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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电话：[phone]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.511.2.2 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（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。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（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、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 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。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 Networking 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 White Paper:Synchronizedand Business-Ready Microgrid7A time sensitive networking enabled synchronized three phaseand phasor measurement based monitoring system for microgrids8CPR1_GeneralElectric(GE)_TSQKD_2020CEDSPeerReview_5089面向智能变电站三网合一网络的 PRP/HSR实现方案10混合组网下采样值传输时延值测量的可信度评估11面向智能变电站二次设备的网络报文管控技术12基于冗余通信的就地化分布式母线保护研究13HSR在第三代智能站中的实现技术14IEEE 1588 时间精确同步协议(PTP)在电力系统应用的可行性研究电力确定性网络应用白皮书18二、应用场景及需求（一）（一）发电发电1.1.火电火电 DCSDCS火电 DCS 已全面覆盖了火电厂“炉”、“机”、“电”控制以及外围辅助系统，是全厂控制系统的中枢。火电厂的 DCS系统按功能可划分为设备层、控制层、管理层，各个单元以及各个人机接口通过通讯系统连成一个有机整体，通信网络对于DCS 整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。典型的如炉膛安全监控系统 FSSS、汽机保护、发变控制等子系统，均对要求 DCS 系统提供 ms 级低延时、低抖动的高时间敏感通信，而锅炉辅控、运行监测等子系统则相对不具备敏感需求。电力确定性网络应用白皮书19图 2-1 火电 DCS 系统图时间敏感网络 TSN 在设备层，提供了确定可靠的传输通道，确保设备层的现场设备关键控制指令优先在 DCS 网络传输，传输时延确定可控。控制层的工程师站、操作员站、历史站及接口站功能与数据传输要求各不相同，TSN 网络在控制层实现了不同时间敏感度数据的混合传输，满足了各个节点的通信需求。2 2.水电站水电站自动化系统自动化系统现地二次系统是水电站自动化系统的重要组成部分，二次系统设备分为三个安全区：实时生产控制区（安全区 I）、非实时生产控制区（安全区 II）、管理信息区（安全区 III），三个安全区包括监控、安稳管理、相角测量、故障录波、图像监控等系统，之间采取物理隔离或逻辑隔离等边界防护措施电力确定性网络应用白皮书20（图 2-2），各系统独立工作，通过硬接线或网络通信进行数据传输。图图 2-22-2 水电站现地二次系统水电站现地二次系统计算机监控系统（图 2-3）是水电站自动化系统中的核心系统，系统功能上可分为厂站层和现地控制层。厂站层承担全厂数据采集、处理、集中控制、自动发电控制等全厂性的功能；现地控制层由按单元分布的各现地控制单元 LCU 组成，用于完成现场设备的数据采集和控制的功能。此外，计算机监控系统承担了信息中枢的职能，向上与上级调度通信，发送实时数据至调度自动化系统，实时接受调度指令；向下与调速、励磁、保护、在线监测等各个子系统相连，完成指令下发、信息交换等功能。