（通信与信息系统专业论文）智能电网环境下广域网通信系统的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 i 摘 要 智能电网是电网的发展趋势，智能电网的实现需要先进通信系统的支持。 智能电网环境下广域网是实现智能电网各个领域之间通信的网络，它承载的通 信业务种类很多，包括 scada 业务、语音控制业务、广域测量业务等，各种 通信业务对通信的需求（带宽、实时性、安全性）不同。本文分析了广域网的 通信业务，得到在智能电网环境下的广域网的通信业务的通信需求。广域网通 信系统的构建需要先进通信技术的支持，目前广域网主要的通信技术包括物理 层技术、数据链路层技术、网络层技术。各层的通信技术和协议共同构建了广 域网的通信系统。otn 技术结合了 sdh 和 wdm 技术的优点，自动交换光网 络（ason）技术具有实现广域网通信的优势。根据通信技术的性能分析，得出 具体的通信技术在广域网通信中的应用。在广域网的主流通信技术中，mpls 技术是主要的链路层技术。文章针对 mpls 技术和与其结合的其他相关技术 （diff-serv 技术、mpls-vpn 技术）进行分析，根据广域网各种业务的不同需 求，给出智能电网广域网通信业务传输的实现框架，使其满足通信业务的实时 性和 qos 等通信需求。文章通过网络仿真软件实现对广域网通信的仿真，通信 网路的构建采用 mpls 技术。根据仿真的结果分析 mpls 技术对某些业务的通 信需求的满足程度。 关键词：关键词：智能电网；广域网；mpls；网络仿真 华北电力大学硕士学位论文 ii abstract the smart grid is the development trend of the electric power. the realization of the smart grid needs the support of advanced communications system. the wan in smart grid is to achieve the communication between domains of the smart grid network, the wan carrys many kinds of communications services, including scada services, voice control services, the wide-area measurement services. diversified communication services have many kinds of communication requirements (bandwidth, real-time and safety). in this article, we analyze the communication services of wan and conclude the communication requirements of the wan services in smart grid. the construction of the wan communication system needs the support of advanced communications technologies. the current wide-area network communications technologies mainly include the physical layer, data link layer and network layer. communication technologies and protocols of all layers are together to establish the wan communication system. otn technology combines the advantages of sdh and wdm, automatical switched optical network (ason) technology has many advantages in realizing the wide-area network communication. in this paper, we conclude the specific communication technology application in wan according to the communications technology performance analysis. mpls is the main link layer technology among the communication technologies of the wan. for mpls technology and the combination of other related technologies (diff-serv technology, mpls vpn technology), accordding to the different requirements of the wan various sevices, we conclude the implementation framework of the sevices transfer in the smart grid wan to meet the real-time，the qos and some other communication requirements. we achieve to the simulation of the wan by network simulation software, establish the communication network with mpls technology, and analyze the satisfaction to communication requirements of some services according to the simulation results. keywords: smart grid；wan；mpls；network simulation 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文智能电网环境下广域网通信系统 的研究 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 智能电网环境下广域网通信系统的研究 系本人在华北电力大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关 于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“” ） ： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 选题背景及研究的目的和意义 随着电力网的信息化、 自动化和互动化， 智能电网已经成为电力网研究的热点。 智能电网需要各方面的先进技术，包括电力工程技术、先进的传感技术、计算机技 术、控制技术和先进的通信与信息技术，智能电网包含发电、输电、变电、配电、 用电、调度几大领域，智能电网需要实现各个领域之间的自动化、信息化，所以智 能电网的通信系统是实现智能电网运行的关键所在，构建大容量、高速实时、安全 稳定的信息通信系统是智能电网的必然要求。 广域网是实现智能电网几大领域之间的通信，它是智能电网通信的关键部分， 智能电网几大领域之间的通信是实现智能电网信息化和自动化的关键。为了满足智 能电网发展各阶段电力信息通信网络的需求，需要对智能电网环境下广域网的通信 系统进行构建，使广域网的通信系统满足智能电网高速、双向、实时、集成的通信 需求1，能够为广域传输网络提供一个开放的通信构架，形成一个“即插即用”的 环境2，广域网上的传感器、智能电子设备和应用系统之间需要实现无缝通信3,4。 目前对智能电网广域网通信的研究，国家电力研究院已经向 nist 提交了关 于智能电网互操作标准路线图的报告，美国国家技术标准研究院 nsit 对智能电 网的构架、可以用于智能电网的通信技术、智能电网的互操作性等给出了明确的规 定,nist 制定了一系列的标准，同时给出了广域网一些通信业务的通信需求。 广域网的通信业务种类繁多，每种通信业务对通信的需求不同，比如智能控制 中心和变电站之间的通信业务，一些网络控制信息的传输对通信的实时性和可靠性 要求比较高，所以广域网通信系统的构建要能满足通信业务的通信需求，进而支持 智能电网的信息化。 目前对电力网通信的研究已经取得了一定的成果，已经建立了先进可靠的电力 通信网络，实现了通信方式的多样化，形成了以光纤通信为主，微波、载波、卫星 等多种通信方式并存5，分层分级自愈环网为主要特征的电力专用的通信系统结构 6。但智能电网的通信业务种类繁多，很多业务对通信的要求很高，它需要各层通 信技术和通信协议来实现对通信需求的满足。面对构建智能电网的迫切要求，目前 的通信技术需要用来支撑智能电网的通信系统，现代的通信技术包括有线和无线等 多种通信技术7，常见的几种包括 internet、光纤、电力线通信、无线通信等多种通 信方式，这些通信技术在智能电网通信网络中有不同的应用，广域通信网络是指智 能电网各个领域之间实现通信的网络，它要实现各个领域之间的重要通信，而对于 华北电力大学硕士学位论文 2 广域通信网络，它需要传输容量大，可靠性强，能够满足各种通信业务的不同方面 的通信需求。目前智能电网环境下广域网的通信系统的构成还没有给出明确的方法 和框架，而广域网的通信系统对智能电网的实现有着重要的意义，所以对广域网通 信系统的研究对电网的发展有重要的研究意义。 1.2 国内外研究现状 为应对能源和电网本身的要求，智能电网已经成为电网的发展趋势，智能电 网需要智能的通信系统的支持，为了满足智能电网的发展的需求，需要建立双 向、实时、自愈8、兼容9 、高速10的通信网络。 