电力确定性网络应用白皮书.pdf
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1、电力确定性网络应用白皮书V1.0(征求意见稿)工业互联网产业联盟(AII)2023 年 5 月 5 日声声明明本报告所载的材料和信息,包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议,不构成法律建议,也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有(注明是引自其他方的内容除外),并受法律保护。如需转载,需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可,任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用,不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播,不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者,本联盟将追究其相关法律责任。工业互联网产业联盟联系
2、电话:010-62305887邮箱:电力确定性网络应用白皮书I编写说明实现碳达峰、碳中和目标是党中央的重大决策部署,是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。中央财经委员会第九次会议研究部署实现碳达峰、碳中和的基本思路和主要举措时指出,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统是一个“源网荷储智”一体协同的系统。实现以新能源为主体,有效消纳新能源发电,需要通过深度推进电力系统智能化、智慧化,把电源、电网、负荷、储能各个环节有机整合起来,形成一个一体协同的智能电力系统。电力通信网承担着源、网、荷、储各个环节的信息采集、人机交互以及控制和保护等关键任务,为源、网、荷、储各个环节提
3、供安全、可靠、高效的信息传送通道。电力通信网各环节的通信网络均需要满足电力业务的时间同步、通信服务质量保障、网络冗余等确定性通信需求。确定性网络是为确定性业务流提供服务的网络,能够确保在最糟糕的网络情况下关键数据的网络服务质量。TSN(时间敏感网络)等确定性网络技术在电力行业的落地应用已成为国际相关大学、研究机构和著名厂商研究的热点之一。由工业互联网产业联盟组织,北京智芯微电子科技有限公司牵头行业内相关单位编写本白皮书,通过对电力系统各主要应用场景确定性网络通信的背景和需求进行梳理,对 TSN 等确定性网络技术的系统方案、关键技术、产品服务等进行阐述,II并就 TSN 等确定性网络技术在电力系
4、统部署应用、集成方案做出分析展望。旨在为在电力系统应用确定性网络技术提供参考。本白皮书编写过程中,得到了联盟成员及国内外众多企业、研究机构、高校的大力支持,为白皮书的观点形成与编写提供了有力支撑。因编者水平所限,难免存在错误和不足,欢迎业界各位专家和读者批评指正,后续我们将根据业界的实践情况和各界的反馈意见,在持续深入研究的基础上适时修订和发布的新版本。组织单位:组织单位:工业互联网产业联盟主编主编单位单位:北京智芯微电子科技有限公司、三峡集团科学技术研究院参编单位:中兴通讯股份有限公司、南京科远智慧科技集团股份有限公司、日立能源(中国)有限公司、网络通信与安全紫金山实验室、北京邮电大学、北京
5、交通大学、中国联通研究院、英特尔(中国)有限公司、东土科技有限公司、思博伦通信科技(北京)有限公司、北京圣博润高新技术股份有限公司、中国联通物联网研究院、清控华创能源互联网研究院、重庆大学编写编写组成员组成员(排名不分先后):北京智芯微电子科技有限公司:刘勇、冯龙三峡集团科学技术研究院:王峥瀛、王乾中兴通讯股份有限公司:冯岩南京科远智慧科技集团股份有限公司:芮正新日立能源(中国)有限公司:向乾亮中国联通研究院:贾雪琴、韩政鑫III网络通信与安全紫金山实验室:白钰北京邮电大学:朱海龙北京交通大学:李宗辉英特尔(中国)有限公司:史毅磊、东土科技有限公司:程远思博伦通信科技(北京)有限公司:陆冠北京
6、圣博润高新技术股份有限公司:杜艺中国联通物联网研究院:陈海锋清控华创能源互联网研究院:代雪涛重庆大学:蔡岳平电力确定性网络应用白皮书4目 录一、背景介绍.7(一)电力通信网组成.7(二)确定性网络技术概述.9(三)电力确定性网络发展现状.10二、应用场景及需求.18(一)发电.181.火电 DCS.182.水电站自动化系统.193.新能源发电监控系统.224.发电集团集控系统.235.发电场景网络通信需求.25(二)输电.261.特高压直流输电控制保护系统.262.输电状态监测.273.输电场景网络通信需求.28(三)变电.291.站控层网络.292.过程层网络.303.辅控系统.314.变电
7、场景网络通信需求.33(四)配电.341.基于 IEEE 802.1AS 的配电网精准时间同步授时.352.配网差动保护.363.基于 5G LAN 的智能分布式配电自动化业务.384.配电网巡检.385.配电场景网络通信需求.40电力确定性网络应用白皮书5(五)用电.401.智能用电台区.412.电动汽车充电网络.423.虚拟电厂.434.用电场景网络通信需求.46(六)微电网监控系统.47三、网络及设备.50(一)以太网.501.交换机.501.1 基本要求.501.1.1 接口功能.501.1.2 转发功能.501.1.3 管理接口.511.2 时间同步.511.2.1 时钟源.511.
