基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构

任征东, 栾文鹏, 王鹏，郭屾

(中国电力科学研究院, 北京市100192)

基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构

任征东, 栾文鹏, 王鹏，郭屾

(中国电力科学研究院, 北京市100192)

该文阐述了配电自动化系统的实施现状，分析了其通信网络架构存在的问题，遵循共用通讯网络的理念，提出了基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构，阐述了IPv6的运用可呈现出的不可比拟的优越性。所提出的基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构可以同时支持未来配电网电源侧和用户侧所需业务的接入。强调了新的通信网络架构对智能电网发展的重要性。

IPv6；配电自动化；通信网络架构；配电终端

0 引 言

配电自动化系统是用来实现配电网运行监管和控制的系统，具备配电数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition, SCADA)、馈线自动化、电网分析应用及与相关应用系统互连等功能，由配电自动化主站、配电终端、配电子站(可选)和通信通道等部分构成。配电主站实现数据采集、处理及存储、人机联系和各种应用功能；配电子站实现区域监控功能；配电终端采集末端的实时数据与故障信息并上传给配电主站，从而接收主站命令，对配电设备进行控制与调节；通信通道用于实现信息传输[1]。配电自动化系统能够及时了解配电网的运行状况，提高设备利用率，提高配电网运行性能和应急能力[2]是实现配电网有效运行的重要模块，是智能电网的重要组成部分。

法国电力集团(Electricite De France, EDF)早已实现了配电自动化全覆盖，主要采用馈线自动化模式，通过远程故障信息采集与就地检测相结合的方式实现故障的准确定位[3]。德国在配电自动化方面非常重视优质服务，建立了统一标准的可靠性管理分析数据库，对中低压网络的各种数据随时录入分析计算[4]。日本东京电力公司基本实现了中压馈线自动化，供电可靠性位于世界最高水平之列，如2008年，东京电网用户平均停电时间仅为3 min，系统平均停电频率为0.12次[5]。国家电网公司在2009年紧密围绕建设坚强智能电网的战略目标，全面贯彻“统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进”的工作方针，深入开展配电自动化技术方案研究和实施工作。截至2016年底，已有60余个单位的配电自动化系统投入运行，整体情况良好，显著提高了供电服务质量和可靠性，有效提高配电网的现代化管理水平。美国电力科学研究院(Electric Power Research Institute, EPRI)在“智能电网体系”(Intelligent Grid Architecture)研究报告中提出了未来配电自动化系统的技术要求。该系统包括配电网自愈控制、经济运行、电压无功优化在内的各种高级应用功能，能够满足有源配电网运行监控与管理的需要，充分发挥分布式电源的作用，优化配电网的运行; 并可以提供丰富的配电网实时仿真分析和运行控制与管理辅助决策工具[6]。国家电网公司也在近几年的重点工作任务中明确提出，要加快配电网的建设改造，做好智能现代城市配电网建设，显著提高配电自动化水平。

以往的配电自动化系统大多为无主站系统，通过配电线路的联络开关和分段开关等设备实现重合器或具备自动重合闸功能的开关设备间的逻辑配合(如时序等)，就地实现配电网的故障隔离和恢复供电，对配电通信没有明确的要求。随着配电网规模的不断扩大以及配电终端的智能化和光纤等快速通道的应运而生，无主站系统没有通信网络架构，不能保证智能配电网安全、稳定、高效地运行。现时配电自动化系统的通信网络架构主要由配电网通信综合接入平台、骨干层通信网络、接入层通信网络以及配电网通信综合网管系统等组成。由于配电终端数量较大、通信节点分散、不同类型配电设备的数据实时性要求不同，配电通信系统中多种通信方式综合运用。

本文在分析已部署的配电自动化系统实施现状的基础上，深入分析当前配电自动化系统通信网络存在的问题，并基于此分析IPv6应用于配电自动化系统的技术优势，本着共享通讯网络的理念，提出基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构。新的通信网络架构以配电自动化业务系统为主体，可以同时承载未来配电网电源侧和配电侧的大量业务。

1 配电自动化系统通信网络现状

配电自动化系统根据配电终端接入规模或通信通道的组织框架，一般采用2层(主站-终端)或3层(主站-子站-终端)结构。配电自动化系统的基本构成如图1所示。

1.1 通信网络现状

在配电自动化系统中，通信网络的质量直接影响着系统的正常运行。已投运的配电自动化系统通信网络主要包括骨干层通信网和接入层通信网。骨干层通信网分为核心层和汇聚层，采用同步数字体系(synchronous digital hierarchy, SDH)技术或者基于SDH的多业务传送平台(multi-service transfer platform, MSTP)技术；接入层通信网络的应用技术根据系统的实施情况采用无源光网络(passive optical network, PON)、工业以太网(ethernet passive optical network, EPON)、无线通讯技术和电力线载波通信技术。由于配电网中设备数量众多、地域分布广、节点分散、运行环境恶劣、分布不均衡，配电接入网通常采用光纤、电力线载波、无线公网和无线专网多种通信方式统一接入。典型的配电自动化系统通信网络架构图如图2所示。对于每种通讯方式均配备以太网和标准串行通信接口。

图1 配电自动化系统构成Fig.1 Sstructure of distribution automation system

图2 配电自动化系统通信网络架构Fig.2 Communication network architecture in distribution automation system

终端接入网的地理环境复杂，根据不同的环境要求和配电自动化系统的功能要求采用与其相应的通信技术，例如：具备遥控功能的配电自动化区域优先采用无线专网通信方式；需要通信能力支持以实现故障自动隔离的馈线自动化区域采用光纤专网通信方式。

1.2 通信网络存在的问题

目前，国家电网公司的配电自动化系统通信网络架构中只有部分采用了IPv4网络通信传输协议。从系统运行情况来看，没有IP化的局域通信网络不具有开放、标准、通用等特性，从而制约了未来配电网中分布式电源/储能装置/微电网及高级配电运行、高级配电管理等新业务的接入，无法实现与智能用电系统互动。

未来的配电网是一个高度融合、安全和开放的网络，在电源侧和用户侧承载很多的新兴业务。采用IPv4网络传输协议的通信网络虽然具备标准、兼容等技术特性，但是地址空间有限，不足以支撑未来配电自动化系统所需接入的大量新设备，严重制约了配电自动化通信网络的扩展，无法保证未来承载的新业务快速、安全、可靠地运行，很难根据各业务的需求进行安全策略配置和通讯管理。

IPv6的网络通讯技术具备与生俱来的安全、开放、可靠和服务质量(QoS)等特性，具有满足以上需求的潜能[7]。目前国外很多电力公司已经将IPv6技术应用于高级量测体系(advanced metering infrastructure，AMI)中[8]，取得了明显的效果。同样的思路，IPv6的网络通讯技术也可以用于配电自动化系统中。基于此技术，配电自动化系统智能化应用能够实现量测信息、故障报警信息和装置干扰报警信息与配电终端采集信息的相互利用，进一步提高配电网的精益化管理水平，实现智能配电网信息化、数字化和自动化的发展目标。IPv6在配电自动化系统中的新运用将有力地推动国家电网公司配电自动化系统的进一步发展和先进配电自动化系统的实施。

2 基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构

2.1 架构介绍

遵循公用通讯网络的理念和行业发展趋势，本文提出的基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构如图3所示，由配电自动化主站系统、配电自动化通信网络、具有路由功能的配电终端以及可支持的配电网电源侧和用户侧的其他业务构成，是以配电自动化系统为主体的公用通信网络，许多电源侧和用户侧的业务可以通过同一系统实现。该架构中配电自动化主站和终端的新功能将在下文中体现。

基于IPv6的配电自动化系统通信网络中，骨干层通信网络仍可采用IPv4网络协议以适应目前骨干网的现状，接入层通信网络采用IPv6网络协议代替以前的IPv4网络协议来支撑众多新设备的接入。

IPv6网络协议的地址空间足够大，使得本系统的通信网络不受IP地址空间的局限，根据业务需求任意扩展网络，从而支持多种服务和业务融合[9-10]；根据配电网中不同业务部门和管理部门的需求，为同一智能设备分配多个IP地址，每个IP地址处于不同业务部门所管理的地址范围。在此情况下，根据业务需求可以方便地设置IP网络路由策略，把同一设备的不同数据分发到不同业务部门和管理部门的数据中心和服务器上，提高了配电自动化通信网络的管理能力[11]。

图3 基于 IPv6的配电自动化系统通信网络架构Fig.3 Communication network architecture for distribution automation system based on IPv6

