家居，家电控制 可采用的网络技术 MPLS、MPLS VPN ATM SDH MSTP GPRS PON IEEE 802.3、802.1d、802.1q RS-485、PROFIBUS 等传统的现场总线 工业以太网(802.3、802.1d、802.1q) N-PLC、B-PLC/BPL(窄带、 宽带电力线载波通信) 无线传感器网络(802.15.x) 物联网、RFID PON /EPON/FTTH 接入网(AN) 企业本地网(LAN) 现场区域网(FAN) 用户驻地网 及家庭网络(HAN) N-PLC、B-PLC/BPL 无线局域网 802.11 无线传感器网络(802.15.x) 干网在安全性建设方面一直比较重视， 安全性是另一个专题， 本文不打算在这方面展开讨论; 二是对网络的可靠性、可用性和服务质量(QoS)保证提出了更高的要求。

目前，电力骨干网络中主要采用 MPLS 技术，电力行业采用 MPLS 有以下考虑： (1)利用 MPLS VPN 对不同业务之间进行逻辑隔离，通过为不同的业务系统划分虚拟 专用网，有效隔离不同业务，保证业务的安全和可靠运行。 (2)简化中间结点：主要的分类和标记功能由边缘结点承担。网络中心只需要按标记 转发。 (3)针对不同业务需求提供服务质量保证，MPLS 本身不是一种 QoS 体制，但可以在 MPLS 框架中实现 IP 层的 QoS 机制。通过将区分服务(DiffServ)的逐跳转发行为(PHB) 与 MPLS 的标签绑定，MPLS 域中路由器依据 MPLS 标签转发 IP 包，实现 QoS 策略。 为了适应智能电网更多实时性的互动流量的增长，本文主要强调骨干网两个方面技术的 深化应用：一是 VPN 的部属策略;另一个是流量工程的规划。 (1)细化 VPN 部属策略，以提供细分的业务隔离和对关键业务提供 QoS 保证 随着智能电网应用流量在种类和数量上的增长，必须对在同一骨干网络上运行的不同业 务系统和不同业务单位提供细化的隔离手段，可采用三层VPN对骨干网络中承载的不同业务 系统进行隔离，采用二层VPN技术对通过骨干网连接的不同业务单位进行隔离。MPLS 可提 供二层和三层的VPN技术，以太网最新的桥接协议(PBB)也可为广域网提供二层的隔离 VLAN[2]。

这里以电力调度数据网络为例，根据不同业务的实时性需求给出了一个粗粒度的 VPN 划分： 1) 实时业务 VPN： 主要包括传输频度在秒级的数据， 远动信息、 如： 网络 RTU、 AGC/MGC、 水调自动化、EMS 系统之间交换的用于网络分析的实时数据、电力市场实时数据等。 2)准实时业务 VPN：如无功电压管理系统、地调网供负荷计划数据、地方小火电发电 计划数据和错峰预警信号等数据、电度量计费系统。 3)非实时业务 VPN：继电保护及故障录波信号、调度生产运行报表等。 调度数据网作为生产类网络，不允许承载对外的公网访问流量，因此，不设置缺省业务 流量，信息数据网可以设缺省业务流量。 (2)部属流量工程，优化网络全局的抗拥塞和抗故障能力 流量工程(TE)能够解决负载不均衡出现的拥塞问题，方法是使网络流量同网络拓扑相 互匹配，从而提高网络资源的利用率，传统 IP 网络一旦为一个 IP 包选择了一条路径，则不 管这条链路是否拥塞，IP 包都会沿着这条路径传送，MPLS 流量工程可以控制 IP 包在网络中 所走过的路径，这样可以避免传统路由协议的盲目行为，在建立路径时，就考虑流量的合理 分布，实现网络资源的合理利用。 TE 弹性属性决定在链路故障或结点失效时采取的策略。

