基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構

任征東, 欒文鵬, 王鵬，郭屾

(中國電力科學研究院, 北京市100192)

基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構

任征東, 欒文鵬, 王鵬，郭屾

(中國電力科學研究院, 北京市100192)

該文闡述了配電自動化系統的實施現狀，分析了其通信網絡架構存在的問題，遵循共用通訊網絡的理念，提出了基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構，闡述了IPv6的運用可呈現出的不可比擬的優越性。所提出的基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構可以同時支持未來配電網電源側和用戶側所需業務的接入。強調了新的通信網絡架構對智能電網發展的重要性。

IPv6；配電自動化；通信網絡架構；配電終端

0 引 言

配電自動化系統是用來實現配電網運行監管和控制的系統，具備配電數據采集與監視控制(supervisory control and data acquisition, SCADA)、饋線自動化、電網分析應用及與相關應用系統互連等功能，由配電自動化主站、配電終端、配電子站(可選)和通信通道等部分構成。配電主站實現數據采集、處理及存儲、人機聯系和各種應用功能；配電子站實現區域監控功能；配電終端采集末端的實時數據與故障信息并上傳給配電主站，從而接收主站命令，對配電設備進行控制與調節；通信通道用于實現信息傳輸[1]。配電自動化系統能夠及時了解配電網的運行狀況，提高設備利用率，提高配電網運行性能和應急能力[2]是實現配電網有效運行的重要模塊，是智能電網的重要組成部分。

法國電力集團(Electricite De France, EDF)早已實現了配電自動化全覆蓋，主要采用饋線自動化模式，通過遠程故障信息采集與就地檢測相結合的方式實現故障的準確定位[3]。德國在配電自動化方面非常重視優質服務，建立了統一標準的可靠性管理分析數據庫，對中低壓網絡的各種數據隨時錄入分析計算[4]。日本東京電力公司基本實現了中壓饋線自動化，供電可靠性位于世界最高水平之列，如2008年，東京電網用戶平均停電時間僅為3 min，系統平均停電頻率為0.12次[5]。國家電網公司在2009年緊密圍繞建設堅強智能電網的戰略目標，全面貫徹“統籌規劃、統一標準、試點先行、整體推進”的工作方針，深入開展配電自動化技術方案研究和實施工作。截至2016年底，已有60余個單位的配電自動化系統投入運行，整體情況良好，顯著提高了供電服務質量和可靠性，有效提高配電網的現代化管理水平。美國電力科學研究院(Electric Power Research Institute, EPRI)在“智能電網體系”(Intelligent Grid Architecture)研究報告中提出了未來配電自動化系統的技術要求。該系統包括配電網自愈控制、經濟運行、電壓無功優化在內的各種高級應用功能，能夠滿足有源配電網運行監控與管理的需要，充分發揮分布式電源的作用，優化配電網的運行; 并可以提供豐富的配電網實時仿真分析和運行控制與管理輔助決策工具[6]。國家電網公司也在近幾年的重點工作任務中明確提出，要加快配電網的建設改造，做好智能現代城市配電網建設，顯著提高配電自動化水平。

以往的配電自動化系統大多為無主站系統，通過配電線路的聯絡開關和分段開關等設備實現重合器或具備自動重合閘功能的開關設備間的邏輯配合(如時序等)，就地實現配電網的故障隔離和恢復供電，對配電通信沒有明確的要求。隨著配電網規模的不斷擴大以及配電終端的智能化和光纖等快速通道的應運而生，無主站系統沒有通信網絡架構，不能保證智能配電網安全、穩定、高效地運行。現時配電自動化系統的通信網絡架構主要由配電網通信綜合接入平臺、骨干層通信網絡、接入層通信網絡以及配電網通信綜合網管系統等組成。由于配電終端數量較大、通信節點分散、不同類型配電設備的數據實時性要求不同，配電通信系統中多種通信方式綜合運用。

本文在分析已部署的配電自動化系統實施現狀的基礎上，深入分析當前配電自動化系統通信網絡存在的問題，并基于此分析IPv6應用于配電自動化系統的技術優勢，本著共享通訊網絡的理念，提出基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構。新的通信網絡架構以配電自動化業務系統為主體，可以同時承載未來配電網電源側和配電側的大量業務。