1.2.1 智能电网的研究现状 目前，美国、欧洲都在进行智能电网的计划，美国提倡新能源的使用，实现输 电网络的优化传输和对各个领域的监测和控制；欧洲在规划建设智能电网城市，构 建广域的电力智能网络。 而中国目前也在实施构建“坚强智能电网”的计划，并分成三个阶段来进行实 施，第一个阶段：制定技术和管理标准，开展技术研发和设备研制；第二个阶段： 实现特高压电网和城乡配电网建设，形成智能电网的运行控制体系；第三个阶段： 实现各种所需先进技术的加入，实现各个领域内部和之间的优化管理，最终形成即 插即用的网络11。 美国正在制定智能电网的标准体系， 美国国家标准技术研究院(nist)认识到紧 迫性，推出了三阶段计划。该研究院在 2009 年 5 月发布了首批 16 个与智能电网相 关的标准名单，随后根据公众的反馈意见，又补充了 15 个标准12。到 2009 年 9 月 第一阶段计划结束时，又有 46 个标准也被确定下来，因此到目前为止，美国国家 标准技术研究院已经公布了 77 个适用于智能电网的标准。具体的标准包括 draft nistir 762813、guidelines for the secure deployment of ipv614、nist framework and roadmap for smart grid interoperability standards,release 1.015,16等。 欧洲由于现有能源资源的有限，注重智能电网的能源政策，实现对能源资源的 优化利用，利用一些太阳能、风能等新能源来为用户提供分布式的能源服务，欧洲 的能源政策用来实现发电、输变电、配电的能源使用和配置17，实现整个电网对能 源的高效利用。在电网系统的各个环节，注重环境的保护，充分保护不可再生资源， 有效的利用可再生资源。除此之外，欧洲还注重与用户之间的双向互动，优化电能 质量，为用户提供安全可靠的电能供应。 日本对智能电网的构建，主要是实现对新能源和可再生能源的开发，日本政府 进行实验实现智能电网的构建， 利用太阳能进行发电， 研究剩余电力和频率波动等。 华北电力大学硕士学位论文 3 在日本东京工业大学建立综合研究院，其中包括的利用可再生能源的智能电网项 目，实现可再生能源与智能电网的结合18。 1.2.2 智能电网通信的研究现状 目前，对智能电网通信的研究，主要包括对信息通信系统体系的构建和一些通 信标准的制定。 美国电力科学研究院的电力系统构架研究项目 iecsa （综合能源和通信系统体 系结构）是用来构建一个面向电力行业信息基础设施需求的架构。iecsa 通过开发 整个电力系统的需求，主要是通信的需求，来对构架进行设计。该构架主要包括一 些通信技术和通信标准、网络安全保障和信息通信的保障，能够实现无缝通信和电 网的自愈功能。iecsa 定义的通信包括了智能控制中心、智能变电站、发电站、智 能传输与分配、分布式能源和用户等多个领域，智能电网环境下广域网的通信包括 这些领域之间的通信。iecsa 分析了这些领域之间的通信需求，介绍了电力系统各 种业务，构建了业务模型、数据模型和通信模型19。 iecsa 的研究成果主要包括四个部分：用户指南和建议、功能需求、iecsa 模 型、技术分析。这四部分的具体内容20是： （1） 用户指南和建议 iecsa 是构建集成电力系统基础的计划和自动化工程需 求和方针的研究。iecsa 项目主要包括需求的收集、使用现代方法对需求的分析、 先进通信技术的评价、构架的设计和结论的得出等。这一部分对每一阶段给出了具 体的方案和实现步骤21。 （2）功能需求 整个的电力系统主要可以分为以下几个领域：主发电、市场运 作、传输控制运行、分布控制运行、用户服务、分布式能源。通过对这几个领域的 功能进行分析，明确电力系统的具体功能，从而得到具体构架的范围。具体的通信 需求包括通信配置需求、服务质量需求、安全需求、数据管理需求、一些技术的本 身需求。明确了电力系统各个领域需求的范围22。 （3）iecsa 模型 这一部分主要是明确 iecsa 模型发展之后的技术细节，主 要是对模型的使用。比如怎样使用模型进行需求的分析等。iecsa 构架包括公用信 息模型（cim）、共用服务等。iecsa 将 cim 分为企业管理信息模型和电力系统 cim23。 （4）技术分析 这一部分主要是讨论一些结构方针和分析、一些可行技术的分 析、iecsa 用于实现一些领域（比如电力行业）的具体细节。 美国国家标准技术研究院(nist)制定了智能电网的标准化框架， 其中包括一些 智能电网相关的通信技术和通信标准。通信技术包括 ipv6 技术、无线通信技术，这 些通信技术在智能电网中有较大的研究意义。nist 把智能电网划分为七大领域， 华北电力大学硕士学位论文 4 这七大领域分别是发电站、智能输电、智能配电、管理运行、服务供应、用户和市 场。nist 对这七个领域的功能进行了说明，并提出了智能电网互操作标准。对智 能电网各种业务进行了介绍，包括网络控制业务、scada 业务、自动控制业务、 广域测量业务、ems 业务、视频会议业务等多种业务。在广域测量业务的模型中， 给出了智能电网环境下广域网的具体的范围。