智能電網(wǎng)用戶側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)挑戰(zhàn)分析
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周靜，胡紫巍，孫媛媛，馬榿
（1．國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，北京 102211；
2．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）
摘要：為了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的功能，必須建設(shè)高速、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信系統(tǒng)，使智能電網(wǎng)成為一個(gè)動態(tài)、交時(shí)信息及電力交換互動的大型基礎(chǔ)設(shè)施。在智能電網(wǎng)發(fā)展環(huán)境下，重點(diǎn)論述了智能量測在通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全及標(biāo)準(zhǔn)化方而的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，討論了如何實(shí)現(xiàn)互操作性、建立可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)解決方案以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何應(yīng)用于智能量測等關(guān)鍵問題．最后，論述了國際上智能電網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)化工作的現(xiàn)狀．對建立中國智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和解決方案具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：鉀能電網(wǎng)：智能量測；通信；互操作：安全性：標(biāo)準(zhǔn)
0引言
為了實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的功能，必須建立可靠、雙向、實(shí)時(shí)、集成的通信體系。在該技術(shù)領(lǐng)域中需要關(guān)注的2個(gè)方面為：(1)開放式通信架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“即插即用”的通信環(huán)境，電網(wǎng)元件相互之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通信；(2)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證傳感器、智能電子設(shè)備(IEDs)及應(yīng)用系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)無縫通信，即在這些設(shè)備和系統(tǒng)之間的信息能夠得到完全理解，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)相互之間的互操作功能。這便要求電力公司、設(shè)備制造企業(yè)及標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)相互協(xié)調(diào)合作，以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通。
為使智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)充分強(qiáng)大、安全和實(shí)用，還存在一系列的挑戰(zhàn)和問題必須加以解決。本文介紹了在智能電網(wǎng)通信中的通信體系、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、互操作性、可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)安全方面的挑戰(zhàn)和標(biāo)準(zhǔn)化活動。與智能電網(wǎng)其他學(xué)術(shù)型研究成果相比，本文的主要目標(biāo)是描繪智能電網(wǎng)用戶側(cè)的通信現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹面向智能量測的用戶側(cè)網(wǎng)絡(luò)通信所面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)介紹了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)前景。
1 智能電網(wǎng)用戶側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)體系
智能電網(wǎng)用戶側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)的一般組成包括智能電表、家庭局域網(wǎng)( HAN)、鄰域網(wǎng)(NAN)、廣域網(wǎng)(WAN)和用戶網(wǎng)關(guān)等，智能電網(wǎng)用戶側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，用戶側(cè)網(wǎng)絡(luò)的通信需求如表1所示。
智能電表是用戶側(cè)通信網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元．是智能電網(wǎng)的智能終端，。一般需要為每一個(gè)用電、氣、水和熱的設(shè)備配備一系列智能電表，并通過家庭局域網(wǎng)連接到用戶側(cè)計(jì)量網(wǎng)關(guān)。計(jì)量網(wǎng)關(guān)收集或測量家庭局域網(wǎng)單元的用電信息．并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收者。為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用，智能電表在傳統(tǒng)電表的計(jì)量功能的基礎(chǔ)上，還具備多模式傳輸數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)通信功能、用戶終端控制功能與雙向多費(fèi)率計(jì)量功能．
家庭局域網(wǎng)(HAN)是由家庭電器設(shè)備組成的信息通信網(wǎng)絡(luò)，用于支持智能量測、用戶側(cè)能源管理等分布式應(yīng)用。HAN主要負(fù)責(zé)與計(jì)量網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，多個(gè)HAN通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)進(jìn)一步連接到鄰域網(wǎng)。
