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

目前，電力骨干網(wǎng)絡(luò)中主要采用 MPLS 技術(shù)，電力行業(yè)采用 MPLS 有以下考慮： (1)利用 MPLS VPN 對(duì)不同業(yè)務(wù)之間進(jìn)行邏輯隔離，通過為不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)劃分虛擬 專用網(wǎng)，有效隔離不同業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)的安全和可靠運(yùn)行。 (2)簡化中間結(jié)點(diǎn)：主要的分類和標(biāo)記功能由邊緣結(jié)點(diǎn)承擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)中心只需要按標(biāo)記 轉(zhuǎn)發(fā)。 (3)針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求提供服務(wù)質(zhì)量保證，MPLS 本身不是一種 QoS 體制，但可以在 MPLS 框架中實(shí)現(xiàn) IP 層的 QoS 機(jī)制。通過將區(qū)分服務(wù)(DiffServ)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)行為(PHB) 與 MPLS 的標(biāo)簽綁定，MPLS 域中路由器依據(jù) MPLS 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā) IP 包，實(shí)現(xiàn) QoS 策略。 為了適應(yīng)智能電網(wǎng)更多實(shí)時(shí)性的互動(dòng)流量的增長，本文主要強(qiáng)調(diào)骨干網(wǎng)兩個(gè)方面技術(shù)的 深化應(yīng)用：一是 VPN 的部屬策略;另一個(gè)是流量工程的規(guī)劃。 (1)細(xì)化 VPN 部屬策略，以提供細(xì)分的業(yè)務(wù)隔離和對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供 QoS 保證 隨著智能電網(wǎng)應(yīng)用流量在種類和數(shù)量上的增長，必須對(duì)在同一骨干網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的不同業(yè) 務(wù)系統(tǒng)和不同業(yè)務(wù)單位提供細(xì)化的隔離手段，可采用三層VPN對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)中承載的不同業(yè)務(wù) 系統(tǒng)進(jìn)行隔離，采用二層VPN技術(shù)對(duì)通過骨干網(wǎng)連接的不同業(yè)務(wù)單位進(jìn)行隔離。MPLS 可提 供二層和三層的VPN技術(shù)，以太網(wǎng)最新的橋接協(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(luò)為例，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求給出了一個(gè)粗粒度的 VPN 劃分： 1) 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN： 主要包括傳輸頻度在秒級(jí)的數(shù)據(jù)， 遠(yuǎn)動(dòng)信息、 如： 網(wǎng)絡(luò) RTU、 AGC/MGC、 水調(diào)自動(dòng)化、EMS 系統(tǒng)之間交換的用于網(wǎng)絡(luò)分析的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、電力市場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。 2)準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：如無功電壓管理系統(tǒng)、地調(diào)網(wǎng)供負(fù)荷計(jì)劃數(shù)據(jù)、地方小火電發(fā)電 計(jì)劃數(shù)據(jù)和錯(cuò)峰預(yù)警信號(hào)等數(shù)據(jù)、電度量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。 3)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：繼電保護(hù)及故障錄波信號(hào)、調(diào)度生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表等。 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)作為生產(chǎn)類網(wǎng)絡(luò)，不允許承載對(duì)外的公網(wǎng)訪問流量，因此，不設(shè)置缺省業(yè)務(wù) 流量，信息數(shù)據(jù)網(wǎng)可以設(shè)缺省業(yè)務(wù)流量。 (2)部屬流量工程，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)全局的抗擁塞和抗故障能力 流量工程(TE)能夠解決負(fù)載不均衡出現(xiàn)的擁塞問題，方法是使網(wǎng)絡(luò)流量同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?互匹配，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，傳統(tǒng) IP 網(wǎng)絡(luò)一旦為一個(gè) IP 包選擇了一條路徑，則不 管這條鏈路是否擁塞，IP 包都會(huì)沿著這條路徑傳送，MPLS 流量工程可以控制 IP 包在網(wǎng)絡(luò)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(shí)，就考慮流量的合理 分布，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用。

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

當(dāng)流量傳輸路徑上發(fā)生故障時(shí)， 需要解決以下幾個(gè)基本問題：故障檢測(cè)、故障通知、鏈路復(fù)原與業(yè)務(wù)恢復(fù)。如果流量主干流 經(jīng)的路徑發(fā)生了故障，那么可以為它們指定許多恢復(fù)策略，下面給出的是一些可行的策略： 1)在結(jié)點(diǎn)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(shí)，使得在一條 LSP 失敗后，其上的流量轉(zhuǎn)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(jìn) 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)可采用類似第一種策略，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(wù)立刻導(dǎo)向備份的 LSP，直到 主 LSP 從故障中恢復(fù)，業(yè)務(wù)再從備份的 LSP 切回到主 LSP。同時(shí)，要求網(wǎng)絡(luò)具有重路由的機(jī) 制，以備需要時(shí)啟動(dòng)，MPLS 網(wǎng)絡(luò)的 RSVP-TE 和 CR-LDP 均支持重路由機(jī)制。