nist 给出了重要通信业务的通信需 求24。 nist 给出了智能电网互操作标准的路线图， 在文章中给出了智能电网的七大领 域，分别是运行控制、传输、分配、服务提供、用户、市场、发电。nist 对智能电 网的应用和需求进行分析。选取八个优先功能，分别是需求响应和用户能源效率、 广域状态感知、能源储存、电力传输、先进计量设施、分布电网管理、通信安全和 网络通信，来实现对通信标准的制定。nist 对智能电网的标准研究提出了三步走的 计划：通过所有相关方参与的公开的程序，得出当前适用的标准、待制定的标准和 标准的优先级别；建立智能电网互操作委员会，推动标准的长期制定工作；研究和 推广测试和认证体系。第一步给出了智能电网的概念参考模型和标准制定工作的优 先级，在 70 个需要制定的标准领域中，选取 15 项作为优先制定的领域，这些领域 包括智能电表升级标准、 配电网管理通用信息模型、 智能电网中应用 ip 协议组的指 导原则、智能电网中应用无线通信的指导原则等。对于智能电网的计算机安全性， nist 制定了智能电网的信息安全策略和信息安全规范等13。 关于智能电网的通信，制定了一系列的安全标准，制定的标准包括： （1） iec61970 该标准定义使用公共信息模型来实现控制中心系统之间的信息 交换； （2）iec61850 该标准是电力自动化通信网络和系统的标准，它定义了实现自 动化和保护的传输和分配的变电站内部的通信； （3）iec60870 该标准是控制应用业务的标准，它定义了不同功能之间控制中 心的控制消息和电力系统的状态，实现了控制中心的数据交换； （4）iec62351 该标准是电能信息管理和相关数据交换的标准，包括电力系统 控制操作的信息安全13。 通过这些标准的制定，智能电网的通信从发电到用户都可以实现信息传输的可 靠性和安全性。 由于智能电网对能源效率的重视，它的通信系统的构建需要目前先进通信技术 的支持，目前的通信技术包括有线通信技术和无线通信技术。有线通信技术最常用 的是光纤通信， 其余还包括电力线通信等， 无线通信包括微波通信、 卫星通信、 3g、 4g、无线广域网和无线局域网等。目前，正在研究这些通信技术在智能电网通信中 的应用。构建的通信系统要能实现所有的设备、传感器和电力用户的大容量连续双 华北电力大学硕士学位论文 5 向的传输。 光纤通信相比于其它通信技术能够提供更快的传输速率，光缆的铺设相对容 易，它能够提供几百 gbps 的传输速率。高的传输速率使得光纤传输具有可扩展性。 目前，光纤基础设施已经广泛用于电力通信系统的构建。广域网通信系统的构建要 能实现电力网关键运行的安全可靠，比如高压线路的继电保护、scada/ems、语 音和数据调度、发电厂自动化、分配自动化等。广域网络是数据传输的集成通信网 络，它需要大容量和高速率的传输技术25。 面对智能电网的更高要求，无线通信在智能电网通信中也将发挥重要的作用。 无线通信技术不需要依赖于电网的构架，具有较强的抵抗自然灾害的能力，也具有 高带宽、长距离等传输优点，可以弥补目前通信方式的单一化。智能电网要实现电 网的灾难应急、配网自动化等，就需要多种通信技术相结合。在一些条件恶劣或偏 远的地区，无法架设光缆，无线通信技术可以发挥重要的作用。无线通信也是构建 智能电网通信系统的重要的通信技术26。 电力线宽带技术（bpl）可以用于智能电网用户端的入口接入问题。智能电网 重视与用户之间的通信，需要实时获取用户的信息。目前，在低压配电网上传输速 率可以达到几十到几百 mbps 的速率。电力线宽带技术可以在用户的入口出实现数 据传输，它具有高的传输速率和较好的安全性27。 ipv6 技术将用于智能电网的通信系统，智能电网通信支持当前的互联网标准 ipv4，还会推动 ipv6 技术的发展。新一代的网络层 ipv6 技术对于构建智能电网的 通信系统有很多的优势，比如它具有充足的可用于配置设备的地址空间等。 虽然用来构建智能电网的通信系统正在研究之中，但是目前还没有完整的智能 电网广域网的通信系统框架。广域网是智能电网的重要组成部分，广域网的通信系 统是实现电力传输网络的安全稳定运行的保障。 1.3 论文的研究内容 智能电网的广域网是指智能电网各个领域之间的传输网络，它的通信是实现各 个领域之间的通信，包含了许多通信业务，本论文给出了广域网的各种通信业务的 通信需求，通信需求包括实时性、带宽、安全性等多个方面。目前的各种通信技术 很多，分析 ipv6、mpls、sdh、otn 等技术的原理和这些技术对智能电网广域网 通信的实现。 本文以智能电网为前提，研究的内容主要包括以下几方面： 首先，确定智能电网的广域网的范围，明确广域网包括的通信的种类，每种通 信业务对通信的需求不同，分析具体的业务对通信的要求。 然后分析目前先进的通信技术，ipv6 技术可以提供更多的地址资源，mpls 技 华北电力大学硕士学位论文 6 术可以提高路由的速度，新一代光送网 otn 技术，结合了 dwdm 和 sdh 两种技 术的优势，具有强大的交换和传送功能。mpls vpn 技术可以为业务的通信提供良 好的安全性，ason（自动交换光网络），三个平面使广域网的通信能够实现控制 与传送的结合。 