8、2.2 同步机制.521.2.3 同步精度.521.3 流量调度.521.3.1 时间分片调度.521.3.2 报文抢占.531.3.3 流量整形.532.端设备(模组).542.1 以太网控制器.542.2 FPGA TSN 控制器.54(二)5G/LTE 电力专网.551.简介.552.5G 电力确定性网络应用的总体架构.563.5G 电力确定性网络组网架构.574.关键能力.59电力确定性网络应用白皮书65.电力专网通信终端.78(三)WIFI7.791.简介.792.802.11be 标准与前代技术特征对比.803.WiFi7 的技术方向及特点.804.WiFi7 关键技术能力.81(
9、四)微功率无线.911.端设备.942.AP.953.网关.95四、网络支撑验证.96(一)网络规划仿真.961.TSN 的仿真模型.972.TSN 的仿真工具简介.100(二)配置管理.100(三)测试诊断.1041.测试工具.1042.测试方法.1073.5G 电力仿真测试系统.108五、发展展望.111电力确定性网络应用白皮书7一、背景介绍(一)电力通信网组成(一)电力通信网组成电力能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要组成部分。可再生能源高比例接入、分布式能源、电动汽车及储能等新兴能源形态的蓬勃发展使电力系统正在向源、网、荷、储多种要素之间互连互通、供需平衡、优化互动的能源互联网演进。
10、能源流与信息流深度融合是能源互联网的关键特征之一,电力通信网承担着源、网、荷、储各个环节的信息采集、网络控制等重要业务,为能源互联网基础设施与各类能源服务平台提供安全、可靠、高效的信息传送通道,实现电力生产、输送、消费各环节的信息流、能量流及业务流的贯通,促进电力系统整体高效协调运行。图 1-1 电力通信网概览图电力确定性网络应用白皮书8电力通信网的基本组成包括电力骨干通信网、电力厂站实时监控网以及电力通信接入网等,各类网络均需要在一定程度上满足电力业务的时间同步、通信服务质量保障、网络冗余、网络安全等确定性通信需求。电力骨干通信网由传输网、业务网和支撑网三部分组成。传输网为整个电力通信网提供
11、底层的数据传输能力,多以光纤通信为主,微波、电力线载波、卫星通信等为辅,多种传输技术并存,可分为省际、省级和地市 3 个层级。省际传输网连接国家电网总部、分部、直属单位和各省公司,省级骨干传输网则连接省电力公司及其直属单位、地市公司、省调直调发电厂及变电站等。省际传输网和省级传输网均按照双平面建设,A平面承载生产控制类业务,采用 SDH 技术,B 平面承载管理信息类业务,采用 OTN 技术。地市级传输网按单平面建设,采用SDH 技术,主要覆盖地市级公司及其下属单位等。业务网建立在传输网基础上,分别为电网的各种不同业务应用提供服务,包含数据通信网(综合数据网和调度数据网)、调度交换网、行政交换网
12、和电视电话会议系统。支撑网则为电力通信网的运行维护提供辅助支撑,主要包括同步网、网管系统和应急通信系统。电力厂站实时监控网部署于发电厂和变电站内,用于监控系统与控制设备间、控制设备间以及控制设备和感知设备间的通信,承载实时性、确定性和可靠性要求最高的电力实时控制业务。电力厂站实时监控网一般采用工业以太网技术,星型或环电力确定性网络应用白皮书9形拓扑,重要场合网络冗余配置,在传输距离较远或电磁干扰较强的场合则采用光纤作为通信介质。电力通信接入网用于电力物联网中海量传感器和智能物联终端的接入通信,通常采用 Wifi、微功率无线和电力线载波等通信技术。(二)确定性网络技术概述(二)确定性网络技术概述
13、确定性网络是为确定性业务流提供服务的网络,其主要特征包括:亚微秒级精度的时钟同步、关键业务数据通信的有界延迟和抖动、网络冗余和自愈等。之前常采用 VLAN 和基于优先级的技术实现可控的时延和丢包,然而,这些技术通常只有在关键数据流在网络容量中占比很小、网络中的所有系统都运行正常、没有终端系统中断网络操作行为等情况下,才能工作得很好。确定性网络的任务是确保在最糟糕的网络情况下关键数据的网络服务质量。目前 L1 层确定性网络技术主要采用灵活以太网(FlexE)技术,其基本思想是通过增加时分复用的 Shim 层实现 MAC 层与 PHY 层的解耦,得到更加灵活的物理通道速率,从而实现链路捆绑、子速率