鄰域網(wǎng)( NAN)的功能主要是匯聚來自多個(gè)家庭局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)集中器，即一個(gè)NAN與多個(gè)HAN相連接。如圖1所示，NAN負(fù)責(zé)完成家域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的通信，即NAN采集家域網(wǎng)中的用戶用能信息．并通過廣域網(wǎng)將信息傳送給電力公司。同時(shí)，NAN從電力控制中心接收動態(tài)電價(jià)信息．并轉(zhuǎn)發(fā)給家域網(wǎng)。
廣域網(wǎng)(WAN)是負(fù)責(zé)將計(jì)量數(shù)據(jù)傳送到控制中心的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：用戶側(cè)網(wǎng)關(guān)主要用于收集或測量家庭局域網(wǎng)單元的用電信息，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收者。在圖1中智能電表的數(shù)據(jù)通過WAN分別接人電力公司和配電控制系統(tǒng)(DCS)，電力公司主要負(fù)責(zé)計(jì)費(fèi)服務(wù)、服務(wù)管理等：DCS負(fù)責(zé)需求側(cè)響應(yīng)、整合可再生能源等。
智能電表為家庭網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)新維度，使得家庭網(wǎng)絡(luò)的資源配置和管理更加復(fù)雜。目前家庭網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究主要集巾在向用戶提供高服務(wù)質(zhì)量、零配置及支持無縫連接的多媒體應(yīng)用上。隨著智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，必須考慮新的功能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則。例如，如何將智能電表或M2M網(wǎng)關(guān)功能以低成本、高效率的方式整合到家庭網(wǎng)關(guān)。
2面臨的挑戰(zhàn)性問題分析
2.1 互操作性
智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵特征是發(fā)電、配電網(wǎng)與消費(fèi)者之間的互聯(lián)性，這些實(shí)體都應(yīng)獨(dú)立于物理介質(zhì)．也需要獨(dú)立于制造商和設(shè)備類型的通信方式。智能電網(wǎng)的構(gòu)建是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為滿足系統(tǒng)的不同需求，應(yīng)采用多種不同的通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。為此，支持智能電網(wǎng)的智能量測沒備、系統(tǒng)和通信架構(gòu)之間的互操作性必不可少。
能否對智能電網(wǎng)解決方案進(jìn)行成功的商業(yè)部署．依賴于開放的標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)制，而采用開放的應(yīng)用接口( APIs)是實(shí)現(xiàn)不同利益相關(guān)方利益共享的重要抓手。一方面，從增強(qiáng)系統(tǒng)功能而言，開放的APIs將為第三方和設(shè)備制造商提供更多的聯(lián)合開發(fā)機(jī)會．通過增加軟件組件的方式，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)功能：另一方面，以能源管理系統(tǒng)為例，能源管理系統(tǒng)需要從不同服務(wù)供應(yīng)商或不同供應(yīng)商部署的設(shè)備中提取有用信息，經(jīng)過應(yīng)用程序加工以多種形式呈現(xiàn)給感興趣的一方。在這種情況下．APIs顯得尤為重要。此外在智能電網(wǎng)中動態(tài)場景的測量和控制方面，由于定時(shí)及其特定配置的技術(shù)性需求較高，接口應(yīng)能夠支持不同的技術(shù)和一定程度的跨界協(xié)作，此時(shí)可以通過APIs定義覆蓋方法和測量及配置的相關(guān)屬性來解決。
2.2可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)解決方案
在智能電網(wǎng)的背景下，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模非常龐大．網(wǎng)絡(luò)承載的計(jì)量流和控制流的特性還不明確，且用電設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流不同于傳統(tǒng)的上傳、下載等應(yīng)用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，而是由電網(wǎng)不同部分產(chǎn)生的實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)混合形式的分布式數(shù)據(jù)流。例如．假設(shè)10萬臺智能電表每10 min產(chǎn)生1次數(shù)據(jù)流，那么如何設(shè)計(jì)或提供一個(gè)可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，使得這些數(shù)據(jù)可以及時(shí)傳遞到中央程序控制將是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為滿足智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)流的需求，應(yīng)重新審視部分傳統(tǒng)研究課題，如資源配置、路由問題、QoS問題等。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的研究應(yīng)擴(kuò)展到智能電網(wǎng)和智能量測領(lǐng)域。智能電網(wǎng)和智能量測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，特別是與物聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器到機(jī)器(M2M)通信相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。
通信協(xié)議和智能量測信息交互協(xié)議之間的互聯(lián)互通是一個(gè)重要研究課題。以電力集中抄表系統(tǒng)為例，為了解決各開發(fā)商設(shè)計(jì)的多種集巾抄表系統(tǒng)之問由于通信信道類型繁多、電能表型號不同導(dǎo)致的通信協(xié)議不兼容等問題，配電線報(bào)文規(guī)范(distribution line message specification, DLMS)用戶協(xié)會提出了DLMS/COSEM協(xié)議。該通信協(xié)議已被IEC、TC13采納為罔際標(biāo)準(zhǔn)，中國在這方面的研究處于起步階段。