最后，介绍 opnet 网络仿真软件，熟悉 opnet 软件的仿真流程，通过构建一 个简单的广域网络模型，配置 mpls 协议，分析对通信业务实时性的满足。 本文分为五章，组织结构具体如下： 第一章是引言部分。主要介绍了本课题的选题背景和研究意义，智能电网是目 前电网研究的重点，分析广域网通信对于智能电网通信的重要意义。 第二章是对智能电网环境下广域网的分析。广域网主要实现智能电网各个领域 之间的通信，传输距离长，传输容量大，承载多种通信业务，每种通信业务对通信 的需求不同，从实时性、带宽、安全性等得出广域网通信业务对通信的需求。 第三章是对各种先进通信技术的分析。目前可以用来支持智能电网通信的通信 技术有很多，网络层、链路层和物理层都有多种技术，比如网络层的 ipv6 技术、 链路层的 mpls 技术等， 分析目前的先进通信技术的实现原理和它们在广域网通信 中的应用。 第四章是在通过对通信技术的分析以后， 针对 mpls 相关技术和广域网通信中 的各种通信业务的通信需求。针对智能控制中心和智能变电站之间的通信给出一定 的实现框架。通过 opnet 网络仿真软件，构建一个简单的广域网，采用目前电网 通信常用的通信技术 sdh 技术，配置 mpls 协议以后，进行仿真和结果分析，分 析 mpls 技术对广域网各种通信业务需求的满足程度。 第五章为结论部分，对课题所完成的工作进行总结，并对课题的后续研究提出 展望。 华北电力大学硕士学位论文 7 第 2 章 智能电网广域网通信的分析 在智能电网环境下，电网的通信业务对通信的需求有更高的要求。广域网 是智能电网的重要组成部分，所以要重点分析广域网的通信业务和通信需求。 2.1 智能电网广域网 2.1.1 智能电网广域网概述 智能电网包括发电，输电、控制、配电、用户等各个领域，包括能源提供 系统、分布式能源、能量管理系统、优先控制和数据采集系统、广域测量系统、 高级测量系统、用户信息系统等。智能电网的结构模型13如下图 2-1 所示： 发电站 rto/iso分布控制传输控制 wams系统、scada系统、ems系统、视 频监控系统 计 量 系 统 变电站 pmu、scada 设备、保护设 备、ems设备 分布 dems分布能量 管理系统 用户 图 2-1 智能电网的结构模型图 智能电网对电力通信网络的通信要求是建立高速、宽带、自愈、双向的坚 强电力通信网络，能够实现多业务的接入和传输。智能电网广域网要实现的是 不同区域不同系统之间的通信，所以广域网是实现智能电网的发电、控制中心、 输电、配电、用户和分布式能源之间的通信。广域网实现的通信主要包括控制 运行中心，智能变电站，能量管理等系统、分布式能源之间的通信，即需要实 现 iso/rto(区域传输组织/独立系统操作)运行显示、控制系统、传输 scada 系统，广域测量系统以及分布式管理系统之间的通信13。通过对智能电网结构 模型的分析，可以得到智能电网环境下广域网的通信网络。广域网的通信网络 华北电力大学硕士学位论文 8 如下图 2-2 所示： 运作 广域测量系 统 传输scada 系统 控制系统 分布管理系 统 能量管理系 统 能量提供 运行显示 iso/rto 操 作 测量系统 分布rtu/ied 传输rtu/ied 传输分布 能量提供 图 2-2 智能电网广域网通信网络 智能电网广域网具体实现的通信24包括： （1）控制中心和变电站之间的通信 控制中心需要和变电站进行通信，智 能控制中心通过能量管理系统、广域测量系统等来与传输中的众多变电站进行 通信。包括一些控制信息的传输等。 （2）监控电力系统的状态信息（电压、电流、相位等） 主要是一些电能 信息的传输。 （3）传输 scada 和变电站设备之间的通信 控制中心要实现和变电站的 通信，主要是通过传输的 scada 系统，包括从变电站设备获取状态信息和从 scada 传输控制信息给变电站设备。 （4）控制中心和分布网络之间的通信 控制中心的分布式控制系统包括分 布式能量管理系统、分布式 scada 系统，实现控制中心和分布式设备之间的 通信，实现对分布网络的控制，包括与分布式能源系统和广泛的用户设备之间 的通信。 （5）ems 和能量提供之间的通信 2.1.2 智能电网广域网具体实现的业务 广域网实现的通信就是各个领域之间的通信，在广域网的领域中主要实现 的业务包括继电保护业务、scada 业务和 ems 业务、变电站视频监控业务， 华北电力大学硕士学位论文 9 安全稳定控制业务等等。 (1)继电保护业务 在变电过程中发生故障或出现不正常现象时，能够迅速的选择发出跳闸命 令消除故障，并发出报警信息，保证电力系统的稳定正常运行。当电网的电压、 电流超过继电保护给定的值以后，就发出跳闸命令给出报警信息，对于跳闸命 令信息和报警信息的传输，需要构建的通信系统满足其通信需求。 继电保护业务包括断路器状态的监控和维护，断路器状态是通过远程终端 设备传输给 scada/ems 系统，能告知控制中心断路器的实际位置，现代的断 路器具有智能性，还能够反应其它的传输和状态信息28，继电保护业务需要通 信网络有固定的时延性能和自适应的保护恢复能力。 (2)scada 业务和 ems 业务 控制中心的传输控制系统实现对传输系统的监视和控制， scada 系统可以 用来对传输变电站的进行监视和控制，ems 系统采用传动流功率模型评估传输 系统的状态。scada 业务实现控制中心对传输系统的监视和控制，它可以监视 和控制传输变电站的设备状态，它是通过控制设备来传输设备状态信息和来实 现管理能量消耗； ems业务管理分析传输系统的能量状态信息和优化传输系统。 在智能电网的环境下，比如 scada 业务的有效性要达到 99.99%，继电保护业 务的要求要更高12。用 scada 系统和能量管理系统才进行传输的信息包括： 被监视设备的状态（开、关） ，报警（过热、过载、电池水平、能力等） ，操作 命令和控制行为（监控开关操作、能量管理系统的操作和闭环操作的准备） 28。 ems 系统运行模型更新、状态估计、总线负载预测，能够对电网的稳定性 进行分析，执行应急分析、预防和改正措施。 (3)变电站监控业务 控制中心实现对传输的集中监控就需要对传输变电站进行实时监控，变电 站的现场的图像需要实时地传送到中心，智能控制中心的监控系统需要实时的 得到变电站的各种环境信息，包括环境的温度、湿度、电压值、电流量等实时 信息。当变电站出现异常的时候可以进行预警和保护。 对变电站实现视频监控更体现了智能电网的特性，从控制中心实现对变电 站的远程视频监控，可以实时的监控变电站的状态。变电站视频监控需要高的 带宽需求,具体带宽要求要达到 10m 甚至 100m29。 (4)广域测量系统业务 广域测量系统（wams）的相量测量单元，能全网同步采集机组和线路的 电压、电流以及重要的开关保护信号；并能计算得到电压和电流相量、频率和 频率变化率、 机组和线路功率、 发电机内电势(功角)以及根据机组键相信号实测 华北电力大学硕士学位论文 10 机组功角；同时还能提供扰动触发的暂态记录。能够提供实时的电压、电流相 位的测量，用来对电网运行进行保护、控制和监控28。基于 pmu（相量测量单 元）的广域测量系统能实现对电力系统动态过程的监测，其测量的数据能反映 系统的动态行为特征。广域测量系统为电力系统提供了新的测量和监控手段。 继电保护业务和 scada 业务都是智能电网广域网的业务，继电保护业务 实现相连的变电站之间的通信，当保护设备的一端检测到故障后，另一端就会 被告知，保护行动就会被实施，它不需要控制中心和变电站之间的通信；而 scada 业务，主要是由分布在广域网上的智能电子设备（ied） 、远程终端设 备（rtu）和可编程的逻辑连接器，这些设备分布在发电站、传输变电站和分 布传输站中。 2.1.3 通信需求的几个方面 通信的需求包括延迟需求（实时性）、带宽要求、安全性（机密性、完整 性、可靠性）等。实现对智能电网的通信业务和智能电网环境下广域网的通信 业务的通信需求的分析，主要是通过这几个方面进行分析。下面结合广域网的 通信分别对这几种需求进行分析： (1)延时需求 延迟需求是指各种通信业务对延迟的敏感程度。广域网传输 信息信道对实时性要求很高。对于传输信息于控制中心和变电站之间的数据交 换的延迟要求在几秒以内，才能保障数据的实时交换，进而满足控制信息和数 据信息的实时传送。不同的业务对其延时要求不同，具体如下： 继电保护业务：对延时的要求为 4ms 以内； 广域状态监控：对延迟的要求为几分秒以内； scada 数据：对延迟的业务要求为几秒以内； 非关键设备的监控：对延迟的要求为几分钟以内。 (2)带宽要求 带宽要求是指业务信息传输所需要的带宽。智能电网环境下 广域网的通信传输量大，业务数量多，传输网络需要能够提供高速的、大容量 的传输要求，传输带宽达到 2.5gbit/s、10gbit/s 或更高，这样才能满足接入传 输网的众多变电站和控制中心的带宽要求，每个智能变电站的带宽需求就为 0.2-1.0mbit/s，每百万先进电表的带宽需求为 1.85-2.0 mbit/s，每万个智能传感 器的带宽需求为 0.5-4.75 g bit/s17。 (3)安全性 广域网要实现与控制中心和无数变电站之间的信息传输，传输 控制信息和数据信息，要保证控制网络和信息的安全，需要安全政策和安全协 议来保护信息和控制命令。智能电网对变电站监控有更高的要求，智能中心可 以通过远程终端设备来实现对变电站的控制，这就需要实现进入变电站的授权 华北电力大学硕士学位论文 11 和认证来确保安全性，属于不同领域的信息交换，要改善不同领域不同安全协 议和不同安全技术所带来的漏洞，这种网络之间的交互可以设计成单向来增强 安全性（控制中心可以使用自己在变电站的远动设备来收集数据而不是直接连 接到数据采集系统）30。 与广域网通信直接相关的安全标准有 ieee 1686-200731：变电站智能电子 设备光网安全性 ieee 标准、iec 62351 1-8：电力系统控制和相关通信-数据和 通信安全32等。 安全性具体包括机密性、完整性、有效性： 机密性 广域网通信的要求有一定的机密性，违反通信的机密性可能会导 致业务双方的不信任，有些系统的保密性损失可以导致系统的功能损失。