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SIP信令控制的智能配电网通信系统设计

2021-09-12 来源:钮旅网
第31卷第21 8期 .电力 系统通信 Vo】.3 l No.218 Dec.10,2010 4. 2010年12月10目 Telecommunications for Electric Power System S I P信令控制的智能配电网通信系统设计 邹力子 (西南交通大学信息科学与技术学院,四JI『成都610031) 摘要:由于配电网规模的逐渐增大.各种一次设备及二次设备的增多.配电网的控制将越来 越复杂.有必要引入信息化的手段来改善电网的自动化进程。文章介绍了现今配电网信息化 技术路线的趋势,在比较多种通信技术的优劣性后,因为其开放性、标准化以及互操作性。将 SIP信令协议引入智能配电网。在分析了二者的契合点后。就SIP信令协议在智能配电网的 应用及新业务的拓展进行了设计,此种方式能极大地增强配电网整体的智能化水平。 关键词:SIP;智能配电网;通信系统 中图分类号:TN915.5 文献标志码:B 文章编号:1005—7641(2010)12-0004—04 0 引言 由于历史等原因,中国电网的发展具有重发 影响系统的实时性。因此,配电网通信系统的建设 采用“区域分层集结、分区管理及集中组织方式” 的指导性原则 通常将配电网通信网划分为三个 层级:配网主站级、配网子站级以及配电终端级。 电、轻供电、配电网络建设落后等现象,这是影响 整个电网快速发展的薄弱环节。目前国内的配电 网建设结构单一,缺乏信息化的管理,大都依靠人 工方式去排查和解决用电故障。迟滞的运行效率, 容易导致大规模的停电。 这种区分并不是严格的规定,需要依据配电网不 同的规模,不同的实时性及安全性要求,来架设不 同拓扑结构的配电网通信网络。 2)现有的通信方式多种多样,按照承载介质 随着通信技术的发展,在传统配电网管理的 基础上加入信息化的器件及技术,将使配电网能 不同,可分为有线通信、无线通信以及光通信等。 按照通信模式及适用领域不同,又可分为主要负 责语音传输的传统电路方式,以及主要用来进行 提供更优质.更高效的电能.DMS(Distribution Management System,配电管理系统)为此应运而 生.它不单从配电网单一某方面进行控制,而是从 整个配电网的整体出发进行调配和优化。 近几年,随着智能电网[11的提f十1,在更高层次 上加强了对配电网管理的实时性及高效性的要 求。同时,在面向用电用户的交互方面,需要设计 数据传输的基于JP分组交换的计算机网络。按照 用户群体可分,可分为公用网络以及专网通信方 式 目前在电力行业,特别是在配电网建设中普遍 采用的通信手段有:配电线载波通信、光纤通信、 公网租用电话专线、现场总线、RS一485串行总线、 无线扩频等通信方式_2】。如此多类型的通信方式和 载体,各种通信设备的互操作成为信息互通过程 中一个很大的问题,这就需要更为开放,更为标准 更多的策略及业务来提升用户使用电能的便捷, 降低不必要的损耗。要构建低损耗、高效能、安全 稳定的智能配电网,这对智能配电网的通信基础 设施以及信息化水平提出了更高的要求。 的通信体制来规范。 3)一直以来,在配电网通信建设上有着不同 的发展方向。现场总线是一种应用于生产现场,在 现场设备之间.现场设备和控制装置之间实行双 1 配电网信息化现状及遇到的问题 1)配电网终端设备众多,规模大,覆盖区域 向、串形、多结点的数字通信技术I3】。各大厂商都有 自己的现场总线标准.每种标准也都有自己的适 用领域,至今仍未统一,彼此间的互联并未像IEC 广。自动化设备站点分布不均衡,数据的传输也具 有不均衡性,直接将控制设备接入配电网会严重 ・专题聚焦・ 邹力子SIP信令控制的智能配电网通信系统设计 .5. (International Electr0technical Commission. 国际 电T委员会)当初对现场总线定义的那样,具备充 分的开放性和统一l生。IEC统一现场总线标准努 力的失败.让大家转向了已经在IT业界取得成功 的以太网以及TCP/IP技术。将以太网引入配电网 管理的主站以及子站等高层网络,甚至于工厂底 层的设备,即过程控制层面,这在实时性方面对以 太网提出了更高的要求。为了适应T业过程生产 的环境,工业自动化技术和以太网TCP/IP技术结 合,从而产生了T业以太网技术标准。 基于IP数据包的工业以太网技术,使得不同 通信介质上采用统一的数据传输技术,这样有利 于构造统一的远动规约,使互联互通成为可能。尽 管目前的T业以太网都有以太网作为承载传输网 的共性,但事实上的标准也各有不同,EtherNet/ IP、HSE(High Speed Ethernet,现场总线标准)以 及PROFINET等是最具代表性的几种T业以太网 标准。