电力确定性网络应用白皮书21图图 2-32-3 水电站水电站计算机监控系统结构图计算机监控系统结构图目前在水电站自动化系统中网络通信技术得到广泛应用，极大减少了电缆施工。但数据采集及控制的完成仍严重依赖硬接线，例如：传感器至远程 IO 的连接依赖硬接线，控制相关重要信号也以硬接线方式接入监控系统。其主要原因一方面是带通信功能的智能变送器尚未得到大范围应用，另一方面则是大量智能设备采用的通信协议不具有网络通信时延确定性。如果参与控制的数据采集或指令下发产生设计范围外的延迟，会导致控制超调、事故扩大等严重后果。另外，现有以太网技术不能在保证时间确定性的前提下，实现实时、非实时多协议、多业务流量的共物理网络传输，导致各自动化系统均需要单独组网，严重阻碍了传输网络的共享和数据的共享。因此，引入的电力确定性网络技术应解决以下几方面的问题：（1）引入时间敏感性网络，解决以太网传输时延不确定问电力确定性网络应用白皮书22题，以大大减少现场硬接线的数量。（2）时间敏感性网络应尽量兼容各子系统已有的通信规约。（3）解决多业务不能同网传输的问题，在满足电力系统安全分区的前提下，实现现地控制层、厂站层统一网络、多业务系统统一网络，最终实现物理网络和数据的全面共享。3 3.新能源发电监控系统新能源发电监控系统与传统的火电、水电等机组集中发电的形式不同，风力、光伏等新能源发电系统是由成百上千个分布式发电单元组成，需要构建分布式新能源发电监控系统，对各个发电单元进行实时监控，掌握其运行状态，保证并网安全，同时还具有控制指令下发的功能，通过监控平台，优化各个发电单元运行状态。图图 2-42-4 新能源发电新能源发电监控系统结构图监控系统结构图电力确定性网络应用白皮书23TSN 技术的特点是精准的网络时间同步和确定的传输时延，因此其可以很好地实现各种设备之间的实时、确定而可靠的数据传输，满足了众多行业的应用需求。TSN 技术应用于新能源发电监控系统，各个地理位置上较为分散的分布式发电单元之间可实现时钟的精确同步，站控层关键控制命令下发、现场层紧急状态上传等时间敏感数据与其他非敏感数据共享同一通信网络，既解决分布式网络中同步对时问题，又能够对不同厂商、不同类别的逆变器和其他相关电气设备进行监控，采集运行状态数据，智能控制现场设备，达到数据传输与共享，从而实现新能源电站管理效率的最优化。同时结合大数据模型进行故障预测与分析，及时发现并定位设备故障，为用户快速发现和排除故障提供有力支持，提供电站的整体发电效率，增加电站的经济效益。4.4.发电集团集控系统发电集团集控系统集控系统利用计算机通信技术、智能测控技术、大数据技术及自动化技术，对发电企业全厂进行集中监视、集中控制、集中调度、集中管理，是电厂的生产控制中心，具有设备多、层次深、功能全等特点。集控系统能够实时准确地掌握企业设备运维、生产经营状况，实现以实时企业管理指令指导生产，以生产指令优化底层控制，达到规范业务流程、提高工作效率、降低企业成本、节能降耗、环保等目标，实现企业集约化、流程化、规范化管理，提升电厂安全运行水平。因此，要求集控系统必须具备可靠性、电力确定性网络应用白皮书24稳定性和开放性。图图 2-52-5 发电集团集控发电集团集控系统结构图系统结构图TSN 网络支持时间敏感数据的确定性时延传输及流量调度，集控系统中的控制数据、监测数据、视频数据等不同时间敏感度、不同带宽需求的数据可以在 TSN 网络中以确定的、低抖动的时延进行实时传输，满足集控系统的网络传输需求。TSN 网络所具备的开放性与兼容性，可以较好的兼顾不同的场景应用既有协议，并对集控系统实现各个子系统的集成，提供了良好的通信网络基础。此外，TSN 网络管理中基于 IEEE802.1Qcc 协议的集中式配置模型也非常适合应用于集控系统。当集控系统中有新增支持IEEE802.1Qcc 的 TSN 设备接入时，通过集中式网络配置管理器、集中式用户配置管理器及 SDN 网络设备的相互配合，可以自动协商完成新增设备的接入配置，实现了集控系统的智能运维，减轻了集控系统的人工干预工作，保证了电厂集控系统的安全电力确定性网络应用白皮书25和稳定运行。5.5.发电场景网络通信需求发电场景网络通信需求电力确定性网络应用白皮书26（二）（二）输电输电1.1.特高压直流输电控制保护系统特高压直流输电控制保护系统直流控制保护系统是特高压直流输电的“大脑”，不间断地控制着交直流转换、直流功率输送的全部过程，并且保护直流换流站所有电气设备以及直流输电线路免受电气故障的损害。特高压直流输电控制保护系统采用分层分布式结构，完全冗余配置，按照控制级别的不同分为运行人员控制系统、保护控制设备、阀控设备以及现场 I/O 设备、现场测量系统等。