徐 磊

（華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京 102206）

1 引言

建設(shè)信息化、自動化、互動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、先進的電表計量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）以及實時的需求響應(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)運行、輸電、配電、市場業(yè)務(wù)等多個領(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，以堅強智能電網(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)度各個環(huán)節(jié)的發(fā)展路線，強調(diào)各個領(lǐng)域電力流、信息流和業(yè)務(wù)流的融合，因此，智能電網(wǎng)的框架中各個關(guān)鍵領(lǐng)域的溝通，必然是由網(wǎng)絡(luò)通信為橋梁實現(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，明確了推進標(biāo)準(zhǔn)化工作的8個優(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、先進的計量基礎(chǔ)設(shè)施和配網(wǎng)管理[1]。其中，有三個領(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)各個關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用和操作器的網(wǎng)絡(luò)通信需求，實施和維護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)。

先進的計量基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Metering Infrastructure，AMI）：能夠提供雙向通信，既能為多個功能系統(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時電價感知功能，也能幫助供電方實現(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個領(lǐng)域，這7個領(lǐng)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(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個領(lǐng)域覆蓋電力行業(yè)的各個環(huán)節(jié)，每個領(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)各個領(lǐng)域。圖1為智能電網(wǎng)的概念參考圖，該圖只是一個概念參考模型，并不是實際的系統(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)

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)進行分析和定位。表1針對智能電網(wǎng)各領(lǐng)域需求，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)體系進行了梳理。

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)一個健壯的（Robust）電力骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，堅強智能電網(wǎng)對電力數(shù)據(jù)網(wǎng)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。

表1 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

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)的安全和可靠運行。

（2）簡化中間結(jié)點：主要的分類和標(biāo)記功能由邊緣結(jié)點承擔(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框架中實現(xiàn) IP層的 QoS機制。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，實現(xiàn)QoS策略。

為了適應(yīng)智能電網(wǎng)更多實時性的互動流量的增長，本文主要強調(diào)骨干網(wǎng)兩個方面技術(shù)的深化應(yīng)用：一是VPN 的部屬策略；另一個是流量工程的規(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)的實時性需求給出了一個粗粒度的VPN劃分：

1）實時業(yè)務(wù) VPN：主要包括傳輸頻度在秒級的數(shù)據(jù)，如：遠(yuǎn)動信息、網(wǎng)絡(luò) RTU、AGC/MGC、水調(diào)自動化、EMS系統(tǒng)之間交換的用于網(wǎng)絡(luò)分析的實時數(shù)據(jù)、電力市場實時數(shù)據(jù)等。

2）準(zhǔn)實時業(yè)務(wù) VPN：如無功電壓管理系統(tǒng)、地調(diào)網(wǎng)供負(fù)荷計劃數(shù)據(jù)、地方小火電發(fā)電計劃數(shù)據(jù)和錯峰預(yù)警信號等數(shù)據(jù)、電度量計費系統(tǒng)。

3）非實時業(yè)務(wù) VPN：繼電保護及故障錄波信號、調(diào)度生產(chǎn)運行報表等。

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)湎嗷テヅ?，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(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，就考慮流量的合理分布，實現(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)點失效時采取的策略。當(dāng)流量傳輸路徑上發(fā)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(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，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，要求網(wǎng)絡(luò)具有重路由的機制，以備需要時啟動，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(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測、狀態(tài)感知、遠(yuǎn)程控制，到用戶側(cè)的實時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(shè)備基于嵌入式平臺，計算資源有限，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?/p>

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(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)和運維的簡易性和擴展的靈活性等優(yōu)點中獲益。但同時也引入了過多的協(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，這對于計算資源有限、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)點通常作為IP網(wǎng)絡(luò)中可訪問的常規(guī)結(jié)點，需要完整的TCP/IP協(xié)議棧，但可以采用輕量級的IP協(xié)議，如圖2（a）。

（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)點等。這些結(jié)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(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要求（1～4ms）的變電站事件通用對象GOOSE報文[3]。

圖2 智能結(jié)點的協(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、自動編址能力、硬件地址到IP地址的自動轉(zhuǎn)換和簡化的協(xié)議首部處理等優(yōu)點?？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)、無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（WPAN）的IPv6 優(yōu)化方案[3]。已有27個公司發(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個成員，包括Cisco、SAP、SUN、Bosch、Intel等，該組織所提出的IPv6協(xié)議棧μIPv6可以和主流廠商的協(xié)議?；ゲ僮?，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)，必須增強網(wǎng)絡(luò)端到端的健壯性，本文針對這個需求，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)點協(xié)議棧的實現(xiàn)模式，對智能電網(wǎng)通信平臺的建設(shè)具有一定的參考價值，在實踐中，也還需要圍繞具體的應(yīng)用來選擇實現(xiàn)方案并在具體實施中細(xì)化。

[1]NIST, NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards Release 1.0 Sept. 2009

[2]IEEE 802.1ah, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Virtual Bridged Local Area Networks Amendment 7∶ Provider Backbone Bridges, Aug. 2008

[3]付旭, 徐磊. Linux環(huán)境下 GOOSE報文傳輸方案的研究與設(shè)計[J].電力工程與設(shè)計,2009.12.

[4]RFC 4944 Montenegro, G., Kushalnagar, N., Hui, J.,and D. Culler, "Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks", September 2007.

[5]XuLei, Li Guodong, Multi-Layered Quality-of-Service Architecture with Cross-Layer Coordination for Teleoperation System, Advances in Industrial Engineering and Operations Research, Lecture Notes in Electrical Engineering,Springer,ISBN∶ 978-0-387-74903-7, 301-313, 2008.