國家電網公司智能電網IPv6應用探討*

黃畢堯，郭經紅，權 楠，汪 洋，丁慧霞，劉國軍，仝 杰，張 庚，王 楠

（中國電力科學研究院 北京 100192）

1 引言

受全球氣候變化、生態環境惡化、傳統能源短缺等諸多問題的影響，當今世界能源格局正在發生重大而深刻的變革。近年來，很多國家提出了智能電網發展理念，賦予其承載保障能源安全、促進能源清潔高效利用和提振經濟發展等重要使命。智能電網已經成為當今世界電網發展的新趨勢、新方向[1]。智能電網在傳統電網的基礎上，充分利用信息技術和通信技術，全景實時采集和分析關于發電、輸配電和用電各環節信息，通過這些信息，電力公司可以把整個電力系統作為一個高度集成化的框架加以管理。要實現智能電網發展目標，必須克服一個根本性的挑戰：如何在電力網的所有組件之間，自由、安全地交換數據。為了做到這一點，智能網絡必須是開放式、分布式的架構，由多個互聯網的、可尋址的、獨立管理的實體所構成[2]。本文分析了國家電網公司智能電網建設現狀和數據通信網絡現狀，提出IPv6在智能電網的應用需求，設計了IPv6應用與智能電網的標準體系，描述了公司應用實踐，可為下一代互聯網技術在智能電網中的應用提供參考。

2 現狀分析

2.1 智能電網建設現狀

國家電網公司智能電網的總體發展目標是：“建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展，具有信息化、自動化、互動化特征的自主創新、國際領先的堅強智能電網。”堅強智能電網將主要圍繞發電、輸電、變電、配電、用電、調度六大環節及通信信息平臺進行建設，全面覆蓋傳統電力系統的所有領域。堅強智能電網在戰略理論、試點規模、覆蓋領域、推進速度、建設進度等方面均處于世界領先水平。

·全面完成了電網智能化規劃編制，為智能電網全面建設提供了依據，組織開展了電網智能化中長期規劃和“十二五”規劃的編制工作，完成了《國家電網智能化規劃總報告（2009-2020年）》和《國家電網公司“十二五”電網智能化規劃》報告。

·試點工程建設全面穩步推進，從2009年開始，國家電網公司在26個區域和省級電網共安排了3批智能電網試點項目，開展了300多項智能電網試點項目的建設。

·支撐試點項目的關鍵技術標準編制完成，為智能電網規范化建設提供了依據，公司組織開展了智能電網技術標準體系研究，編制完成并向社會正式發布了《國家電網公司智能電網技術標準體系規劃》，積極參與國際智能電網標準化競爭。

·研究檢測中心建設碩果累累，為智能電網試點工程提供了有力支撐，國家能源太陽能發電研發（實驗）中心、國家電網智能用電技術研究檢測中心、國家能源大型風電并網系統研發（實驗）中心相繼建成投運。

從技術角度來解讀，智能電網是將現代先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成的新型電網，它需要各類信息與通信技術（ICT）、物理電網有機地集合在一起。國家電網公司在堅強智能電網的建設過程當中，大量加強智能電網信息通信平臺建設。包括改造升級電力通信骨干傳輸網和數據網、加強配電側和用電側通信網等，建設企業級信息系統，加強信息通信網絡的監控管理和集中運維，為公司電網智能化發展奠定了重要的基礎。

2.2 數據通信網絡現狀

一般而言，世界各地的電力公司對于重要的數據通信節點，如電廠、變電站、大用戶均大多建設通信專網，國家電網公司建有目前世界上最大的電力系統通信專用網絡。因為IPv6重點解決數據通信網絡通信層的問題，對相關問題的認識首先必須基于數據通信網絡的現狀，并全面考慮到信息通信融合的趨勢，從而找出IPv6應用部署需要重點關注的問題。以國家電網公司數據通信網為例。目前，國家電網公司數據通信骨干網有56個節點，包括核心節點7個、骨干節點35個，直調廠站 15個。核心節點包括公司總部、北京災備中心、上海災備中心和西安災備中心以及公司各分部等節點；骨干節點包括各個省、直轄市電力公司、公司直屬單位等節點；直調廠站包括三峽電站、特高壓變電站、換流站和開關站等節點。