2.3 網(wǎng)絡(luò)安全問題
隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、新電力體制改革的推進(jìn)，智能電網(wǎng)將與互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等深度融合，促使網(wǎng)絡(luò)空間安全范疇大幅拓展。同時(shí)智能電網(wǎng)在網(wǎng)際空間立體防御、安全交互、網(wǎng)絡(luò)攻防、監(jiān)控預(yù)警等方面也將受到極大挑戰(zhàn)。且由于各種新型業(yè)務(wù)模式不斷涌現(xiàn)，尤其是基于互聯(lián)網(wǎng)而向用戶側(cè)提供的更加開放、智能的服務(wù)，也引入了各種新的安全風(fēng)險(xiǎn)。
智能電網(wǎng)面臨的網(wǎng)絡(luò)威脅有可能破壞國家安全、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定甚至物理安全。尤其是封閉控制系統(tǒng)向開放網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的改變將會引入一系列新的安全漏洞�？紤]到未來不同網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)和系統(tǒng)開放性．其安全威脅將更加顯著。攻擊者一旦發(fā)現(xiàn)切入點(diǎn)，很容易對智能電網(wǎng)進(jìn)行持久性攻擊。例如，攻擊者介入實(shí)時(shí)定價(jià)通道后，惡意篡改電表數(shù)據(jù)或控制電器，兇此嚴(yán)格的軟硬件安全性是確保不同通信雙方進(jìn)行有效通信的必要前提�；蚴枪粽呓庸芰藢�(shí)時(shí)定價(jià)通道的源端，那么他將可能向終端智能電表發(fā)出中斷需求響應(yīng)的指令。中斷指令可以指揮所有電表，同時(shí)更改加密密鑰，且只有攻擊者知道新的密鑰值。最終將可能導(dǎo)致成千上萬家庭停電，直到重新更換或獲得授權(quán)密鑰。電力用戶的安全以及電力企業(yè)將受到嚴(yán)重的損害。智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全首先應(yīng)預(yù)防該類攻擊的發(fā)生．其次應(yīng)在受到攻擊后執(zhí)行恰當(dāng)?shù)幕謴?fù)機(jī)制。
3智能電網(wǎng)用戶側(cè)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)踐
由于智能電網(wǎng)量測系統(tǒng)存在高度分布性和廣泛的利益相關(guān)性，智能電表的功能及其采用的通信技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范將根據(jù)地理、經(jīng)濟(jì)、政治和社會等因素不同．而有所差異，而各組件的標(biāo)準(zhǔn)化是確保成功整合和系統(tǒng)部署成效的關(guān)鍵。2009年7月歐盟委員會建立智能電網(wǎng)任務(wù)工作組，旨在發(fā)展一個(gè)共同的歐盟智能電網(wǎng)愿景，并確定需要解決的關(guān)鍵問題。該工作組的督導(dǎo)委員會包括監(jiān)管機(jī)構(gòu)、輸電系統(tǒng)運(yùn)營商( TSOs)、配電系統(tǒng)運(yùn)營商(DSO)、配電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商(DNOs)以及消費(fèi)者和技術(shù)供應(yīng)商，共同促進(jìn)智能電網(wǎng)和智能電表的發(fā)展，以支持歐盟2020目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CEN/CENELEC和ETSI）和相關(guān)技術(shù)委員會(TCS)同意或提出了涵蓋支持智能量測的通信系統(tǒng)HAN和WAN的諸多標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 62056 COSEM。
國際上在智能電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其解決方案方面推出了一些全球性的智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，例如．美同IEEE P2030標(biāo)準(zhǔn)、ANSI標(biāo)準(zhǔn)、美國NIST標(biāo)準(zhǔn)等。其中，IEEE P2030項(xiàng)目解決了智能電網(wǎng)互操作性，由電力系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和通信系統(tǒng)3個(gè)專題組分別關(guān)注于互操作性的不同方面。IEEE P2030旨在制定支持能源技術(shù)和信息通信技術(shù)(ICT)-體化的指導(dǎo)方針，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)組件的無縫運(yùn)行．提高電力系統(tǒng)的可靠性和靈活性。
在中國．智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化是由國家電網(wǎng)公司(SGCC)主導(dǎo)的。近來，SGCC公司與通用電氣( GE)和中國科學(xué)院簽署了旨在共同推進(jìn)智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的戰(zhàn)略合作協(xié)議。其標(biāo)準(zhǔn)化活動將在電動汽車充電、儲能、分布式能源以及微電網(wǎng)等領(lǐng)域開展。在印度，IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(IEEE-SA)已經(jīng)推出了2個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 1701和IEEE1702，旨在創(chuàng)造多元化的多源即插即用通信環(huán)境。在日本，標(biāo)準(zhǔn)化活動主要集中在“智慧社區(qū)”領(lǐng)域，涉及智能電網(wǎng)、電動汽車、儲能和智能交通系統(tǒng)等。
4結(jié)語
未來智能電網(wǎng)的成功與否將在一定程度卜取決于通信基礎(chǔ)設(shè)施、能源使用服務(wù)、以及軟件。本文概述了智能電網(wǎng)通信領(lǐng)域所面臨的獨(dú)特挑戰(zhàn)與機(jī)遇。此外，本文還介紹了智能電網(wǎng)通信方面的國際標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，這對于指導(dǎo)建立中國智能電網(wǎng)通信架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)具有重要借鑒意義。
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