智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)以及其關(guān)鍵技術(shù)解析

中心議題：
* 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)
* 智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
解決方案：
* 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

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(kāi)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(wú)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(guó)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(guó)國(guó)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(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(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(Network Communication) ： 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(wèn)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(Advanced Metering Infrastructure，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(mén)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(guò)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(méi)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)

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。

表 1 針對(duì)智能電網(wǎng)各領(lǐng)域

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(wú)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(shuō)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(wú)線方式接入廣域網(wǎng) 無(wú)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、MPLS VPN ATM SDH MSTP GPRS PON IEEE 802.3、802.1d、802.1q RS-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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(802.15.x) 物聯(lián)網(wǎng)、RFID PON /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(wú)線局域網(wǎng) 802.11 無(wú)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(kāi)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。