數據通信骨干網現有VPN業務12個，分別為信息業務、調度業務、通信業務、運行信息業務、運行視頻監控業務、應急指揮視頻監控業務、應急視頻監控業務、國調會商視頻會議系統業務、工程設計評審平臺視頻會議系統業務、應急指揮中心視頻會議系統業務、行政高清視頻會議系統業務、物資評標視頻會議及監控系統業務。按照業務流量類別，主要包含信息業務流量、視頻類業務流量和其他業務流量。信息VPN覆蓋國網總部、各省公司及直屬單位，為數據通信骨干網流量最大的VPN業務，業務實時應用，主要應用流量為信息訪問流量 （包括辦公自動化、郵件、門戶等）和災備復制流量。

除了公司數據通信骨干網以外，公司各分、各省公司、地市、縣等均有專門的數據通信網絡，用于自己管轄區域的電網運行控制和電網管理。

最近幾年，國家電網公司建設了用電信息采集系統、輸變電狀態監測系統、電網統一視頻監控系統等，這些系統均涉及大量的終端，并且信息會從現場終端通過數據通信網絡傳輸到省公司、總部數據中心等。

這種應用如果能基于全IPv6，將會帶來應用性能的極大提升。但是這些應用在現場智能設備通信端，不但還沒有實現IPv6，甚至還沒有實現IPv4。

3 需求分析

電力系統包括很多子系統，一般來說，每個子系統都為其內部的數據交換設定了專門的規則，這些數據交換規則被稱為通信協議，因為這些不同的設備使用不同的通信協議進行數據交換，而這些協議本身并不適合互相溝通，所以實質上構成信息“孤島”，很難實現跨越多個系統的集成通信，或者關聯來自多個系統的設備和數據。

智能電網的發展，將會有海量的各種智能終端需要管理，包括變壓器、智能電表等，如果考慮到各種用戶側智能設備，則其數量和數據量將對數據實時采集、傳輸和處理帶來極大挑戰，建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎。智能電網在通信技術領域主要關注兩個方面。其一是開放的通信架構，形成“即插即用”的環境，使電網元件之間能夠進行網絡化通信；其二是統一的技術標準，能使所有的傳感器、智能電子設備以及應用系統之間實現無縫通信。眾所周知，在實際運營IPv4網絡過程中，發現IPv4存在先天不足。這些問題包括，IP地址容量受限、無源地址認證導致IP地址偽裝，三角路由導致移動性能差、安全性不好、配置復雜、路由表膨脹、端到端的業務模式缺少等問題。IPv6地址量大，能夠實現電網中每個設備都能有一個IP地址；傳輸效率高、速度快、網絡安全性高；嚴格規范的管理確保網絡的通暢；無狀態地址自動分配的特點，可以支持新增設備迅速連接到網絡上，真正實現即插即用的功能。IPv6的以上特性很好地滿足了智能電網在通信方面的要求，在該領域有廣闊的應用前景。

總體而言，智能電網必須有針對性地解決的問題包括：

· 在多種介質上傳輸數據，比如智能電網的數據必須能夠在不同的網絡介質上可靠傳輸，包括銅線、光纖和無線；迅速地采集和分析大量數據，智能電網必須能夠獲取大量數據，并加以分析，根據這些數據提供電力管理建議，所有這些都必須以近實時的方式實現；

·跟隨行業的變革和發展進步，隨著技術的發展進步，新的硬件設備和應用不斷涌現，智能電網也必須能夠隨之進步，同時，必須能夠以盡可能低的成本和難度，將這些技術成果吸收到網絡當中，連接大量的設備，智能電網架構必須傳輸和關聯來自數百萬甚至數億的新型智能設備數目，而且連接到智能電網的數目每年還會迅速增加；

· 保持可靠性，確保極高的網絡可用性至關重要，提高數據網絡可靠性，減小其對電網可靠性的影響；

· 連接多種類型的系統，智能電網必須能夠與不同的硬件連接和交換數據，包括家用電器中的智能傳感器、家用能源計量表和變壓器等；

· 確保安全性，由于智能電網所提供的技術和服務的關鍵性，它將會成為恐怖襲擊和網絡攻擊的重要對象，要從傳統的能源網絡發展為智能電網，需要采用一種根本性的安全策略和安全機制，保障這個關鍵性基礎設施的安全[5,6]。

4 標準體系規劃

為了促進下一代互聯網技術在智能電網中的應用，并在不影響電網安全可靠的前提下有效提升電網智能化水平，通過分析研究，國家電網公司IPv6標準體系總體可分為技術類標準、測試類標準和管理類規范。

· 技術類標準包括基礎標準、公網應用標準和專網應用標準。基礎標準主要由國際標準（IETF、3GPP2）和國內通信行業（中國通信標準化協會）頒布的標準組成；公網應用標準主要由國際標準（IETF、3GPP2、ITU-T）和國內通信行業標準（中國通信標準化協會）組成；電力系統應用標準主要是國家電網公司預計會在近兩年頒布的公司標準或者電力行業標準。