对于 隐私技术而言，fips 提供了 aes 和 3des，提供强安全性；对通信系统实施边 界保护，监测和控制外部边界信息系统的通信，防止和侦查未经授权的通信， 通过使用网关、路由器、防火墙、加密隧道和代理等等33。不同的通信资源保 护类型采用的安全技术不同：无线链路安全技术包括标准 802.11i34和 802.16e35,36 ,有线链路的技术有防火墙和基于 ipsec 的 vpn 技术。 完整性 广域网对通信完整性的要求高，数据完整性的缺乏可能会导致电 网的不稳定，不正确或丢失的实时数据可能导致应用产生错误的结果，甚至影 响电力通信的可靠性。 状态估计不良数据检测是对数据不完整性的第一道防线， 通过分析矛盾冲突和丢失的数据，来保证数据的完整性。低效率的运作状态可 能会导致数据的完整性缺失，包括传输路径不正确的响应，还有丢失的或错误 的控制要求信息，会造成严重的后果。 可靠性 广域网传输需要有效可靠的传输电能，对于重要控制信息的传输 如果有效性不高，会导致电力系统的故障和低效率运作，所以通信网要有自愈 能力，能够在几十毫秒以内实现自动保护和恢复，建立完善的自动保护恢复机 制。可以使用双冗余标签交换路径、双连接和重路由等技术实现通信的可靠性。 2.1.4 智能电网广域网通信业务的需求 广域网包括的业务种类很多，继电保护业务、scada 业务和 ems 业务、 广域测量系统业务、变电站监控、非关键设备的监控。每种业务对通信的要求 不一样，通信的具体要求包括：延迟需求（即对实时性的敏感程度）、带宽要 求、安全性（可靠性、机密性、完整性）。 各种通信业务的通信需求30如下表 2-1 所示，表 2-1 根据文献37所得： 华北电力大学硕士学位论文 12 表 2-1 智能电网广域网各种业务的通信需求 业务类型 带宽 实时性 安全性 可靠性 继电保护 64kbps/2mbps 4ms 以内 （高实时性） 非常高 非常高 scada 业务 数据速率中等 200ms 以内 高 高 变电站视频监控 10m/100m 实时业务 高 高 分布自动化 数据速率低 实时业务 高 高 操作数据 数据速率中等 实时业务 高 高 ip 语音业务 64kbps 200ms 左右 变电站视频监控业务 数据速率高 实时业务 高 高 ems 业务 数据速率高 实时业务 高 高 相量测量业务 数据速率中等 等级 a 数据业务 16ms 等级c数据业务500ms 广域网主要的通信业务包括网络控制业务、scada 业务、ems 业务等， 通过表 1-1 可以看出各种具体的通信业务对通信的带宽、实时性、安全性和可 靠性的要求不同，根据各种通信业务的通信需求，可以分析广域网通信系统的 构架框架。 2.2 本章小结 本章首先介绍智能电网的领域、结构模型和业务应用，进而重点介绍智能 电网广域网的范围和主要实现的通信业务，在智能电网环境下，对广域网各种 通信业务的具体运行过程和对通信的要求进行分析，从而总结出智能电网环境 下广域网对通信的需求，从实时性、带宽要求和安全性三个方面总结广域网的 通信需求。 华北电力大学硕士学位论文 13 第 3 章 广域网主要通信技术 智能电网通信系统的构建，需要先进的通信技术，智能电网环境下的广域 网的通信要适合大容量、高速率、多业务的传输。广域网的通信系统主要包括 osi 七层通信模型的物理层、数据链路层和网络层。目前，先进的通信技术有 很多，物理层包括光纤通信、电力线通信、无线通信等，网络层包括 ipv4 技术 和 ipv6 技术，常用的是 ipv4 技术，已经比较成熟，ipv6 技术相对与 ipv4 技术 而言，有很多优势，数据链路层的一些先进通信技术的加入也可以用来构建智 能电网的通信系统，比如帧中继、atm、多标签交换技术（mpls）和通用多标 签交换技术等。光传送网（otn）和自动交换光网络（ason）技术是目前较 先进的通信技术，下面对各种通信技术进行分析，评价它们对构建广域网的通 信系统的优缺点。 3.1 ipv6 技术 3.1.1 ipv6 技术的原理 ipv6 是通信网络层技术， ipv6 技术相对于 ipv4 技术有更大的地址空间， 每 个 ipv6 地址有 128 位，可以提供 2128个地址。可以为智能电网的智能变电站设 备，传感器等提供充足的地址空间。 ipv6 有自动配置功能，rfc 4862 里规定了 ipv6 的无状态地址自动配置， 自动配置功能是指 ipv6 网络上的设备可以通过无状态协议，自动的配置自己， 包括自己的 ip 地址和一些其他参数，ipv6 里的 dn（邻居发现）协议可以实现 ip 地址的自动配置，同一链路上的节点使用链路 ipv6 地址、ipv6 过渡地址以 及用本地路由器发布的前缀生成地址，自动地配置自己14，所以 ipv6 的无状态 地址配置可以实现智能电网即插即用的网络。 ipv6 的包头比 ipv4 的包头更为简单，长度为 40 字节，源地址和目的地址 都是 16 字节，其它的报头信息为 8 字节，其它的报文信息为：版本、业务等级、 流标签、净荷长度、下一个报头、跳极限。 ipv6 的扩展包头包括逐个跳段、选项包头、目的地选项包头、路由包头、 分段包头、认证包头和 esp 协议包头： 1.