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)（SmartGrid，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、*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、*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（CyberSecurity）：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（NetworkCommunication）：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。*的計量基礎設施（AdvancedMeteringInfrastructure，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*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，zui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。

　　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。

　　　　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、MPLSVPNATMSDHMSTPGPRSPONIEEE802.3、802.1d、802.1qRS-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)、RFIDPON/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。
　　
　　目前，電力骨干網(wǎng)絡中主要采用MPLS技術，電力行業(yè)采用MPLS有以下考慮：
　　
　　（1）利用MPLSVPN對不同業(yè)務之間進行邏輯隔離，通過為不同的業(yè)務系統(tǒng)劃分虛擬網(wǎng)，有效隔離不同業(yè)務，保證業(yè)務的安全和可靠運行。
　　
　　（2）簡化中間結點：主要的分類和標記功能由邊緣結點承擔。網(wǎng)絡中心只需要按標記轉發(fā)。
　　
　　（3）針對不同業(yè)務需求提供服務質(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（DiffServ）的逐跳轉發(fā)行為（PHB）與MPLS的標簽綁定，MPLS域中路由器依據(jù)MPLS標簽轉發(fā)IP包，實現(xiàn)QoS策略。為了適應智能電網(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)兩個方面技術的深化應用：一是VPN的部屬策略；另一個是流量工程的規(guī)劃。
　　
　　（4）細化VPN部屬策略，以提供細分的業(yè)務隔離和對關鍵業(yè)務提供QoS保證隨著智能電網(wǎng)應用流量在種類和數(shù)量上的增長，必須對在同一骨干網(wǎng)絡上運行的不同業(yè)務系統(tǒng)和不同業(yè)務單位提供細化的隔離手段，可采用三層VPN對骨干網(wǎng)絡中承載的不同業(yè)務系統(tǒng)進行隔離，采用二層VPN技術對通過骨干網(wǎng)連接的不同業(yè)務單位進行隔離。MPLS可提供二層和三層的VPN技術，以太網(wǎng)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)絡為例，根據(jù)不同業(yè)務的實時性需求給出了一個粗粒度的VPN劃分：
　　
　　1）實時業(yè)務VPN：主要包括傳輸頻度在秒級的數(shù)據(jù)，遠動信息、如：網(wǎng)絡RTU、AGC/MGC、水調(diào)自動化、EMS系統(tǒng)之間交換的用于網(wǎng)絡分析的實時數(shù)據(jù)、電力市場實時數(shù)據(jù)等。
　　
　　2）準實時業(yè)務VPN：如無功電壓管理系統(tǒng)、地調(diào)網(wǎng)供負荷計劃數(shù)據(jù)、地方小火電發(fā)電計劃數(shù)據(jù)和錯峰預警信號等數(shù)據(jù)、電度量計費系統(tǒng)。
　　
　　3）非實時業(yè)務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，不允許承載對外的公網(wǎng)訪問流量，因此，不設置缺省業(yè)務流量，信息數(shù)據(jù)網(wǎng)可以設缺省業(yè)務流量。
　　
　　4）部屬流量工程，優(yōu)化網(wǎng)絡全局的抗擁塞和抗故障能力流量工程（TE）能夠解決負載不均衡出現(xiàn)的擁塞問題，方法是使網(wǎng)絡流量同網(wǎng)絡拓撲相互匹配，從而提高網(wǎng)絡資源的利用率，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡一旦為一個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)絡資源的合理利用。TE彈性屬性決定在鏈路故障或結點失效時采取的策略。
　　
　　當流量傳輸路徑上發(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、鏈路復原與業(yè)務恢復。如果流量主干流經(jīng)的路徑發(fā)生了故障，那么可以為它們許多恢復策略，下面給出的是一些可行的策略：
　　
　　1）在結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*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)務立刻導向備份的LSP，直到主LSP從故障中恢復，業(yè)務再從備份的LSP切回到主LSP。同時，要求網(wǎng)絡具有重路由的機制，以備需要時啟動，MPLS網(wǎng)絡的RSVP-TE和CR-LDP均支持重路由機制。
　　
　　5、分布式傳感器網(wǎng)絡
　　
　　分布式傳感器網(wǎng)絡在智能電網(wǎng)中是大有用武之地的，它可以解決從電力系統(tǒng)遠程監(jiān)測、狀態(tài)感知、遠程控制，到用戶側的實時計量和智能家居交互。分布式的傳感器網(wǎng)絡涵蓋較為寬泛的網(wǎng)絡技術，但共同之處是設備基于嵌入式平臺，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Ｄ壳傲餍械腡CP/IP是為了計算機之間共享資源而提出的，而傳感器網(wǎng)絡則是面向監(jiān)控的，在工業(yè)網(wǎng)絡中引入流行的TCP/IP和以太網(wǎng)技術，是為了從其開放性、高帶寬、低成本、建設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)絡來說是不可忽略的。
　　
　　本文從網(wǎng)絡通信協(xié)議棧的角度出發(fā)，把用于智能電網(wǎng)的智能結點分為兩類：
　　
　　（1）需要端到端IP連接的設備：如變電站中的一些提供核心服務的IED、智能家居中的家庭網(wǎng)關等。這類智能結點通常作為IP網(wǎng)絡中可訪問的常規(guī)結點，需要完整的TCP/IP協(xié)議棧，但可以采用輕量級的IP協(xié)議。
　　
　　（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設備，智能家居中的被控設備結點等。這些結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，將應用層直接映射到數(shù)據(jù)鏈路層，如圖2（b）。
　　
　　后者的典型應用如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]。（a）完整協(xié)議棧模型（b）精簡協(xié)議棧模型圖2智能結點的協(xié)議棧在完整協(xié)議棧中，建議IP層選用*6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地址的自動轉換和簡化的協(xié)議首部處理等優(yōu)點。可以在嵌入式平臺上采用簡化的*6方案6LowPAN（*6overLowPowerWPAN），這是針對無線傳感器網(wǎng)絡、無[3]線個人區(qū)域網(wǎng)絡（WPAN）的*6優(yōu)化方案。已有27個公司發(fā)起了針對智能對象聯(lián)網(wǎng)的IP標準協(xié)作組織IPSO（TheIPforSmartObjectalliance），目前已有45個成員，包括Cisco、SAP、SUN、Bosch、In等，該組織所提出的*6協(xié)議棧？*6可以和主流廠商的協(xié)議棧互操作，輕量級的代碼只需要11.5kB的內(nèi)存。6結論高性能和高安全可靠的網(wǎng)絡通信體系是智能電網(wǎng)的關鍵支撐平臺，為了應對智能電網(wǎng)的挑戰(zhàn)，必須增強網(wǎng)絡端到端的健壯性，本文針對這個需求，梳理了適用的網(wǎng)絡技術體系，體系覆蓋了從網(wǎng)絡核心和網(wǎng)絡邊緣的技術及其標準，文中所提出的骨干網(wǎng)業(yè)務隔離和流量工程的部署策略，以及智能傳感結點協(xié)議棧的實現(xiàn)模式，對智能電網(wǎng)通信平臺的建設具有一定的參考價值，在實踐中，也還需要圍繞具體的應用來選擇實現(xiàn)方案并在具體實施中細化。