·測試類標準主要包括通信行業通用測試標準和電力系統專用應用測試標準。主要包括協議測試、設備測試、安全測試和應用測試，前3類測試標準主要由中國通信標準化協會結合有關國際標準頒布；對于電力系統的應用測試，主要需要針對各種業務系統（如視頻監控、輸變電狀態監測、智能用電服務等）對網絡功能和性能在公網基礎上的提升要求，制定相應的測試規范。

· 管理類規范包括建設規范和運行管理規范。此類標準主要是國家電網公司標準和電力行業標準。

圖1為IPv6應用于智能電網的標準體系示意。

應用規范包括公司IPv4網絡向IPv6網絡過渡總體規范、公司信息網絡IPv6地址編碼規范、IPv4網絡向IPv6網絡過渡信息安全規范、IPv4網絡向IPv6網絡過渡網絡設備升級規范、IPv4網絡向IPv6網絡過渡數據中心升級規范、主要業務系統應用IPv6總體規范（視頻監測/用電信息采集/輸變電監測等）等；應用測試（功能和性能）可包括輸變電狀態監測應用支持IPv6能力測試、電力環境/視頻監測應用支持IPv6能力測試、智能用電服務應用支持IPv6能力測試、用電信息采集應用支持IPv6能力測試、配電自動化應用支持IPv6能力測試等；建設/運行/管理包括IPv4網絡向IPv6網絡過渡建設規范、IPv4網絡向IPv6網絡過渡信息系統升級建設規范、IPv4網絡向IPv6網絡過渡數據中心升級建設規范等。

5 IPv6應用于智能電網相關的國際標準

除了標準體系規劃，還需要快速開展試點應用和標準制定，并關注該領域的國際標準開發及應用，這些都是參與智能電網市場國際競爭的關鍵。以下標準的開發和應用多少涉及對IPv6技術的描述。其推廣應用將極大地促進IPv6技術在智能電網中的應用。

IEC PC118智能電網用戶接口技術委員會是國家電網公司2011年申請成立的，基于智能電網的跨領域特點，該技術委員會是IEC歷史上第一個標準范圍跨域ISO、IEC、JTC1、ITU-T的標準化組織，專門開展智能電網用戶交互應用方面的標準制定，秘書處設在中國電力科學研究院。目前，在中國、美國、法國、日本、韓國、印度等各國專家的參與下，基本完成前期的標準框架、標準范圍等的研究工作，其中重要的標準開發對象是制定各種用戶側智能終端接入電網的信息通信接口標準，需要協調現有用戶側大量的智能家居、智能樓宇通信協議，這些協議包括基于IP的通信協議和非IP的通信協議。

天地互聯、中國電信公司等參與制定的標準IEEE 1888泛在綠色節能網絡協議（standard for ubiquitous green community control network protocol），用 IPv6下一代互聯網技術服務節能減排的創新型標準，IEEE 1888兼容BACnet等工業控制總線系統，支持對太陽能、風能的遠程分布式管理，支持 6LoWPAN、Wi-Fi等無線技術，采用廣域 IPv4/IPv6網絡進行傳輸，基于統一綠色節能平臺對各種用能設備進行控制。IEEE 1888在實際應用中，可以實現廣域范圍的系統部署，將商用樓宇、民用住宅、工廠、數據中心、監控中心、政府信息化平臺等有機地結合在一起，構成一體化的綠色節能系統。目前，該標準正在ISO/IEC JTC1開展國際標準工作。

2011年，思科公司開發了標準RFC6272智能電網互聯網協議（internet protocol for the smart grid），初步對互聯網技術在智能電網中的應用做了規范，并以智能電網中的高級量測基礎為例，介紹了網絡的設計[3]。ISO/IECJTC1 WG7傳感網標準工作組目前正在制訂標準ISO/IEC30101智能電網傳感器網絡接口 （sensor network and its interface for smart grid system），對智能電網中涉及的數據交換節點之間的網絡接口做了系統化的描述。目前，IEC57WG21正在制定的標準IEC62746系統連接到智能電網的接口和通信 協 議 （systems interfaces and communication profile for systems connected to the smart grid），主要滿足用戶側能源管理系統連接到智能電網開展需求響應等應用的需求，基于XMPP描述信息交換的流程和內容，并定義系統架構。對于IPv6部署，重點應用的標準包括RFC4944 Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks、RFC5121 Transmission of IPv6 via the IPv6 Convergence Sub Layer over IEEE 802.16 Networks、RFC6180 Guidelines for Using IPv6 Transition Mechanisms during IPv6Deployment等。

