智能电网用户侧通信网络及技术挑战分析

 周静，胡紫巍，孙媛媛，马桤

  （1．国网智能电网研究院，北京  102211；

2．华北电力大学电气与电子工程学院，北京  102206）

摘要：为了实现智能电网的功能，必须建设高速、双向、实时、集成的通信系统，使智能电网成为一个动态、交时信息及电力交换互动的大型基础设施。在智能电网发展环境下，重点论述了智能量测在通信技术、网络安全及标准化方而的机遇与挑战，讨论了如何实现互操作性、建立可扩展的网络解决方案以及现有网络技术如何应用于智能量测等关键问题．最后，论述了国际上智能电网通信标准化工作的现状．对建立中国智能电网通信网络架构和解决方案具有一定的参考价值。

关键词：钾能电网：智能量测；通信；互操作：安全性：标准

0引言

 为了实现智能电网的功能，必须建立可靠、双向、实时、集成的通信体系。在该技术领域中需要关注的2个方面为：(1)开放式通信架构，实现“即插即用”的通信环境，电网元件相互之间实现网络化通信；(2)统一的技术标准，保证传感器、智能电子设备(IEDs)及应用系统之间实现无缝通信，即在这些设备和系统之间的信息能够得到完全理解，实现设备和系统相互之间的互操作功能。这便要求电力公司、设备制造企业及标准制定机构相互协调合作，以实现通信系统的互联互通。

 为使智能电网通信网络充分强大、安全和实用，还存在一系列的挑战和问题必须加以解决。本文介绍了在智能电网通信中的通信体系、网络架构、互操作性、可扩展性、网络安全方面的挑战和标准化活动。与智能电网其他学术型研究成果相比，本文的主要目标是描绘智能电网用户侧的通信现状，重点介绍面向智能量测的用户侧网络通信所面临的挑战，同时介绍了相关标准以及行业前景。

1  智能电网用户侧通信网络体系

智能电网用户侧通信网络的一般组成包括智能电表、家庭局域网( HAN)、邻域网(NAN)、广域网(WAN)和用户网关等，智能电网用户侧通信网络的基本结构如图1所示，用户侧网络的通信需求如表1所示。

 智能电表是用户侧通信网络的基本组成单元．是智能电网的智能终端，。一般需要为每一个用电、气、水和热的设备配备一系列智能电表，并通过家庭局域网连接到用户侧计量网关。计量网关收集或测量家庭局域网单元的用电信息．并将这些数据发送给相应的数据接收者。为了适应智能电网和新能源的使用，智能电表在传统电表的计量功能的基础上，还具备多模式传输数据的双向数据通信功能、用户终端控制功能与双向多费率计量功能．

 家庭局域网(HAN)是由家庭电器设备组成的信息通信网络，用于支持智能量测、用户侧能源管理等分布式应用。HAN主要负责与计量网关进行通信，多个HAN通过无线网状网进一步连接到邻域网。

 邻域网( NAN)的功能主要是汇聚来自多个家庭局域网的数据，并将这些数据传送到相应的数据集中器，即一个NAN与多个HAN相连接。如图1所示，NAN负责完成家域网和广域网之间的通信，即NAN采集家域网中的用户用能信息．并通过广域网将信息传送给电力公司。同时，NAN从电力控制中心接收动态电价信息．并转发给家域网。

 广域网(WAN)是负责将计量数据传送到控制中心的数据传输网络：用户侧网关主要用于收集或测量家庭局域网单元的用电信息，并将这些数据发送给相应的数据接收者。在图1中智能电表的数据通过WAN分别接人电力公司和配电控制系统(DCS)，电力公司主要负责计费服务、服务管理等：DCS负责需求侧响应、整合可再生能源等。

 智能电表为家庭网络增加了一个新维度，使得家庭网络的资源配置和管理更加复杂。目前家庭网络领域的研究主要集巾在向用户提供高服务质量、零配置及支持无缝连接的多媒体应用上。随着智能电网的进一步发展，必须考虑新的功能和系统设计原则。例如，如何将智能电表或M2M网关功能以低成本、高效率的方式整合到家庭网关。

2面临的挑战性问题分析

2.1  互操作性

 智能电网的一个关键特征是发电、配电网与消费者之间的互联性，这些实体都应独立于物理介质．也需要独立于制造商和设备类型的通信方式。智能电网的构建是一项极其复杂的系统工程，为满足系统的不同需求，应采用多种不同的通信技术和标准。为此，支持智能电网的智能量测没备、系统和通信架构之间的互操作性必不可少。

 能否对智能电网解决方案进行成功的商业部署．依赖于开放的标准和机制，而采用开放的应用接口( APIs)是实现不同利益相关方利益共享的重要抓手。一方面，从增强系统功能而言，开放的APIs将为第三方和设备制造商提供更多的联合开发机会．通过增加软件组件的方式，进一步增强系统功能：另一方面，以能源管理系统为例，能源管理系统需要从不同服务供应商或不同供应商部署的设备中提取有用信息，经过应用程序加工以多种形式呈现给感兴趣的一方。在这种情况下．APIs显得尤为重要。此外在智能电网中动态场景的测量和控制方面，由于定时及其特定配置的技术性需求较高，接口应能够支持不同的技术和一定程度的跨界协作，此时可以通过APIs定义覆盖方法和测量及配置的相关属性来解决。