图图 2-62-6 特高压直流输电控制保护系统特高压直流输电控制保护系统结构图结构图运行人员控制系统与保护控制设备通过冗余配置的以太网组网通信，保护控制设备与现场 I/O 设备间通过冗余配置的光纤现场总线（Profibus-DP、CAN）或实时以太网通信，保护控制设备与测量系统及阀控设备均通过冗余配置的点对点串行光纤通信。电力确定性网络应用白皮书27在特高压直流输电控制保护系统引入电力确定性网络技术可改善以太网传输时延不确定、传输可靠性差以及以太网和现场总线并存而导致的系统复杂度过高、网络层次不够清晰的问题。2 2.输电状态监测输电状态监测输电状态监测应用场景主要包括输电线路状态实时感知与智能诊断、自然灾害全景感知与预警、线路检修智能辅助等方面，应用如下图所示。图图 2-72-7 输电设备物联网应用场景图通过微功率无线传感网、链状多跳组网及物联代理等方式电力确定性网络应用白皮书28实现信息互联及融合，利用边缘计算实现设备状态的初步诊断及告警，依托设备物联网高级应用实现多系统、多源信息数据的融合分析与深化应用；利用大数据、云计算等人工智能手段实现输电线路状态主动评估、智能预警及精准运维，进一步提升线路运维保障能力，提高线路运检效率效益。应用物联网技术感知关键部件状态信息（如贴片温度、智能间隔棒）、设备缺陷信息、线路通道不良工况（雷电、风害、覆冰等）信息，采用边缘计算技术，实时开展线路状态评价，自动提出检修建议，利用云计算、远程视频、智能穿戴设备等多种手段，实现现场作业全过程远程监测与安全管控。在输电状态监测系统引入电力确定性网络技术可在链状多跳组网的微功率无线传感网基础上保证告警等重要数据传输的实时性和可靠性，实现输电监测各终端的时间同步，并提高微功率无线传感网的带宽利用效率。3.3.输电场景网络通信需求输电场景网络通信需求电力确定性网络应用白皮书29（三）（三）变电变电智能变电站自动化系统基于 IEC61850 标准定义的数据接口模型，采用“三层设备，两层网络”结构：设备装置根据实现功能不同分为站控层、间隔层和过程层设备，层与层设备间信息交换通过站控层网络、过程层网络实现。此外，智能变电站自动化系统还包括了集成了一次设备在线监测、火灾消防、安防、动环等系统的变电站辅控系统以及集成在线智能巡视主机、高清视频、红外测温、巡检机器人等设备的变电站在线智能巡视系统。图图 2-82-8 智能变电站自动化系统结构智能变电站自动化系统结构图图1.1.站控层网络站控层网络智能变电站采用三层两网结构，三层指的是站控层、间隔层、过程层，两网指的是站控层网络和间隔层网络。站控层设备包括数据服务器、监控主机、工程师站、五防主机、顺控主机、数据通信网关机、综合应用服务器、PMU 数据集中器、时电力确定性网络应用白皮书30间同步装置等。间隔层设备包括继电保护装置、测控装置、稳控、PMU、故障录波装置、网络记录分析仪、主设备在线监测装置等。保护、测控等间隔层装置通过站控层网络将信号上送至站控层监控后台、数据服务器等设备。数据服务器负责将站内信号上送至调度系统，同时接收调度控制命令，然后将控制命令下发到测控装置。后台的控制命令则直接发送至测控装置。站控层网络采用 100Mbps 及以上速率的工业以太网，拓扑为星型，可通过划分虚拟局域网（VLAN）将网络分隔成不同的逻辑网段。220kV 及以上电压等级智能变电站的站控层网络要求冗余配置,主要通信服务为 MMS、GOOSE、SNTP 等报文。2 2.过程层网络过程层网络过程层设备包括智能终端、合并单元、合智一体装置等。过程层设备采集开关量、互感器模拟量信息，通过过程层网络以 SV/GOOSE 报文的形式上送至间隔层保护、测控装置,保护、测控装置可通过 GOOSE 报文将保护控制命令发给智能终端或合智一体装置，从而实现对开关、刀闸等一次设备的控制操作。过程层网络组网方案较多，保护可采用直采直跳、直采网跳、网采网跳方式，GOOSE、SV 可采用不组网、共网、独立组网等方式，网络配置可采用按串（间隔）和多串（间隔）方式。智能变电站的过程层网络采用 100Mbps 及以上速率的工业以太网，拓扑为星型，通信介质为光纤，要求冗余配置,主要通信服务为 GOOSE、SV、PTP 等报文。电力确定性网络应用白皮书313.3.辅控系统辅控系统变电站辅助设备监控系统提供视频监控、安全防护、环境监测、辅助控制等功能，对变电站安全可靠运行至关重要，成为变电站信息化建设的重要支撑部分。图图 2-92-9 智能变电站辅控系统结构智能变电站辅控系统结构图图智能变电站辅助设备全面监控系统包括安全 II 区的辅助设备监控系统、安全 IV 区的视频监控系统和智能机器人巡检系统。