1 配電自動化系統通信網絡現狀

配電自動化系統根據配電終端接入規模或通信通道的組織框架，一般采用2層(主站-終端)或3層(主站-子站-終端)結構。配電自動化系統的基本構成如圖1所示。

1.1 通信網絡現狀

在配電自動化系統中，通信網絡的質量直接影響著系統的正常運行。已投運的配電自動化系統通信網絡主要包括骨干層通信網和接入層通信網。骨干層通信網分為核心層和匯聚層，采用同步數字體系(synchronous digital hierarchy, SDH)技術或者基于SDH的多業務傳送平臺(multi-service transfer platform, MSTP)技術；接入層通信網絡的應用技術根據系統的實施情況采用無源光網絡(passive optical network, PON)、工業以太網(ethernet passive optical network, EPON)、無線通訊技術和電力線載波通信技術。由于配電網中設備數量眾多、地域分布廣、節點分散、運行環境惡劣、分布不均衡，配電接入網通常采用光纖、電力線載波、無線公網和無線專網多種通信方式統一接入。典型的配電自動化系統通信網絡架構圖如圖2所示。對于每種通訊方式均配備以太網和標準串行通信接口。

圖1 配電自動化系統構成Fig.1 Sstructure of distribution automation system

圖2 配電自動化系統通信網絡架構Fig.2 Communication network architecture in distribution automation system

終端接入網的地理環境復雜，根據不同的環境要求和配電自動化系統的功能要求采用與其相應的通信技術，例如：具備遙控功能的配電自動化區域優先采用無線專網通信方式；需要通信能力支持以實現故障自動隔離的饋線自動化區域采用光纖專網通信方式。

1.2 通信網絡存在的問題

目前，國家電網公司的配電自動化系統通信網絡架構中只有部分采用了IPv4網絡通信傳輸協議。從系統運行情況來看，沒有IP化的局域通信網絡不具有開放、標準、通用等特性，從而制約了未來配電網中分布式電源/儲能裝置/微電網及高級配電運行、高級配電管理等新業務的接入，無法實現與智能用電系統互動。

未來的配電網是一個高度融合、安全和開放的網絡，在電源側和用戶側承載很多的新興業務。采用IPv4網絡傳輸協議的通信網絡雖然具備標準、兼容等技術特性，但是地址空間有限，不足以支撐未來配電自動化系統所需接入的大量新設備，嚴重制約了配電自動化通信網絡的擴展，無法保證未來承載的新業務快速、安全、可靠地運行，很難根據各業務的需求進行安全策略配置和通訊管理。

IPv6的網絡通訊技術具備與生俱來的安全、開放、可靠和服務質量(QoS)等特性，具有滿足以上需求的潛能[7]。目前國外很多電力公司已經將IPv6技術應用于高級量測體系(advanced metering infrastructure，AMI)中[8]，取得了明顯的效果。同樣的思路，IPv6的網絡通訊技術也可以用于配電自動化系統中。基于此技術，配電自動化系統智能化應用能夠實現量測信息、故障報警信息和裝置干擾報警信息與配電終端采集信息的相互利用，進一步提高配電網的精益化管理水平，實現智能配電網信息化、數字化和自動化的發展目標。IPv6在配電自動化系統中的新運用將有力地推動國家電網公司配電自動化系統的進一步發展和先進配電自動化系統的實施。

2 基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構

2.1 架構介紹

遵循公用通訊網絡的理念和行業發展趨勢，本文提出的基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構如圖3所示，由配電自動化主站系統、配電自動化通信網絡、具有路由功能的配電終端以及可支持的配電網電源側和用戶側的其他業務構成，是以配電自動化系統為主體的公用通信網絡，許多電源側和用戶側的業務可以通過同一系統實現。該架構中配電自動化主站和終端的新功能將在下文中體現。

基于IPv6的配電自動化系統通信網絡中，骨干層通信網絡仍可采用IPv4網絡協議以適應目前骨干網的現狀，接入層通信網絡采用IPv6網絡協議代替以前的IPv4網絡協議來支撐眾多新設備的接入。

IPv6網絡協議的地址空間足夠大，使得本系統的通信網絡不受IP地址空間的局限，根據業務需求任意擴展網絡，從而支持多種服務和業務融合[9-10]；根據配電網中不同業務部門和管理部門的需求，為同一智能設備分配多個IP地址，每個IP地址處于不同業務部門所管理的地址范圍。在此情況下，根據業務需求可以方便地設置IP網絡路由策略，把同一設備的不同數據分發到不同業務部門和管理部門的數據中心和服務器上，提高了配電自動化通信網絡的管理能力[11]。

圖3 基于 IPv6的配電自動化系統通信網絡架構Fig.3 Communication network architecture for distribution automation system based on IPv6

采用IPv6技術建立配電自動化通信網絡架構可以實現設備的互操作，同時支持配電網末端多樣化應用接入以及高度集成以支持未來配電網在電源側和用戶側所需承載的分布式電源、需求響應、電動汽車并網、智能家居等新業務。具有獨立IP地址的配電設備能夠實時與網絡管理系統相連，有利于實現各種業務端對端的管理和操作。