目前国内也研发了EPA(Ethernet for Plant Automation)工业以太网标准。在IS.O/IEC 8802~3 网络的基础上,通过采用增强实时通信的修改,提 出了EPA.成为我国第一个拥有自主知识产权的 现场总线国家标准。该标准已被IEC发布为IEC/ PAS一62409I4 ̄.作为第十四类型列入工业以太网国 际标准IEC 61784—2 现有的配电网远动规约IEC 60870—5及演变 成事实丁业标准的DNP3.0,二者在协议栈结构上 都基于OSI/EPA模型。IEC 6185o ̄变电站通信网 络和系统》标准[51是基于通用网络通信平台的变电 站自动化系统唯一的国际标准,其完整的实现比 较复杂,标准的完善也在进行中,这也给其他通信 协议进入智能配电网通信领域提供了条件。 2 SI P协议与智能配电网的契合性 分析 1 999年.由IETF(Internet Engineering Task Force)的传输研究领域(TSV,Transport Area)的 MMUSIC(Multiparty Multimedia Session Contro1. 多方多媒体会话控制)工作组提出的SIP(Session Initiation Protoco1.会话发起协议)协议嘲,用来解 决IP网上的信令控制。在IP网络分层模型上,SIP 是工作在应用层上的一个信令协议,如图1所示。 应用层[sip及业务逻辑] 传输层[TCP,UDP Socket] 网络层【路由] 数据链路层【帧发送/接收】 物理层介质f电缆,光纤,无线信道】 图1 SIP在TCP/lP协议栈中的位置 Fig.1 Location of SIP in TCP/IP stack 该协议可以用来建立、修改和终止有多方参 与的多媒体会话进程,控制与业务的分离。SIP协 议小巧灵活,采用文本编码格式,易于解析和i周 试,实现起来简单容易。它借鉴了HTYP(Hyper— Text Transfer Protocol,文本传输协议)和SMTP (Simple Mail Transfer Protocol,简单邮件传输协 议)的设计思想,功能扩展性好,便于开发增值业 务。为此,SIP协议已经获得多个电信设备开发商、 电信运营商、语音服务提供商的青睐和支持。 作为开放性、标准化、互操作性的代表,基于 TCP/IP的SIP协议能很好地满足智能配电网的绝 大部分要求 SIP已经在基于IP的语音及视频媒 体传输以及3GPP中IP多媒体子域(IMS,IP Mul— timedia Subsystem)中扮演了十分重要的角色,在 电信行业中的成功部署,为智能配电网建设提供 了很好的借鉴。 1)SIP具有多样的安全策略。它可以借鉴 H1丫rP的摘要认证安全机制,或者采用S/MIME对 消息进行加密,保证信息的安全以及完整性:在传 输层采用TLS(Transport Layer Security,传输层安 全)提供面向连接的安全保护。在IP层可通过 IPsec提供VPN(Virtual Private Network,虚拟专 用网络)通道来保证消息的安全;还有S/MIME以 及PGP(Pretty Good Privacy.不错隐私)优良的保 密协议对消息体和部分消息头部进行加密l 7_。电力 通信网作为工业用专用网络.自然需求最严密的 安全策略,防止入侵及对配电网非法的操作。 2)SIP信令的媒体无关性能。SIP信令结构如 图2所示 图中除了起始行和头域具有固定不变 的格式外,在消息体(message.body)中能承载各 种类型的数据,例如包括ANSI的C12.19智能电 表表单[8_。同时,SIP协议亦能和RTP(Rea1.Time Transport Protocol,实时传输协议)或者RTSP(Re— al Time Streaming Protocol。实时流协议)等协议 ・ 6 ・ 电 力 § 饶 c薹 锫 2010,31(218) 配合,快速部署多媒体交互系统。 网要求的业务包括以下几种。 1)引入SIP协议可以更好地为配电网智能化 服务以及配电网与用户更丰富的交互。SIP采用 UTF一8的明文编码,其信令在终端解析成可阅读 图2 SIP信令结构 Fig.2 SIP signaling structure 的有意义的明文。其消息体可携带多种类型的数 据,如SDP(Session Description Protocol,会话描述 协议),以及ANSI的C12.19智能电表表单等。在 智能电表等类型终端中.可扩展同样明文编码的 3)SIP先天具有移动性优势。SIP URI的格式 (例如:sip:user@address.coin)类似于电子邮件地 址的格式 。在@符号之前的为用户ID,之后的域 名标示用户所在的位置。当用户移动到外地时,不 用在原注册的家乡地址外再申请转交地址COA (Care—Of Address),而是直接通过移动节点的SIP URI来查找获取用户的IP地址。