逐个跳段选项包报头：包含分组传送过程中，每个路由器都必须检查和 处理的特殊参数选项； 2.目的地选项包头：指名需要被中间目的地或最终目的地检查的信息； 华北电力大学硕士学位论文 14 3.路由报头：ipv6 的源节点可以利用路由扩展包头指定一个松散源路由， 即 分组从信源到信宿需要经过的中转路由器列表； 4.分段包头： 提供分段和重装服务。 当分组大于链路最大传输单元 （mtu） 时，源节点负责对分组进行分段，并在分段扩展包头中提供重装信息；ipv6 的主机使用提供路径最大传输单元 （pmtu） 来确定路径最大传输单元的大小； 5.认证包头：提供数据源认证、数据完整性检查和反重播保护； 6.esp 报头：提供加密服务。 3.1.2 ipv6 技术的性能分析 ip qos 可以提供优化信息传输的功能，ipv6 报头提供通信流类别和流标签 两个领域来实现 qos，流标签包含流标签的识别和数据包流的优先次序，ipv6 中加入的流标签领域可以更有效的实现不同类型业务的区别。qos 功能可以实 现提供业务整体传输的实时性和有效性，对广域网传输的业务而言，可以实现 语音控制信息和视频监控信息的高传输量、高实时性和有效性。qos 技术的实 现还需要一层和二层技术的加入，比如 mpls 技术和 diff-serv 技术的结合可以 更好的实现 qos。 ipsec 是 ipv6 通信安全的协议， 可以提供信息传输的机密性和完整性， ipsec 包括安全封装载荷 esp 和认证头 ah 和密钥管理协议 ike， 用来实现对 ip 数据 包的加密管理，实现对信息传输网络层的端到端的保护，可以用于一些机密性 要求高的业务的传输31。 ipsec 技术和 vpn 技术或 mpls vpn 技术结合可以更 好的实现信息传输的安全性。 ipv6 具有路由聚类的功能，ipv6 使用更小的路由表。ipv6 的地址分配一开 始就遵循聚类（aggregation）的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录 （entry）表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转 发数据包的速度14。 智能电网环境下的广域网包括了智能电网各个领域之间的通信，广域网通 信系统需要为广域网连接的每个设备进行地址分配，由于广域网设备对地址空 间的需求，ipv4 技术已经无法满足广域网对地址资源的需求。相比与 ipv4 技 术而言，ipv6 技术拥有更大的地址空间，更有效的 qos 保证，更完善的安全协 议，这些优势可以用来满足智能电网广域网的通信需求。智能电网即插即用的 功能，需要通信系统实现对设备的地址自动配置，所以 ipv6 技术的自动配置 功能在智能电网广域网通信中有很大的优势。 ipv6 技术对一些电子设备的配置， 可以实现智能电网的双向互动功能，智能控制中心和用户之间可以实时的交互 信息。 华北电力大学硕士学位论文 15 3.2 mpls 技术和相关技术 mpls（多协议标签交换）技术是数据链路层的通信技术，它相比帧中继、 atm 技术有更多的优势，mpls 技术作为数据链路层技术可以与一些其它的相 关技术相结合，这些相关技术可以包括区分服务技术、虚拟专用网技术、流量 工程技术。这些相关技术可以用来更好的实现对广域网通信需求的满足。 3.2.1 mpls 技术原理和性能分析 mpls（多协议标签交换）技术,采用标记交换路由器（lsr）进行交换，通 过标签分发协议(ldp)构建标记交换路径（lsp）或现有的控制信息（bgp 等） ， 来传输 fec 标签绑定信息， mpls 的转发等价类 fec 需要做相同转发的数据包 划分为同一类，根据 fec 的标签进行转发。mpls 技术实现按标签标记交换传 输信息，改善了 ip 路由选路的过程，减少了数据包路由的延迟，提高了交换转 发的速率38。 mpls 技术的转发等价类 fec， 将需要做相同转发处理的分组为同一转发类， 转发过程中，数据包根据标签进行转发，不用分析数据包的网络层，提高了数 据包的转发速度。 具体步骤： （1）mpls 使网络自动生成路由表，根据路由器的内部网关协议，比如 ospf/isis 协议来建立路由表，形成多标签交换路径 lsp，数据包在 mpls 网 络入口即边缘路由器，把数据包被划分为不同的 fec； （2）当数据包进入边缘交换路由器时，根据转发等价类建立的路由表和标 记映射表，ler 对数据包的 efc(转发等价类)进行标记，然后按标记进行转发； （3）核心交换路由器读取数据包的标记，根据路由表和标记映射表替换新 的； （4）在出口边缘交换路由器上，去掉标记，按照数据包头转发。 mpls 网络有 lsr 组成，lsr 的控制平面，控制平面用来建立路由表和标 记映射表，lsr 的数据平面用来根据控制平面产生的路由表和标记映射表来转 发和标记数据包，在 mpls 中需要采用一些路由协议，包括外部网关协议和内 部网关协议，内部网关协议包括 ospf、rip、bgp 等。 ospf（open shortes