6 IPv4到IPv6的過渡實踐

為了推動我國IPv6網絡在電力行業的落地應用，研究和驗證IPv6技術在智能電網中的應用研究，國家電網公司開展了下一代互聯網技術的應用研究與示范應用建設。

針對目前國家電網數據通信骨干網現狀，建設6vPE過渡技術試點，6vPE是阿爾卡特和思科等公司在2006年制定的標準RFC4659（BGP-MPLS IP virtual private network(VPN)extension for IPv6 VPN）中規范的一種IPv4到IPv6的過渡技術。

具體實施如下：若干個省電力公司骨干節點PE路由器不變，新增部署CE路由器，配置CE路由器 6vPE，省PE路由器上部署IPv6 VPN，用于多點對多點連接孤立IPv6網絡。信息流走向上，IPv6業務信息流匯聚到數據網骨干各省公司節點的PE路由器上，然后再上聯到各個公司分部節點，最后到達總部節點，在總部完成交互。在接入層網絡設計上，應充分考慮到不影響現有各項業務的穩定運行。因此采取新增兩臺IPv6業務CE路由器的接入方式，將原有IPv4業務流量和IPv6業務流量分開。兩臺新增CE路由器以主備模式部署，實現設備和鏈路的冗余。采用此種網絡結構設計，對現有網絡結構和穩定運行影響最小。同時，考慮到建設成本，由于目前骨干層PE路由器均可支持IPv6，因此，無需進行PE設備升級，只需新購支持IPv6的CE路由器，便可完成對6vPE的部署，節約了設備投資。為了同時支持變電站IPv4視頻監控終端和IPv4視頻監控終端，在省電力公司端、省電力公司和變電站之間、變電站段的路由器和交換機進行雙棧改造。試點和應用系統包括電網統一視頻監控、輸變電狀態檢測、95598用電服務中心。新建支持IPv6的變電站視頻監控系統，新建網絡攝像機直接接入IPv6交換機，采取支持IPv6的網絡技術，完成IPv6設備的視頻數據從站端經省（市）到總部的傳輸。新建支持雙棧協議的輸變電狀態檢測數據采集器和數據集中器。改造95598供電服務中心系統為雙棧支持。

7 結束語

下一代互聯網作為我國戰略性新興產業，得到國家的高度重視，并出臺相關規劃，2013年年底前，開展IPv6小規模商用試點，形成成熟的商業模式和技術演進路線，2014-2015年，開展大規模部署和商用，實現國際互聯網協議IPv4與IPv6主流業務互通。智能電網的發展對于IPv6具備內在需求，國家電網公司在智能電網建設過程當中，積極開展了IPv4到IPv6的過渡技術升級工作，在建設智能電網應用系統過程中，采用IPv6終端和支持雙棧的應用系統，開展下一代互聯網技術的應用研究與示范應用建設，推動我國IPv6網絡在電力行業的落地應用，將對電力行業乃至其他行業有重要的示范作用。隨著智能電網的發展，大量的智能設備、數據采集終端將部署在電網中，從發電、輸電、變電、配電到用電各個環節，并且存在主站控制中心或者數據監測中心往大量現場終端廣播數據或者控制命令的應用場景，IPv6將會在智能電網建設過程中獲得逐步應用。電網公司需要通盤考慮IPv6地址段申請、地址分配，IPv6應用過程中的網絡規劃設計，網絡過渡進程的總體規劃、過渡過程中的安全隱患等重要問題，這些問題僅需要開展廣泛的試點和建立完善的標準以保障技術過渡期對電網運行安全不產生安全問題。智能電網與下一代互聯網技術的結合，將會使電力技術、信息技術和通信技術更好地集成一個架構合理、互操作性良好的體系框架，有效提高系統集成性能，帶動相關應用發展，對于智能電網的長期健康發展具有重要意義。

1 國家電網公司.國家電網公司智能電網標準體系,2010

2 NIST. NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards,Release 2.0,2012

3 RFC6272.Internet Protocols for the Smart Grid,2011

4 周孝信.新能源變革中電網和電網技術的發展前景.華電技術，2011,33(12)

5 杰里米·里夫金.第三次工業革命.張體偉,孫豫寧譯.北京:中信出版社,2012

6 國際電工委員會（IEC）.IEC 2010-2030應對能源挑戰白皮書（智能電氣化-提高能效之路）.國家電網公司，中國電力科學研究院譯.北京:中國電力出版社,2012