这样不仅缓解了 IP地址紧张的问题,同时也提供了移动性的计量, 确保PEV(Plug—in Electric Vehicles,插电式电动 车)在非家乡接入电网充电,或者向电网输 电能 时的精确计费。 4)SIP的可扩展性吏加丰富了以上介绍的各 种与智能配电网契合的特性。SIP扩展的方式有多 种.既有方法的扩展.也有头域的扩展 这种灵活 的扩展设计使得针对智能配电网多个层级的设 备,譬如主站,终端站以及用户电器电源等,设计 相关的扩展来丰富各自的数字化智能。 5)由于IP网松散的管理机制,单纯的SIP协 议的实时性难以达到T业以太网现场级的通信要 求 一方面。可以通过运行SIP协议的处理器来改 善,如使用ARM等采用精简指令集的处理器,搭 配实时嵌入式操作系统,如Montavista的Linux或 者VxWorks等。另一方面,可通过以太网交换机来 构成星型拓扑,启动交换机与网卡的全双T通信 模式,避免产生冲突而启用CSMMCD机产生的延 时。采用UDP承载SIP信令,直接MAC寻址,可 缩减时延在10 hiS左右。另外可通过架设EPON 以太无源光网络等来进一步缩减时延至ms级。 3用SIP协议改善的智能配电网业 务设计 由于SIP协议具备以上契合]_业级通信要求 的特性,所以它具有大规模部署在智能配电网通 信系统并深入到终端设备现场级通信的潜力。配 电网常用业务以及SIP协议拓展的符合智能配电 协议,规定好诸如电压、电流、功率、用电量、用电 计费等数据供配网主站或者更上级采集和管理。 2)SIP信令搭配RTP协议可快速部署VolP (Voice over Internet Protocol,互联网语音协议) 以及视频传输、文字沟通等应用,为电网调度提供 了实时的语音、视频、文字等多种类型的精确描述 以及方便快捷的移动办公。在带宽富余时还可提 供网络电话等公网业务。 3)智能电网作为物联网的首要应用,在配电 网中大规模部署由SIP构成的配电网通信系统, 具有拓展至物联网应用的巨大潜力。SIP信令町作 为物联网中各类电器连接以及会话的操作承载 者,通用、公开的架构,提供丰富的扩展足以应对 物联网发展的要求。 4 结语 SIP作为根植于互联网的应用层协议,它应用 在工业环境中,存在实时性以及安全性方面的问 题。SIP具有开放性及通用性等方面的优势,可以 通过其可扩展性来弥补其缺陷,必将在智能配电 网应用中发挥巨大作用。 参考文献 [1]互动百科.智能电I ̄[DB/OL].http://www.hudong.corn/智 能电网/. 【2]龚静.配电网自动化技术【M】.北京:机械T业出版社, 2(】(】8. [3]百度百科.现场总线技术[DB/OL].http://baike.baidu. COm/view/262570.htm. [4】IEC 62409.Publicly Available sP cmcati0n【S】.2005. [51 IEC 6 1 85 ̄Communication networks and systems in sub— stationslS].2003. [6】ROSENBERG J,SCHULZRINNE H,CAMANILO G. SIP:Session Initiation Protocol[S].IETF RFC 326 1,2002. [7]吴劲,张凤荔,何兴高,等.SIP安全机制研究『J].电子 科技大学学报,2007(6):1212—1213. ・专题聚焦・ 邹力子SIP信令控制的智能配电网通信系统设计 ・ 7 ・ 【8】 SIP。——Open Communications for SmartGrid Devices 【DB/OL].http://www.smartgridnews.c0m/artman/uploads/l/ SIP邹力子(1982一),男, 湖南沅陵人,硕士研究生,从事 一一OpenConmmnieationsforSmartGridDevices.pdf ——多媒体通信方面的研究。 (收稿El期:2010一 O8—03;修回El期:2010—09—25) (ZL) The Design of Smart Distribution Network Communication System Controlled by SIP Signaling Z0f/,| ~zi (School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 61003 1,China) Abstract:Along with the development of distribution network and the increase of primary and secondary equipmentthe ,eontro1 on distribution network becomes more and more complicated.It is necessary to