智能电网的网络通信架构以及其关键技术解析

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。

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。

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。