然而已有的配電設備不支持IPv6網絡協議，需要對網絡和通信接口進行升級和改造，在此過程中需要巨大的人力、財力和物力。在基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構中，某些無法進行網絡升級改造的配電設備的通信網絡集成具有一定的挑戰性。在基于IPv6的通信網絡架構中多種通信策略的融合方式也需要進一步探究。基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構中的配電終端局域網遵循開放式系統互聯(open system interconnection，OSI)協議，能兼容不同的物理層通信介質，如電力線載波、無線網絡以及光纖等[12]。

2.2 基于IPv6的配電自動化主站系統

配電自動化系統主站包括計算機軟件、操作系統、支撐平臺軟件和配電網應用軟件，其功能結構由應用層、平臺層、操作系統層和硬件層組成。基于IPv6的配電自動化主站在滿足現有功能的基礎上，在應用層中部署配電網絡管理系統(distribution network management system, DNMS)和配電安全管理系統(distribution safety management system, DSMS)，使得基于IPv6的配電自動化通信網絡具有一個安全、開放和標準的運行環境。

DNMS用于監控系統中每個具有IP端點的智能設備(包括具有路由功能的配電終端、電動汽車充電樁、智能電表、分布式電源等)的運行狀態，同時為整個通信網絡提供網絡故障診斷、故障處理、網絡配置、賬戶管理、性能監視、流量管理等服務，以實現配電自動化系統通信網絡的尋址、路由、多路組播、QoS等功能的綜合配置和管理。DSMS負責提供設備入網安全認證、用戶授權、數字證書管理、密鑰管理和信息加密等安全服務。

DNMS中對每個IP網元進行有效的管理，兼有性能管理功能、故障管理功能、配置管理功能和安全管理功能。配置管理功能負責監控網絡及網元設備的配置信息，建立、修改或刪除通道，當網絡出現故障時，進行通道和設備的重新配置和路由恢復，有利于實現和管理配電終端間以及現場設備間的端對端通信。

2.3 具有路由功能的配電終端

傳統的配電終端采集和處理反映配電設備運行工況的實時數據與故障信息并上傳給配電自動化主站，接收主站命令，對配電設備進行控制與調節。具有路由功能的配電終端使得其在保留原有終端功能的基礎上擴展成為其他智能設備的通訊路由網關，能夠在配電網電源側和用戶側承載更多的業務，同時具有強大的路由功能。

具有路由功能的配電終端不僅具有對本地配電數據采集和存儲的功能(傳統的配電自動化終端功能)，是配電自動化接入層通信網絡的接入點，還是配電網電源側和用戶側傳感器組成的局域網的網關，可實現系統末端與其他業務(分布式能源發電、電動汽車、需求響應和高級量測等)的通信。同時支持標準IP的路由及報文轉發、配電主站的遠程網絡管理，實現IPv6局域網的建立和管理。

具有路由功能的配電終端作為配電自動化系統在電源側和用戶側所承載業務的鏈接點，具有劃分本地多個子網和流量控制的能力，根據各業務部門和管理部門的需要把不同的業務數據路由到不同的數據中心，從而進行優質的服務質量控制。

2.4 基于IPv6的配電自動化系統通信網絡擬承載的新業務

基于IPv6的配電自動化通信網絡擬在電源側承載高級配電運行、高級資產管理、設備運行狀態監測、智能傳感器接入等業務；在用戶側承載大量的智能電表及日益增多的分布式能源接入、電動汽車并網、需求響應等。

新的通信網絡架構可賦予每一個智能設備1個或多個獨立的IPv6地址，能夠承載新業務并將所有的智能設備納入主站網絡管理系統進行一體化管理，使得各系統可共享公共通信基礎設施[13]。

3 基于IPv6的配電自動化系統通信網絡技術特性

3.1 可管理性

在IP網絡中，每一個具有IP端點的智能設備均支持標準的網絡管理協議，能夠作為一個IP網元被通用的網絡管理系統管理。因此基于IPv6的配電自動化系統可以充分利用開放的、標準的 IP 架構下的網絡管理系統中的故障管理、配置管理、性能管理和安全管理等4項基本功能。可遠程實時監測系統內所有IP端點，實現拓撲結構可視化、集中化的網絡配置管理、電力設備的狀態實時監控和故障事件收集記錄、故障點定位和排查、智能設備的身份驗證和登錄準入等功能。

基于IPv6的配電自動化系統通信網絡可以實現全部配電智能設備，在統一的網絡視圖下納入配電主站系統的自動化管理，實時監測其工作狀態，可有效增強通信網絡的管理能力，有效降低系統運行和維護的復雜程度。