当流量传输路径上发生故障时， 需要解决以下几个基本问题：故障检测、故障通知、链路复原与业务恢复。如果流量主干流 经的路径发生了故障，那么可以为它们指定许多恢复策略，下面给出的是一些可行的策略： 1)在结点之间配置有多条平行的路径，根据某种控制策略，发生故障时，使得在一条 LSP 失败后，其上的流量转移到其它的 LSP 上。 2)将流量主干重新路由到具有充足资源的路径上。如果没有所需的路径的话，则不进 行重新路由。 3)考虑各种资源约束参数，将流量重新路由到任意一条可用路径上。 骨干数据网可采用类似第一种策略，即沿袭路径备份的策略，可以配置两条 LSP，一条处 于激活状态，另外一条处于备份状态，一旦主 LSP 出现故障，业务立刻导向备份的 LSP，直到 主 LSP 从故障中恢复，业务再从备份的 LSP 切回到主 LSP。同时，要求网络具有重路由的机 制，以备需要时启动，MPLS 网络的 RSVP-TE 和 CR-LDP 均支持重路由机制。

5 分布式传感器网络

分布式传感器网络在智能电网中是大有用武之地的，它可以解决从电力系统远程监测、 状态感知、远程控制，到用户侧的实时计量和智能家居交互。分布式的传感器网络涵盖较为 宽泛的网络技术，但共同之处是设备基于嵌入式平台，计算资源有限，要求低能耗，数据量 不大，在不易布线的环境下需要无线传输等。目前流行的 TCP/IP 是为了计算机之间共享资源而提出的，而传感器网络则是面向监控 的，在工业网络中引入流行的 TCP/IP 和以太网技术，是为了从其开放性、高带宽、低成本、 建设和运维的简易性和扩展的灵活性等优点中获益。但同时也引入了过多的协议开销、分组 交换的不稳定性，以及开放所带来的安全隐患。特别是，在面向数据采集和控制的智能传感 器应用中，层层嵌套的协议首部在数据单元中所占比重过大，例如：常用的 TCP-〉IP-〉以 太网协议封装，带来额外 20+20+18=58 字节的协议首部，相对所发送的状态数据、控制数据 等比重过大，此外，层层的协议处理也带来额外的处理延时，这对于计算资源有限、低带宽、 低能耗的传感器网络来说是不可忽略的。

本文从网络通信协议栈的角度出发，把用于智能电网的智能结点分为两类： (1)需要端到端 IP 连接的设备：如变电站中的一些提供核心服务的 IED、智能家居中 的家庭网关等。这类智能结点通常作为 IP 网络中可访问的常规结点，需要完整的 TCP/IP 协 议栈，但可以采用轻量级的 IP 协议。(2)无需端到端IP传输的：如变电站中的现场层用于数据采集和控制的IED设备，智能 家居中的被控设备结点等。这些结点通常只对本地提供访问，因此MAC层的寻址和接入控制 功能就够用了，可采用精简的协议栈，将应用层直接映射到数据链路层，如图 2(b) 。

后者 的典型应用如IEC61850 中定义的具有低延时要求(1~4ms)的变电站事件通用对象GOOSE 报文 [3] 。 (a)完整协议栈模型 (b)精简协议栈模型 图2 智能结点的协议栈 在完整协议栈中，建议IP层选用IPv6 协议，以利用其带来的丰富的地址资源、自动编址能 力、硬件地址到IP地址的自动转换和简化的协议首部处理等优点。可以在嵌入式平台上采用简 化的IPv6 方案——6LowPAN (IPv6 over Low Power WPAN) ，这是针对无线传感器网络、无 [3] 线个人区域网络(WPAN)的IPv6 优化方案 。已有 27 个公司发起了针对智能对象联网的IP 标准协作组织——IPSO(The IP for Smart Object alliance) ，目前已有 45 个成员，包括Cisco、 SAP、SUN、Bosch、Intel等，该组织所提出的IPv6 协议栈?IPv6 可以和主流厂商的协议栈互 操作，轻量级的代码只需要 11.5kB的内存。 6 结论 高性能和高安全可靠的网络通信体系是智能电网的关键支撑平台，为了应对智能电网的 挑战，必须增强网络端到端的健壮性，本文针对这个需求，梳理了适用的网络技术体系，体 系覆盖了从网络核心和网络边缘的技术及其标准，文中所提出的骨干网业务隔离和流量工程 的部署策略，以及智能传感结点协议栈的实现模式，对智能电网通信平台的建设具有一定的 参考价值，在实践中，也还需要围绕具体的应用来选择实现方案并在具体实施中细化。