14、和通道化 3 种应用模式,承载各类速率需求业务;通过 PHY、MAC 层协同调度,实现时隙交换以保证时延、提高带宽利用率,也能够与 SDN 技术结合实现对 L1 层的传输控制,实现网路动态调整。L2 层的确定性网络技术主要是时间敏感网络(TSN)技术。TSN 技术是 IEEE 802.1 工作小组中的 TSN 工作小组发展的系列电力确定性网络应用白皮书10标准,时间敏感网络是当前最为成熟的实现局域确定性网络的技术,通过 IEEE 802.1AS(时钟同步)、IEEE 802.1Qbv(时隙控制)、IEEE 802.1Qbu&IEEE 802.3br(帧抢占)、IEEE802.1CB(冗余数据传
15、输)等技术保证保证 L2 网络端到端的确定性时延;在 TSN 的一种参考网络架构中,每个节点都有对应的同步时钟和数据队列,时钟用于同步计算,队列用于处理数据优先级,包括针对高动态数据的快速通道方式、抢占式机制。通过各个机制的协同,TSN 为数据传输提供确定的传输路径与确定的传输时隙从而实现有界低时延传输。目前,TSN相关机制标准仍在不断完善。L3 层的确定性网络技术主要包括 DetNet(deterministicnetworking)等技术。DetNet 技术核心思想是,主要面向全局性大网场景,在排队转发机制上使用 TSN 定义的技术,并基于L3 协议定义方案,在统计复用的基础上提供确定性时
16、延和抖动。其核心旨在定义一种通用架构,对数据平面和 L3 超低时延操作、管理和维护进行标准化,涉及多跳路由的时间同步、控制和安全性,动态网络配置及多路径转发。(三)电力确定性网络发展现状(三)电力确定性网络发展现状电力通信网的基本组成包括电力骨干通信网、电力厂站实时监控网以及电力通信接入网等,各类网络均需要在一定程度上满足电力业务的时间同步、通信服务质量保障、网络冗余、网络安全等确定性通信需求。电力确定性网络应用白皮书11IEC61850 标准是电力系统自动化领域的全球通用标准,目前已经扩展到 IEC 61850 标准在风电、水电、变电、配电、分布式能源、微电网、储能及电动汽车等智能电网领域(
17、如图 1-2 所示)。图 1-2 IEC61850 系列标准全景图IEC61850 标准规定了不同电力业务的通信传输延迟以及时间同步的类型和性能指标,并且通过将 SV、GOOSE 和 1588 等实时通信服务,直接映射到数据链路层以避免其他各层的协议开销以及采用 VLAN 和优先级 tag 等 802.1Q 技术,最大限度地保证数据传输的实时性(如图 1-3 所示)。电力确定性网络应用白皮书12图 1-3 IEC61850 网络层次架构图国际上,采用 TSN 技术与 IEC 61850 等电力专用通信标准相结合的技术路线是当前电力确定性网络通信的研究热点。鉴于电力行业对于通信的确定性、实时性、
18、可靠性要求极高,IEEE 将电力列为 TSN 技术最重要的六大应用领域之一。根据IEEE 组织编写的时间敏感网络电力应用白皮书【1】,时间敏感网络技术在变电站过程层和站控层网络、纵联差动保护、电力数据通信网、配用电融合通信网、综合能源、新能源发电等电力相关领域具有广泛的应用前景。2021 年 4 月,IEC TC57/WG10 工作组基于时间敏感网络(TSN)标准编制完成IEC 61850-90-13:电力行业确定性网络技术报告【2】。报告描述了目前电力通信网存在的问题,提出了在变电站自动化、纵联保护、微电网、配电通信网等领域应用 TSN 技术,并针对 TSN 与 IEC 61850、IEEE
19、 C37.118、电力确定性网络应用白皮书13104 等电力协议的适配以及 TSN 与现有电力自动化系统的兼容性进行了探讨。文献【3】对在变电站站控层和过程层网络应用 TSN 技术进行了初步探讨。文献【4】基于 TSN 技术搭建了一个数字变电站的确定性网络原型系统(如图 1-4 所示),研究表明,在 PTP时间同步、GOOSE、尽力而为(BE)等数据的混传条件下,通过该确定性网络系统传输的跳闸命令可比通过硬接线传输的跳闸信号减少四分之三的时间。图 1-4 基于 TSN 的数字变电站确定性网络原型系统图美国能源部 TSQKD 项目(20182021)正在基于 TSN(时间敏感网络)及 QKD(量