目前，電力骨干網(wǎng)絡(luò)中主要采用 MPLS 技術(shù)，電力行業(yè)采用 MPLS 有以下考慮： (1)利用 MPLS VPN 對(duì)不同業(yè)務(wù)之間進(jìn)行邏輯隔離，通過為不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)劃分虛擬 專用網(wǎng)，有效隔離不同業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)的安全和可靠運(yùn)行。 (2)簡化中間結(jié)點(diǎn)：主要的分類和標(biāo)記功能由邊緣結(jié)點(diǎn)承擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)中心只需要按標(biāo)記 轉(zhuǎn)發(fā)。 (3)針對(duì)不同業(yè)務(wù)需求提供服務(wù)質(zhì)量保證，MPLS 本身不是一種 QoS 體制，但可以在 MPLS 框架中實(shí)現(xiàn) IP 層的 QoS 機(jī)制。通過將區(qū)分服務(wù)(DiffServ)的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)行為(PHB) 與 MPLS 的標(biāo)簽綁定，MPLS 域中路由器依據(jù) MPLS 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā) IP 包，實(shí)現(xiàn) QoS 策略。 為了適應(yīng)智能電網(wǎng)更多實(shí)時(shí)性的互動(dòng)流量的增長，本文主要強(qiáng)調(diào)骨干網(wǎng)兩個(gè)方面技術(shù)的 深化應(yīng)用：一是 VPN 的部屬策略;另一個(gè)是流量工程的規(guī)劃。 (1)細(xì)化 VPN 部屬策略，以提供細(xì)分的業(yè)務(wù)隔離和對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供 QoS 保證 隨著智能電網(wǎng)應(yīng)用流量在種類和數(shù)量上的增長，必須對(duì)在同一骨干網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的不同業(yè) 務(wù)系統(tǒng)和不同業(yè)務(wù)單位提供細(xì)化的隔離手段，可采用三層VPN對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)中承載的不同業(yè)務(wù) 系統(tǒng)進(jìn)行隔離，采用二層VPN技術(shù)對(duì)通過骨干網(wǎng)連接的不同業(yè)務(wù)單位進(jìn)行隔離。MPLS 可提 供二層和三層的VPN技術(shù)，以太網(wǎng)最新的橋接協(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(luò)為例，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性需求給出了一個(gè)粗粒度的 VPN 劃分： 1) 實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN： 主要包括傳輸頻度在秒級(jí)的數(shù)據(jù)， 遠(yuǎn)動(dòng)信息、 如： 網(wǎng)絡(luò) RTU、 AGC/MGC、 水調(diào)自動(dòng)化、EMS 系統(tǒng)之間交換的用于網(wǎng)絡(luò)分析的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、電力市場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。 2)準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：如無功電壓管理系統(tǒng)、地調(diào)網(wǎng)供負(fù)荷計(jì)劃數(shù)據(jù)、地方小火電發(fā)電 計(jì)劃數(shù)據(jù)和錯(cuò)峰預(yù)警信號(hào)等數(shù)據(jù)、電度量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。 3)非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù) VPN：繼電保護(hù)及故障錄波信號(hào)、調(diào)度生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表等。 調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)作為生產(chǎn)類網(wǎng)絡(luò)，不允許承載對(duì)外的公網(wǎng)訪問流量，因此，不設(shè)置缺省業(yè)務(wù) 流量，信息數(shù)據(jù)網(wǎng)可以設(shè)缺省業(yè)務(wù)流量。 (2)部屬流量工程，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)全局的抗擁塞和抗故障能力 流量工程(TE)能夠解決負(fù)載不均衡出現(xiàn)的擁塞問題，方法是使網(wǎng)絡(luò)流量同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?互匹配，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，傳統(tǒng) IP 網(wǎng)絡(luò)一旦為一個(gè) IP 包選擇了一條路徑，則不 管這條鏈路是否擁塞，IP 包都會(huì)沿著這條路徑傳送，MPLS 流量工程可以控制 IP 包在網(wǎng)絡(luò)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(shí)，就考慮流量的合理 分布，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的合理利用。

5 分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)

分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、 狀態(tài)感知、遠(yuǎn)程控制，到用戶側(cè)的實(shí)時(shí)計(jì)量和智能家居交互。分布式的傳感器網(wǎng)絡(luò)涵蓋較為 寬泛的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但共同之處是設(shè)備基于嵌入式平臺(tái)，計(jì)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)?。目前流行?TCP/IP 是為了計(jì)算機(jī)之間共享資源而提出的，而傳感器網(wǎng)絡(luò)則是面向監(jiān)控 的，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中引入流行的 TCP/IP 和以太網(wǎng)技術(shù)，是為了從其開放性、高帶寬、低成本、 建設(shè)和運(yùn)維的簡易性和擴(kuò)展的靈活性等優(yōu)點(diǎn)中獲益。但同時(shí)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(yīng)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)議封裝，帶來額外 20+20+18=58 字節(jié)的協(xié)議首部，相對(duì)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(shí)，這對(duì)于計(jì)算資源有限、低帶寬、 低能耗的傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是不可忽略的。