2.2可扩展的网络解决方案

 在智能电网的背景下，由于网络规模非常庞大．网络承载的计量流和控制流的特性还不明确，且用电设备所产生的数据流不同于传统的上传、下载等应用产生的数据流，而是由电网不同部分产生的实时与非实时混合形式的分布式数据流。例如．假设10万台智能电表每10 min产生1次数据流，那么如何设计或提供一个可扩展的网络，使得这些数据可以及时传递到中央程序控制将是一项具有挑战性的任务。为满足智能电网数据流的需求，应重新审视部分传统研究课题，如资源配置、路由问题、QoS问题等。此外，无线传感器网络(WSN)的研究应扩展到智能电网和智能量测领域。智能电网和智能量测是无线传感器网络的重要应用领域，特别是与物联网和机器到机器(M2M)通信相关的应用领域。

 通信协议和智能量测信息交互协议之间的互联互通是一个重要研究课题。以电力集中抄表系统为例，为了解决各开发商设计的多种集巾抄表系统之问由于通信信道类型繁多、电能表型号不同导致的通信协议不兼容等问题，配电线报文规范(distribution line message specification, DLMS)用户协会提出了DLMS/COSEM协议。该通信协议已被IEC、TC13采纳为罔际标准，中国在这方面的研究处于起步阶段。

2.3  网络安全问题

 随着全球能源互联网、“互联网+”、新电力体制改革的推进，智能电网将与互联网、移动互联网、物联网等深度融合，促使网络空间安全范畴大幅拓展。同时智能电网在网际空间立体防御、安全交互、网络攻防、监控预警等方面也将受到极大挑战。且由于各种新型业务模式不断涌现，尤其是基于互联网而向用户侧提供的更加开放、智能的服务，也引入了各种新的安全风险。

 智能电网面临的网络威胁有可能破坏国家安全、经济稳定甚至物理安全。尤其是封闭控制系统向开放网络系统的改变将会引入一系列新的安全漏洞。考虑到未来不同网络之间的互联和系统开放性．其安全威胁将更加显著。攻击者一旦发现切入点，很容易对智能电网进行持久性攻击。例如，攻击者介入实时定价通道后，恶意篡改电表数据或控制电器，凶此严格的软硬件安全性是确保不同通信双方进行有效通信的必要前提。或是攻击者接管了实时定价通道的源端，那么他将可能向终端智能电表发出中断需求响应的指令。中断指令可以指挥所有电表，同时更改加密密钥，且只有攻击者知道新的密钥值。最终将可能导致成千上万家庭停电，直到重新更换或获得授权密钥。电力用户的安全以及电力企业将受到严重的损害。智能电网的网络安全首先应预防该类攻击的发生．其次应在受到攻击后执行恰当的恢复机制。

3智能电网用户侧网络通信标准化实践

 由于智能电网量测系统存在高度分布性和广泛的利益相关性，智能电表的功能及其采用的通信技术、标准规范将根据地理、经济、政治和社会等因素不同．而有所差异，而各组件的标准化是确保成功整合和系统部署成效的关键。2009年7月欧盟委员会建立智能电网任务工作组，旨在发展一个共同的欧盟智能电网愿景，并确定需要解决的关键问题。该工作组的督导委员会包括监管机构、输电系统运营商( TSOs)、配电系统运营商(DSO)、配电网络运营商(DNOs)以及消费者和技术供应商，共同促进智能电网和智能电表的发展，以支持欧盟2020目标的实现。欧洲标准化委员会(CEN/CENELEC和ETSI）和相关技术委员会(TCS)同意或提出了涵盖支持智能量测的通信系统HAN和WAN的诸多标准，例如IEC 62056 COSEM。

 国际上在智能电网通信网络架构及其解决方案方面推出了一些全球性的智能电网标准，例如．美同IEEE P2030标准、ANSI标准、美国NIST标准等。其中，IEEE P2030项目解决了智能电网互操作性，由电力系统、信息系统和通信系统3个专题组分别关注于互操作性的不同方面。IEEE P2030旨在制定支持能源技术和信息通信技术(ICT)-体化的指导方针，实现电网组件的无缝运行．提高电力系统的可靠性和灵活性。

 在中国．智能电网标准化是由国家电网公司(SGCC)主导的。近来，SGCC公司与通用电气( GE)和中国科学院签署了旨在共同推进智能电网标准化的战略合作协议。其标准化活动将在电动汽车充电、储能、分布式能源以及微电网等领域开展。在印度，IEEE标准协会(IEEE-SA)已经推出了2个新标准：IEEE 1701和IEEE1702，旨在创造多元化的多源即插即用通信环境。在日本，标准化活动主要集中在“智慧社区”领域，涉及智能电网、电动汽车、储能和智能交通系统等。

4结语

 未来智能电网的成功与否将在一定程度卜取决于通信基础设施、能源使用服务、以及软件。本文概述了智能电网通信领域所面临的独特挑战与机遇。此外，本文还介绍了智能电网通信方面的国际标准化现状，这对于指导建立中国智能电网通信架构和标准具有重要借鉴意义。