20、子密钥分发)技术研究安全可靠的确定性电力及工控通信网络【8】,如图 1-5 所示,在该项目中,TSN 技术提供时间同步、确定性调控、配置管理和流量控制,QKD 提供流量安全保护,同时实现通过 TSN 模型对 QKD 进行配置管理。电力确定性网络应用白皮书14图 1-5 TSQKD 项目原型系统图文献【5】【6】采用 TSN 等技术搭建了微电网测试床系统,如图 1-6 所示,该测试床的仿真测试表明,可以实现在混传流条件下各种电力电子控制器 100ns 左右的同步控制脉冲。图 1-6 基于 TSN 的微电网测试床系统图文献【7】采用 TSN 技术搭建了四节点的微电网同步相量(PMU)通信原型实验系
21、统,如图 1-7 所示,该实验系统可实现亚微秒的时间同步,并可为每秒 100k 采样率数据提供低于300us 的延迟和高于 300Mbps 的吞吐量。电力确定性网络应用白皮书15图 1-7 基于 TSN 的微电网 PMU 通信原型实验系统图在国内,IEEE1588 和 IEC62439 等确定性网络技术在变电站通信网的应用一直是各家科研机构和高校的研究热点。文献【9】分析了 MMS、GOOSE、SV 三网合一的变电站通信网络应用现状,针对目前三网合一网络应用中存在的通信实时性和可靠性的问题,提出了一种基于 IEC624393 并行冗余协议/高可用性无缝环网冗余(PP/HS)的智能变电站三网合一
22、网络实现方案,总结了关键设备的研制要点。文献【10】介绍了混合组网下 SV 报文传输时延测量方法和实现,详细分析了该方法在实现传输时延准确测量各个环节的可信度及其影响,并对报文中与 SV 数据强关联的时延测量值提出了基于总链路时延合理值和总链路时延误差值作为指标组合来进行在线评估的方法,详细阐述了其工程阈值的取值方法;并通过选取就地化保护专网的专项测试分析与实际应用,验证了该方案的有效性电力确定性网络应用白皮书16和可靠性。文献【11】研究了电力二次设备在多种报文共网共口条件下接收与发送的优化处理机制。在接收方向上针对变电站网络风暴条件下的报文特点,提出多级过滤、分组流量控制的方法实现网络风暴
23、抑制,保证了正常报文的接收与处理;在发送方向上提出以优先级划分为前提的优化调度发送策略,保证了报文发送的实时性并充分利用了网络带宽;并基于纯硬件片上系统实现了上述机制的实际应用与测试。文献【12】提出了基于冗余通信的就地化 HSR 环网有主分布式母线保护解决方案。研究了以主机内部时钟作为同步对时源的采样同步方法,并提出了分布式系统身份拓扑定位技术,实现保护功能不依赖外部时钟、保护子机免配置和即插即用。结合分布式母线保护环网数据流大小,对 IEC61850-9-2 和 GOOSE 帧格式报文进行了适用性分析,提出了满足百兆口带宽和传输延时要求的新环网通信帧格式;通过现场运行验证技术方案的可行性。
24、文献【13】以 HS方案和实现技术为对象,研究第三代智能变电站就地模块基于 IEC 62439-3 标准的 HS组网实现技术,主要包括基于软件底层驱动和 FPGA 交互的互联实现技术、IEEE 1588 对时标准在 HS 环网的实现技术和基于延时可测技术的 HS环网时间敏感数据同步方案。文献【14】阐述了电力系统对于时间同步的需求,同时针对目前电力系统所采用的各种时间同步方案作了较为具体的研究。并提出了 IEEE 1588 时间精确同步协议在发电厂中的应用实现方案。电力确定性网络应用白皮书17参考文献参考文献1Utility Applications of Time Sensitive Net
25、working White Paper2IEC TR 61850-90-133TSN in IEC 61850 substation automation network4DigitalElectricalSubstationCommunicationsBasedonDeterministic Time-Sensitive Networking Over Ethernet5Outcomes,Insights,and Best Practices from IIC Testbeds:Microgrid Testbed6Industrial Internet Consortium Results
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