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综述2010 年第 8 期智能电网技术及装备专刊16 智能电网的网络通信架构及关键技术徐 磊（华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206）摘要建设具有广域状态可感知可自愈的智能电网离不开可靠安全的网络通信体系，本文针对智能电网在分布式状态可感知、先进的电表计量基础设施（AMI ）以及需求响应等方面的需求特点，梳理了服务于智能电网的网络技术体系，从两方面对支撑智能电网的网络通信关键技术进行了分析并提出了建议：一是承载电力系统多业务平台的骨干网技术，提出了业务隔离和流量工程的部署策略；二是电力系统远程监测和交互控制的分布式传感器网络，针对嵌入式平台的资源限制，探讨了智能结点协议栈的两种实现模式。关键词： 智能电网；网络QoS；传感器网络； IPv6；IEEE802.15.x Communication Network Framework and Key Technologies for Smart Grid Xu Lei (North China Electric Power University, Control and Computer Eng. Inst., Beijing 102206) AbstractA reliable and secure communication network infrastructure is crucial for Smart Grid. This paper focuses on the requirements characteristics of Smart Grid in distributed wide-area awareness, Advanced Metering Infrastructure (AMI) and demand response etc. Based on the analysis of challenges that network communication technology faces and measurements it should take, a communication network technological framework served for Smart Grid is proposed here, solutions included in this framework covers two aspects, one is backbone network for power system multi-services platform, traffic separation and traffic engineering provision policies are proposed in this aspect; the other is sensor network for power system remote monitor and interactive control, two protocol stack models are discussed here. Key words ：smart grid；etwork QoS；sensor network；IPv6；IEEE802.15.x 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 个优先发展领名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 综述智能电网技术及装备专刊2010年第 8 期 17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 Infras- tructure，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。图 1为智能电网的概念参考图，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。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，电力骨名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 综述2010 年第 8 期智能电网技术及装备专刊18 表 1智能电网的网络技术架构网络成分可采用的网络技术应用说明IP 、DWDM 提供电力数据网(骨干网 )、因特网的网络互联和路由等功能MPLS 、 MPLS VPN 骨干网中提供标记交换，隔离不同业务的流量广域网 (WAN) ATM 保护原有投资技术，已逐渐退出应用SDH 为接入城域网、广域网提供物理通道MSTP 可用于LAN( 以太网 )接入城域网GPRS 以无线方式接入广域网接入网 (AN) PON 无源光网络，提供光纤接入方式企业本地网(LAN) IEEE 802.3 、802.1d 、 802.1q 电力企业的Intranet RS-485 、PROFIBUS等传统的现场总线电厂、变电站等生产控制领域工业以太网(802.3 、802.1d 、 802.1q) 电厂、变电站等生产控制领域IED 设备互连N-PLC 、 B-PLC/BPL(窄带、宽带电力线载波通信) 用于计量、仪表数据采集等数据的传输无线传感器网络(802.15.x) 输、配电、用电侧的数据采集、监测和监控现场区域网(FAN) 物联网、RFID 设备巡检中标签数据的采集PON /EPON/FTTH 智能化住宅小区，提供家庭用户的光纤接入N-PLC 、 B-PLC/BPL 提供驻地网及用户家庭网络接入，远程抄表、因特网接入无线局域网802.11 用户驻地网或家庭网络接入，远程抄表用户驻地网及家庭网络(HAN) 无线传感器网络(802.15.x) 用于 HAN中智能家居，家电控制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VLAN2。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，如：远动信息、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，这样可以避免传名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 综述智能电网技术及装备专刊2010年第 8 期 19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，如图2（a） 。（ 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（14ms）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、 无线个人区域网络 （WPAN）的 IPv6 优化方案3。 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 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 综述2010 年第 8 期智能电网技术及装备专刊20 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。参考文献1NIST, NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards Release 1.0 Sept. 2009 2IEEE 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环境下GOOSE 报文传输方案的研究与设计J.电力工程与设计,2009.12. 4RFC 4944 Montenegro, G., Kushalnagar, N., Hui, J., and D. Culler, Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks, September 2007. 5XuLei, 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. 作者简介 徐 磊（1956-） ，教授，研究方向：计算机网络、电力通信网络、网络 QoS、网络安全、分布式计算。（上接第3 页）5结论本文介绍了智能电网的概念，并根据其发展需要和电力设备自身发展的趋势，归纳了智能电器的主要特征， 以及涉及的主要理论和技术问题，指出了智能电器的应用发展方向。总体来说，智能电器是信息技术与电工技术紧密结合的产物，它是对传统电器的重大变革和创新，是智能电网的物质基础。参考文献1国家电网公司.智能电网关键技术研究框架. 2009,6. 2王建华 ,荣命哲 ,耿英三等 .数字化电力设备的概念与内涵 J. 电工技术学报,2009,24(6). 3王建华 ,宋政湘 ,耿英三等 .智能电器理论与关键技术研究 J. 电力设备 , 2008, 9(3): 1-4. 4陈德桂 .低压电器智能化的新技术J. 低压电器 , 2008 (1): 1-4. 5姚建军 ,王敬 ,王建华等 .磁传感器阵列测量电流时的干 扰 排 除 理 论 研 究 J. 中 国 电 机 工 程 学 报 ,2004,24 (12): 160-164. 6杨武 ,荣命哲 ,王小华 .结合机构动力学特性仿真将ANN 用于高压断路器机械状态识别初探J. 中国电机工程学报 , 2003, 23(6):128-131. 7王振兴 ,耿英三 ,戴鹏程等 . 基于专用集成电路的智能交流接触器J.低压电器 , 2007, (19): 18-21. 8林莘 ,王德顺 ,徐建源 .高压断路器直线伺服电机操动机 构 及 其 控 制 技 术 J. 中 国 电 机 工 程 学 报 , 2008, 28(27): 137-141. 9张桂青 ,冯涛 ,王建华等 .可重构智能化电器硬件设计平台及其应用J.电力自动化设备,2003,23(9):27-35. 作者简介 王建华 （1954-） ，男，教授，博士研究生导师，从事电器智能化理论与技术及电器计算机辅助设计与仿真的研究。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -