国家电网公司智能电网IPv6应用探讨

2023-01-07赵国普李爱华

数字通信世界 2022年6期

王丰，赵国普，李爱华，杨耿，袁睿

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北武汉 430040）

受世界气候变化、自然环境恶劣、传统燃料供应不足等一系列问题的影响，全球能源格局不断发生巨大而深远的变化[1]。近年来，我国多次明确提出对我国智能电网开展发展教育的理念，并赋予其维护国家能源安全、促进电能清洁有效利用、促进社会经济可持续发展等重大职责。智能电网已成为全球电网发展的新趋势。智能电网在传统供电的基础上，充分利用现代信息通信技术，对发电、输配电、用电等实时信息进行采集和分析。电力公司已经具有高度集成的信息框架有效地控制整个供电系统。为实现我国智能电网的发展战略目标，需要进一步面对一个根本性的挑战：如何在电网的各个组成部分之间自由、安全地交换信息和数据。为实现这一点，智能互联网系统应该是一个开放的分布式网络结构，由若干个互联网、可寻址和独立的实体组成。本文中系统分析了国家电网集团智能电网数据通信网络建设发展的实际情况，指出IPv6技术在智能电网中的应用需求，设计IPv6应用和智能电网技术标准体系，阐述本公司的应用经验，为下一代网络信息技术在智能电网中的应用提供参考。

1 IPv6技术

1.1 定义

IPv6数字技术是在IPv4大技术基础上进一步发展而来的下一代IP协议，也是下一代互联网协议的典型代表。与IPv4相比，IPv6地址包的内容、管理、安全特性和服务都有显著提升，这些特性的提升也为智能目标网的建立提供良好的基础设施，能够带来更好的业务能力和特性。IP地址空间从32位到128位的飞跃是IPv6数字现代信息技术的主要发展特征，IP地址空间以几何量级的增加也使得IP地址分配不再成为社会问题，IPv6技术的表示也将从十进制向十六进制转变。

随着IP地址数量的几何增长，IP地址信息的分类研究方法可能与传统的IPv4技术不同，因为IPv6地址信息的分类研究将适用于单播或组播，并且有不同类型的地址可以随意广播。因此，IPv6包头结构的开发相对简单，它消除IPv4技术中很少使用的域。此外，增加可选字段和包头扩展，由于包头宽度固定，内存的最大容量没有应用太多，导致内存不足。因此，上述问题有利于增加网络数据的最大吞吐量。

IPv6传输系统由基本报头和扩展传输组成。扩展传输功能是可变的，但它有很大的灵活性，将来可以扩展并添加新的选项，这大大提高IPv6的安全功能。同时，IPv6的网络层还具有很好的抵御网络攻击的功能，尤其是在数据响应中防止服务入侵和窃取威胁。同时，IPv6还可以利用邻居发现机制自动为主机进行接口位置。

1.2 特点

IPv6技术是现代网络工程的基础任务群，是继IPv4之后的下一代IP协议。基于IPv4技术的IPv6的六大特点主要体现在以下几个方面：

（1）地址空间最大化。IPv4的IP地址管理需要32位，所以它的公司地址是231-1。然而，随着IPv6的地址长度从32位到128位的变化和发展，其地址信息的数量已经大大扩展，有2128-1个公司地址。

（2）IPv6路由表的大小变小。IPv6地址的数量也呈几何级数增长。因为IPv6地址是根据集群原理分配的，所以路由器的路由表可以用记录表示为子网。这种变化也可以节省路由器路由表的长度，从而有效提高路由器的转发数据率。

（3）增加自动配置支持技术，主要采用DHCP的衍生技术，基本完成DHCP的改进和发展。这一变化也促进网络管理的便捷化和智能化。

（4）更高的安全性能。由于IPv6以保密的方式处理网络层的数据，因此有必要对IP消息进行校对和检查。这些技术安排将大大提高网络的安全性能。

2 国家电网公司智能电网IPv6应用分析

2.1 需求

电力系统涉及许多子系统。一般来说，每个子系统都为其内部数据交换制定特殊的规范。其中，研究数据交换规范又称为通信技术网络协议，主要是对不同的通信技术协议与不同的设备应用进行数据分析和交换。但这种协议本身并不适合相互通信，本质上极易形成信息的“孤岛”，难以跨系统进行信息集成和交换[2]。

随着智能电网的发展，将会出现大量的智能终端用户，如：电力变压器、智能电表等。充分考虑不同用户智能设备的数量和数据量，信息数据的采集、传输和管理将是一个巨大的挑战，一个高速、双向、即时、全面的信息通信系统是实现智慧供电的重要基石。

智能电网主要集中在通信技术领域的两个方面：一是开放的通信框架，为电源组件内部的互联互通建立“即插即用”的环境，再是统一的技术规范，其能够确保各种传感器、智能电子设备和应用系统之间的无缝互通。

2.2 需求

除标准体系建设、快速测试应用和标准制定外，关注该领域标准的发展和应用，对于智能电网市场积极参与竞争至关重要。以下标准的开发和应用涉及IPv6技术的描述。其推广应用将极大地推动IPv6技术在智能电网中的应用。

IECPC 118智能电网由中国电网于2011年成立并投入使用，该技术标准委员会也是IEC发展史上第一个国际标准机构，其标准范围涵盖跨领域ISO、IEC、JTC1和ITU-T标准。

目前，在中国、美国、法国、日本、韩国、印度等国专家的参与下，标准框架和标准范围的初步研究工作已基本完成。其中，标准制定的重要对象是制定用户侧智能终端接入电网的各种信息通信接口标准，需要协调用户侧现有的大量智能家居和智能建筑通信协议，包括基于IP的通信协议和非IP的通信协议。天地互联网与中国电信股份有限公司制定的国际标准IEEE 1888泛在绿色节能网络协议，采用I P v6下一代网络技术服务节能低耗创新国际标准，IEEE 1888兼容BACnet等工控设备的总线网络系统，支持太阳能光伏、风电设备的远程或分布式网络管理，支持6LoWPAN、Wi-Fi等无线传输技术，通过广域IPv4/IPv6网络实现数据传输，通过国家统一的绿色节能网络平台对所有工业用能设备实施统一管理。在实际应用中，IEEE 1888标准可以实现广域系统部署，将商业建筑、住宅建筑、工厂、数据中心、监控中心、政务信息平台等有机结合。形成一体化绿色节能体系。目前，国际标准工作正在ISO/IECJTC1中进行。

2011年，思科有限公司发布国际标准RFC6272智能电网与互联网协议，初步定义网络技术标准及其在智能电网建设中的应用，并以智能电网先进测量基础为例介绍网络设计。ISO/IECJTC1WG7传感器网络标准工作组目前正在制定标准ISO/IEC30101智能电网传感器网络接口。

系统描述智能电网中数据交换节点之间的网络接口。目前，YONALWG21正在开发标准的IEC62746接口和通信协议，用于将系统连接到智能电网，主要满足用户能源管理系统接入智能电网开展需求响应等应用的需求，描述基于X M PP的信息交换过程和内容，定义系统架构。对于I P v 6部署，关键的应用标准包括R FC 494 4 Trans missi on of IPv6 Packets over、IEEE802.15.4 Networks、RFC5121 Trans missi on of IPv6 via the IPv6 ConvergenceSubLayerover IEEE802.16Networks、RFC6180 Guide lines for Using IPv6 Transiti on Mechansms during IPv6 De ploy ment等。

2.3 问题

在实际公司运营的IPv4网络的发展过程中，人们发现IPv4具有一些先天能力缺陷，问题主要包括：IP地址容量限制、被动地址认证带来的IP地址伪装、三角测量带来的移动性和安全性差、设置复杂、路由表膨胀、缺乏端到端服务模式等。以及大量的IPv6地址，要求电网中的每个用电设备都有一个IP地址。IPv6具有的特点有：数据传输效率高，速度快，网络安全性和稳定性高；通过严格规范的网络管理，可以保证互联网的畅通；无状态手动地址分配允许新设备快速连接互联网，从而实现即插即用功能。IPv6的这些特点很好地适应现代智能电网的通信要求，在该领域具有很大的应用和发展前景。

总的来说，智能电网中需要有针对性解决地问题，主要包括：

（1）传输智能电网数据等各种媒体信息，必须安全传输到不同的网络媒体，包括铜线、光缆和无线；快速获取和分析大量数据，因此智能电网必须能够分析大量数据，并通过数据分析对供电管理给出意见，这几乎是实时的。

（2）随着信息产业的变革和发展，科技的进步，新一代硬件设备和技术应用，加速了智能电网的发展。新技术在网络内，能够连接大量设备，智能电网架构中全新的智能电子设备相互关联，能够实时传输，传输数据从百万到上亿不等，连接新智能电网设备的数量持续递增[3]。

（3）保持安全可靠，保证网络高速可用，增加数据网络的安全性，降低数据网络对电网安全的危害。

（4）连接各种类型的系统，因此智能电网公司需要能够与各种硬件实现联网和信息数据交换，包括智能技术传感器、家用电能计量仪表和家用电器中的变压器等。

（5）确保安全。因为智能电网发展带来的新技术和新服务也将成为暴力恐怖事件和网络攻击的重点目标。从传统能源网络发展智能电网，需要制定基本的安全策略和制度，以确保这一重要设施的安全。