3.2 服務質量

公用網絡對數據傳輸時延、帶寬有不同的需求，電力公司中不同的業務部門和管理部門對通訊的時延、帶寬、通訊可靠性、數據包的轉發效率有不同的需求。IPv6的報頭結構可以定義256個級別的優先級，可以根據業務需求給每個設備和業務設定合適的優先級，從而優化系統的總體性能。比如，傳統的配電自動化業務要求數據和報文實時傳輸，其在本系統中具有最高優先級。這樣在一個共享的網絡里，有利于配電自動化系統中的實時數據快速、準確地傳送，能夠非常準確地掌握配電網的運行狀態。一些其他業務，如溫度傳感、電表數據讀取等，對通訊的時延需求不太明顯，可以配置較低的優先級。網絡服務質量的優化配置能夠進一步提高配電自動化系統的整體效率，從而實現配電網的高效運維和管理。

3.3 安全性

全IP網絡可以對網絡層的數據進行加密并對IP報文進行校驗，同時給加密與鑒別選項提供了分組的保密性與完整性。IPv6的網絡層可實現數據拒絕服務攻擊，抗擊重發攻擊，防止數據被動或主動偷聽，防止數據會話竊取攻擊等功能。

在配電自動化系統通信網絡中采用IPv6網絡協議承繼了IP技術獨有的安全特性，極大地增強了系統的安全性能，任意2個配電設備間端對端的通信安全性得以有效保障。

3.4 適用性

國家電網公司與配電網相關的系統由各業務部門根據自己的需求設計、建設、管理和運維，造成了配電網中多個業務系統并立、重復建設但又難以融合的局面，特別是諸多業務都從同一設備采集信息的時候難免會造成信息誤傳、漏傳。本文提出的基于IPv6的配電自動化系統通訊網絡為此提供了一個完美的解決方案。基于多項業務共享同一通訊網絡的理念，為電力公司提供了一個易于實施和經濟可行的方案。由于IPv6網絡具有海量的地址空間，可以給配網中的每個智能設備提供1個或者多個IP地址，每個IP地址處于不同業務部門管理的網段上，配電網絡管理系統可以方便地配置路由策略，把各網段的數據信息根據不同業務需求發送到不同地址的服務器上，使得配電自動化系統可以同時支撐和兼顧不同的業務需求，在無須對當前業務部門的管理方式進行大調整的情況下，實現智能設備業務共享。例如，當調度、運檢、營銷3個部門都對智能終端的某些數據感興趣時，可以給此智能終端分配3個獨立的IP地址，一個IP地址處于調度的管理網段，一個IP地址處于營銷部的管理網段,另一個IP地址處于運檢部的管理網段，3個部門各自管理的數據服務器根據各自的業務需求隨時從配電終端獲取任意準實時或非實時數據，實現同一智能傳感器為多個部門共同利用。以上這些配置都由配電網絡管理系統統一管理。因此，IPv6網絡適用于目前國家電網公司配電網的管理模式，可以進一步提高配電網的精益化管理。

4 結 論

基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構能夠實現配電自動化系統與其他系統之間的數據共享，業務互通、設備互操作等功能，增強配電自動化通信網絡架構的可靠性和安全性。

基于IPv6的配電自動化系統通信網絡架構能將所有業務系統中的智能設備納入主站網絡管理系統進行一體化管理，根據業務需求把數據傳給業務部門和管理部門的主站系統，使得各系統共享全IP化通信帶來的各種優越技術特性，有利于實現各種業務端到端的管理和操作，從更高層次支持配電自動化設備間的互操作，給更多新業務的擴展提供更大的空間，使配電自動化系統成為一個能夠承載新的業務和應用并與其他相關系統高度融合的系統，真正實現“一個網絡，多種應用”。

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(編輯 張小飛)

Communication Network Architecture for Distribution Automation System Based on IPv6

REN Zhengdong, LUAN Wenpeng, WANG Peng, GUO Shen

(China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

This paper reviews the implementation status of distribution automation system and analyzes the problems of its communication network architecture. Following the common communication network concept, we proposes a novel communication network architecture for distribution automation system based on IPv6, and discusses the advantages of the IPv6 based communication network architecture. The proposed communication network architecture for distribution automation system based on IPv6 meets the requirement of the future distribution automation system (user-side and grid-side). The significance of such communication network to the future smart grid can be expected.

IPv6; distribution automation; communication network architecture; distribution terminals

中國電力科學研究院創新基金項目(PD83-17-004)

TM76; TM77

A

1000-7229(2017)05-0111-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.015

2017-02-25

任征東(1988)，女，碩士，工程師，本文通信作者，主要研究方向為配電自動化系統，IPv6網絡技術;

欒文鵬(1964)，男，博士生導師，中央“千人計劃”國家級特聘專家，主要研究方向為配電網分析，高級量測體系，配電自動化系統等；

王鵬(1982)，男，高級工程師，主要研究方向為配電網傳感技術，高級量測體系等；

郭屾(1984)，男，博士，主要研究方向為配電網傳感技術分析，高級量測體系等。