智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡通信架構以及其關鍵技術解析

中心議題：
* 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡通信架構
* 智能電網(wǎng)的關鍵技術
解決方案：
* TE 彈性屬性決定在鏈路故障或結點失效時采取的策略

1引言

建設信息化、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 基礎設施(AMI)以及實時的需求響應等功能，這 些都對現(xiàn)有的網(wǎng)絡平臺提出了更高的要求。智能電 網(wǎng)的網(wǎng)絡通信平臺為電力行業(yè)的生產(chǎn)運行、輸電、 配電、市場業(yè)務等多個領域提供服務，需求的多樣 性決定了其構成的復雜性，智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡支撐體 系將是一個融合了多種網(wǎng)絡技術的綜合平臺，有多 種網(wǎng)絡成分構成，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)絡和物聯(lián)網(wǎng)，涉 及多種網(wǎng)絡協(xié)議。 因此，有必要對智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡通信架構進行 研究，明確不同應用領域的關鍵網(wǎng)絡技術。

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，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)各個領域電力流、信息流和業(yè)務流的融合， 因此，智能電網(wǎng)的框架中各個關鍵領域的溝通，必 然是由網(wǎng)絡通信為橋梁實現(xiàn)的。 2009 年 9 月 ， 美國國家標準與技術研究所 (NIST)提出了關于智能電網(wǎng)互操作標準的框架與 路線圖，明確了推進標準化工作的 8 個優(yōu)先發(fā)展領 域：廣域網(wǎng)狀態(tài)可感知、需求響應、電能存儲、電 力交通、網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡通信、先進的計量基礎設 施和配網(wǎng)管理 [1] 。其中，有三個領域與網(wǎng)絡技術直 接相關。 網(wǎng)絡安全(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、信息和通信設施必須的。 網(wǎng)絡通信(Network Communication) ： 要求針對 智能電網(wǎng)各個關鍵領域的應用和操作器的網(wǎng)絡通信 需求，實施和維護合適的安全和訪問控制手段。該 領域覆蓋電力專網(wǎng)和公共網(wǎng)絡。 先進的計量基礎設施(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，也能使授權的第三方與用戶設備和系 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)必要的減負目標。 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 個領域，這 7 個領域是： 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;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 個領域覆蓋電力行業(yè)的各個環(huán)節(jié)， 每個領域 和子領域中的執(zhí)行單元(軟件、硬件設備和系統(tǒng))通 常需要通過網(wǎng)絡與其他域的執(zhí)行單元進行交互。因 此，網(wǎng)絡平臺在智能電網(wǎng)中起著關鍵的支撐作用，它 用于連通智能電網(wǎng)各個領域。 1 為智能電網(wǎng)的概念圖參考圖，該圖只是一個概念參考模型，并不是實際的 系統(tǒng)結構圖，因此，雖然圖中網(wǎng)絡連接的 7 個域跨越 不同的安全區(qū)，但并沒有指明網(wǎng)絡隔離元素。

圖1 智能電網(wǎng)的概念參考模型

3 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡技術架構

需求，結合當前網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用現(xiàn)狀，對智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡技術體系進行了梳理。 智能電網(wǎng)是復雜系統(tǒng)的互聯(lián)，這也決定了其網(wǎng)絡支撐平臺是多種網(wǎng)絡技術的集成，在網(wǎng)絡結構上具有復雜性，在網(wǎng)絡技術上具有多樣性，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)務需求的不同，對底 層網(wǎng)絡通信的要求也有不同，因此，迫切需要從智 能電網(wǎng)不同領域的網(wǎng)絡與通信需求出發(fā)，對各種網(wǎng) 絡技術進行分析和定位。

表 1 針對智能電網(wǎng)各領域

4 承載電力系統(tǒng)多業(yè)務平臺的骨干網(wǎng)技術

電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和電力信息網(wǎng)絡是電力行業(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)務流暢通無阻，首先必須建設一個健壯的(Robust)電力骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，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 表1 網(wǎng)絡成分 廣域網(wǎng)(WAN) IP、DWDM 智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡技術架構 應用說明 提供電力數(shù)據(jù)網(wǎng)(骨干網(wǎng))、因特網(wǎng)的網(wǎng)絡互聯(lián)和路由等功能 骨干網(wǎng)中提供標記交換，隔離不同業(yè)務的流量 保護原有投資技術，已逐漸退出應用 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，提供光纖接入方式 電力企業(yè)的 Intranet 電廠、變電站等生產(chǎn)控制領域 電廠、變電站等生產(chǎn)控制領域 IED 設備互連 用于計量、儀表數(shù)據(jù)采集等數(shù)據(jù)的傳輸 輸、配電、用電側的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和監(jiān)控 設備巡檢中標簽數(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)絡接入，遠程抄表、因特網(wǎng)接入用戶駐地網(wǎng)或家庭網(wǎng)絡接入，遠程抄表 用于 HAN 中智能家居，家電控制 可采用的網(wǎng)絡技術 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(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)場區(qū)域網(wǎng)(FAN) 用戶駐地網(wǎng) 及家庭網(wǎng)絡(HAN) N-PLC、B-PLC/BPL 無線局域網(wǎng) 802.11 無線傳感器網(wǎng)絡(802.15.x) 干網(wǎng)在安全性建設方面一直比較重視， 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)絡的可靠性、可用性和服務質(zhì)量(QoS)保證提出了更高的要求。