introduce information teehnology to accelerate the process of automation in smart distribution network.In this thesis,the development trends of distributi0n automation technology are introduced.By comparing with other communication technologies,SIP signaling protocol is reconunended for its openness,standardization and interoperability.Based on the analysis of the converging points between SIP and distribution network,the application of SIP protocol in distribution network and the exploitation of relevant neW services are discussed.This approach can greatly enhance the overall distribution network intelligence. Key words:SIP;smart distribution network;eomnmnieation system (上接第3页) 响应能力、互联互通能力将进一步提高,必将为电 网企业创造巨大的经济效益和社会效益。 通信技术与新能源变革融合在一起的产物。输电 企业要应对这样的挑战和机遇,必须以通信和能 源科技为车轮,推动企业又好又快地发展 4 结语 迄今为止,人类社会经历了3次工业革命.随 着智能电网理念的提出,很多专家和学者预言第 参考文献 [1]谢开,刘永奇,朱治中.面向未来的智能电网lJ1.中国 电力,2008,41f6):19—22. 4次T业革命将要到来。在全球经济陷入衰退的 大背景下,美国和欧洲都提出了依托智能电网建 [2】崔毅敏,李福岭.浅谈智能电网和智能网络….电力信 息化,2008,6(1 1):32—34. (I R) 设的经济复苏计划,无论出发点如何,智能电网的 发展最终都会服务和服从于低碳经济,这是能源 孙晶(1982一),女, 江苏泰州人,工程师,从事电力 利用的大趋势。而通信技术在提升能源利用效率 上,具有不可忽视的作用,智能电网是飞速发展的 系统应急通信研究.Y-作。 (收稿日期:2010- 09—20:修回日期:2010—11—04) The Telecommunication Technology Used in Smart Grid SUN ring (State Grid Electric power Research Institute,Nanjing 210003,China) Abstract:A moderll power grid is an important part of national energy strategywhile smart grid is one of the most ,important directions in nloderu power grid development.This article describes the basic concept of smart grid and its development in deferent countries,and discusses the characteristics of smart grid and the telecommunication technologv used in smart grid development.It points out that the establishment of high—speed,bi—directionalreal—time and integrated ,telecommunication system are the basis of snlart grid,and indicates that nlore attention should be paid on the ODen telecommunication architecture and uniied tfechnica1 standards. Key words:smart grid;telecommunication technology;telecommunication architecture;uniied tfechnical standard 

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