摘要：   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。

关键字：  智能电网，  MPLS，  传感器，  物联网

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。