采用IPv6技术建立配电自动化通信网络架构可以实现设备的互操作，同时支持配电网末端多样化应用接入以及高度集成以支持未来配电网在电源侧和用户侧所需承载的分布式电源、需求响应、电动汽车并网、智能家居等新业务。具有独立IP地址的配电设备能够实时与网络管理系统相连，有利于实现各种业务端对端的管理和操作。

然而已有的配电设备不支持IPv6网络协议，需要对网络和通信接口进行升级和改造，在此过程中需要巨大的人力、财力和物力。在基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构中，某些无法进行网络升级改造的配电设备的通信网络集成具有一定的挑战性。在基于IPv6的通信网络架构中多种通信策略的融合方式也需要进一步探究。基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构中的配电终端局域网遵循开放式系统互联(open system interconnection，OSI)协议，能兼容不同的物理层通信介质，如电力线载波、无线网络以及光纤等[12]。

2.2 基于IPv6的配电自动化主站系统

配电自动化系统主站包括计算机软件、操作系统、支撑平台软件和配电网应用软件，其功能结构由应用层、平台层、操作系统层和硬件层组成。基于IPv6的配电自动化主站在满足现有功能的基础上，在应用层中部署配电网络管理系统(distribution network management system, DNMS)和配电安全管理系统(distribution safety management system, DSMS)，使得基于IPv6的配电自动化通信网络具有一个安全、开放和标准的运行环境。

DNMS用于监控系统中每个具有IP端点的智能设备(包括具有路由功能的配电终端、电动汽车充电桩、智能电表、分布式电源等)的运行状态，同时为整个通信网络提供网络故障诊断、故障处理、网络配置、账户管理、性能监视、流量管理等服务，以实现配电自动化系统通信网络的寻址、路由、多路组播、QoS等功能的综合配置和管理。DSMS负责提供设备入网安全认证、用户授权、数字证书管理、密钥管理和信息加密等安全服务。

DNMS中对每个IP网元进行有效的管理，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。配置管理功能负责监控网络及网元设备的配置信息，建立、修改或删除通道，当网络出现故障时，进行通道和设备的重新配置和路由恢复，有利于实现和管理配电终端间以及现场设备间的端对端通信。

2.3 具有路由功能的配电终端

传统的配电终端采集和处理反映配电设备运行工况的实时数据与故障信息并上传给配电自动化主站，接收主站命令，对配电设备进行控制与调节。具有路由功能的配电终端使得其在保留原有终端功能的基础上扩展成为其他智能设备的通讯路由网关，能够在配电网电源侧和用户侧承载更多的业务，同时具有强大的路由功能。

具有路由功能的配电终端不仅具有对本地配电数据采集和存储的功能(传统的配电自动化终端功能)，是配电自动化接入层通信网络的接入点，还是配电网电源侧和用户侧传感器组成的局域网的网关，可实现系统末端与其他业务(分布式能源发电、电动汽车、需求响应和高级量测等)的通信。同时支持标准IP的路由及报文转发、配电主站的远程网络管理，实现IPv6局域网的建立和管理。

具有路由功能的配电终端作为配电自动化系统在电源侧和用户侧所承载业务的链接点，具有划分本地多个子网和流量控制的能力，根据各业务部门和管理部门的需要把不同的业务数据路由到不同的数据中心，从而进行优质的服务质量控制。

2.4 基于IPv6的配电自动化系统通信网络拟承载的新业务

基于IPv6的配电自动化通信网络拟在电源侧承载高级配电运行、高级资产管理、设备运行状态监测、智能传感器接入等业务；在用户侧承载大量的智能电表及日益增多的分布式能源接入、电动汽车并网、需求响应等。

新的通信网络架构可赋予每一个智能设备1个或多个独立的IPv6地址，能够承载新业务并将所有的智能设备纳入主站网络管理系统进行一体化管理，使得各系统可共享公共通信基础设施[13]。

3 基于IPv6的配电自动化系统通信网络技术特性

3.1 可管理性

在IP网络中，每一个具有IP端点的智能设备均支持标准的网络管理协议，能够作为一个IP网元被通用的网络管理系统管理。因此基于IPv6的配电自动化系统可以充分利用开放的、标准的 IP 架构下的网络管理系统中的故障管理、配置管理、性能管理和安全管理等4项基本功能。可远程实时监测系统内所有IP端点，实现拓扑结构可视化、集中化的网络配置管理、电力设备的状态实时监控和故障事件收集记录、故障点定位和排查、智能设备的身份验证和登录准入等功能。

基于IPv6的配电自动化系统通信网络可以实现全部配电智能设备，在统一的网络视图下纳入配电主站系统的自动化管理，实时监测其工作状态，可有效增强通信网络的管理能力，有效降低系统运行和维护的复杂程度。

3.2 服务质量

公用网络对数据传输时延、带宽有不同的需求，电力公司中不同的业务部门和管理部门对通讯的时延、带宽、通讯可靠性、数据包的转发效率有不同的需求。IPv6的报头结构可以定义256个级别的优先级，可以根据业务需求给每个设备和业务设定合适的优先级，从而优化系统的总体性能。比如，传统的配电自动化业务要求数据和报文实时传输，其在本系统中具有最高优先级。这样在一个共享的网络里，有利于配电自动化系统中的实时数据快速、准确地传送，能够非常准确地掌握配电网的运行状态。一些其他业务，如温度传感、电表数据读取等，对通讯的时延需求不太明显，可以配置较低的优先级。网络服务质量的优化配置能够进一步提高配电自动化系统的整体效率，从而实现配电网的高效运维和管理。

3.3 安全性

全IP网络可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，同时给加密与鉴别选项提供了分组的保密性与完整性。IPv6的网络层可实现数据拒绝服务攻击，抗击重发攻击，防止数据被动或主动偷听，防止数据会话窃取攻击等功能。

在配电自动化系统通信网络中采用IPv6网络协议承继了IP技术独有的安全特性，极大地增强了系统的安全性能，任意2个配电设备间端对端的通信安全性得以有效保障。

3.4 适用性

国家电网公司与配电网相关的系统由各业务部门根据自己的需求设计、建设、管理和运维，造成了配电网中多个业务系统并立、重复建设但又难以融合的局面，特别是诸多业务都从同一设备采集信息的时候难免会造成信息误传、漏传。本文提出的基于IPv6的配电自动化系统通讯网络为此提供了一个完美的解决方案。基于多项业务共享同一通讯网络的理念，为电力公司提供了一个易于实施和经济可行的方案。由于IPv6网络具有海量的地址空间，可以给配网中的每个智能设备提供1个或者多个IP地址，每个IP地址处于不同业务部门管理的网段上，配电网络管理系统可以方便地配置路由策略，把各网段的数据信息根据不同业务需求发送到不同地址的服务器上，使得配电自动化系统可以同时支撑和兼顾不同的业务需求，在无须对当前业务部门的管理方式进行大调整的情况下，实现智能设备业务共享。例如，当调度、运检、营销3个部门都对智能终端的某些数据感兴趣时，可以给此智能终端分配3个独立的IP地址，一个IP地址处于调度的管理网段，一个IP地址处于营销部的管理网段,另一个IP地址处于运检部的管理网段，3个部门各自管理的数据服务器根据各自的业务需求随时从配电终端获取任意准实时或非实时数据，实现同一智能传感器为多个部门共同利用。以上这些配置都由配电网络管理系统统一管理。因此，IPv6网络适用于目前国家电网公司配电网的管理模式，可以进一步提高配电网的精益化管理。

4 结 论

基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构能够实现配电自动化系统与其他系统之间的数据共享，业务互通、设备互操作等功能，增强配电自动化通信网络架构的可靠性和安全性。

基于IPv6的配电自动化系统通信网络架构能将所有业务系统中的智能设备纳入主站网络管理系统进行一体化管理，根据业务需求把数据传给业务部门和管理部门的主站系统，使得各系统共享全IP化通信带来的各种优越技术特性，有利于实现各种业务端到端的管理和操作，从更高层次支持配电自动化设备间的互操作，给更多新业务的扩展提供更大的空间，使配电自动化系统成为一个能够承载新的业务和应用并与其他相关系统高度融合的系统，真正实现“一个网络，多种应用”。

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(编辑 张小飞)

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

中国电力科学研究院创新基金项目(PD83-17-004)

TM76; TM77

A

1000-7229(2017)05-0111-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2017.05.015

2017-02-25

任征东(1988)，女，硕士，工程师，本文通信作者，主要研究方向为配电自动化系统，IPv6网络技术;

栾文鹏(1964)，男，博士生导师，中央“千人计划”国家级特聘专家，主要研究方向为配电网分析，高级量测体系，配电自动化系统等；

王鹏(1982)，男，高级工程师，主要研究方向为配电网传感技术，高级量测体系等；

郭屾(1984)，男，博士，主要研究方向为配电网传感技术分析，高级量测体系等。