辅助设备监控系统集成了变电站在线监测、消防、安全防范、环境监测、SF6 监测、照明控制、智能锁控、电缆沟火灾监测等子系统辅助设备，为变电站综合监控提供辅助支撑。视频监控系统能独立完成视频监控相关业务，提供音视频、数据、告警及状态等信息远程采集、传输、储存、处理。智能机器人巡检系统主要由巡检主机、机器人、视频监控系统等组成，巡检主机下发控制、巡检任务等指令，控制机器人和视频监控系统开展室内外设备联合巡检作业，巡检完成后电力确定性网络应用白皮书32将巡检数据、采集文件等上送到主站系统。感知层包括变电站端的机器人、视频监控、消防、安 防、灯光控制、环境监测、水浸监测等子系统，以及其他未接入辅控系统的辅助监测、感知设备，通过传感器、摄像机、控制器等设备采集变电站前端的设备状态数据、控制前端辅控设备行为，并以多种通信方式对主辅设备进行统一管理，为变电站辅助设备一体化监控平台的高级应用提供基础数据来源。网络层采用 100Mbps 及以上速率的工业以太网骨干网，拓扑为星型，智能巡检机器人、温度、烟感、水浸等传感器可通过工业 Wifi 接入骨干网。如变电站发生预警、故障、火灾、暴雨等异常情况，站内辅助监控主机主动启用机器人、视频监控、灯光、环境监控、消防等设备设施，立体呈现现场的运行情况和环境数据，实现主辅设备智能联动、协同控制，为设备异常判别和指挥决策提供信息支撑。电力确定性网络应用白皮书334.4.变电场景网络通信需求变电场景网络通信需求在变电场景引入电力确定性网络技术有望提升变电站通信网络以下性能：（1）保证重要信息传输的确定性和可靠性。（2）实现变电站通信网络的智能运维管理，提升网络的运行可靠性。（3）支撑变电站通信网逐步升级到融合网络，支持设备灵活扩展、满足设备即插即用；支持智能传感器、视频终端等异构信息安全无缝的接入；实现多业务数据的安全、可靠、实电力确定性网络应用白皮书34时、高效的共网传输；（四）（四）配电配电智能配电通信网是智能配电网的重要组成部分，是实现智能配电网的基础条件。智能配电通信网建设目标是：利用经济合理、先进成熟的通信技术，满足智能配电网发展各阶段对电力通信网络的需求，支持各类业务的灵活接入，为电力智能化系统或设备提供“即插即用”的电力通信保障，为电力用户与分布式能源提供信息交互通信渠道。智能配电通信网需满足高级配电自动化、配网保护、分布式能源接入、精准负荷控制、配网设备运行状态监测等业务的通信需求。目前，配电通信网多采用工业以太网、XPON、无线公网等通信技术。由于配电网点多面广，海量终端设备需要实时监测或控制，信息双向交互频繁，而采用光纤网络建设成本高、运维难度大，公网承载能力有限，难以有效支撑配用电网各类终端可观可测可控。随着大规模配电网自动化、高级计量、分布式能源接入、用户双向互动等业务快速发展，各类电网设备、电力终端、用电客户的通信需求爆发式增长。配用电网的通信的业务可分为控制和采集两大类。各类业务通信需求如下表所示：电力确定性网络应用白皮书35上表中的智能分布式配电自动化、精准负荷控制、分布式能源调控以及移动现场施工作业管控等关键业务对通信系统的确定性、实时性和可靠性提出了极高的要求。配电通信网络的骨干通信网宜采用光纤专网，终端通信接入网主要包括光纤专网、配电线载波、无线专网和无线公网等多种方式，应因地制宜，综合采用多种通信方式，并支持 SDH、工业以太网与无源光网络混合组网通信。采用 5G+确定性网络融合技术，可满足 5G 通信系统在多种配用电业务数据混合传输时关键业务的实时需求。1.1.基于基于 IEEEIEEE 802.1AS802.1AS 的配电网精准时间同步授时的配电网精准时间同步授时基于 5G+确定性网络融合技术，可以为配用电智能终端提供微秒级的精准时钟同步授时，一方面解决了电力业务高精度授时需求，另一方面，间接降低了网络抖动的严苛要求。通过 5G 与确定性网络的时钟同步机制的协同处理，整个端到端 5G 通信系统可视为一个 IEEE 802.1AS 时间同步系统。电力确定性网络应用白皮书36图图 2-102-10 基于基于 5G+TSN5G+TSN 的配电网精准时钟同步授时的配电网精准时钟同步授时源时钟可取自北斗/GPS 或系统高精准守时时钟，基于 IEEE802.1AS 的配 用电 网精准 时钟同 步授 时系统 可采 用 IEEE802.1AS 网络授时系统或北斗/GPS 授时异构组网、实现天地互备，大幅提高网络授时的安全可靠性；5G 基站可通过承载网的 gPTP 网络授时或北斗/GPS 授时获取时钟，同时将时钟信息通过空口广播（带内 SIB16）或单播（携带 SFN 指示时钟参考点）方式传递给 5G CPE；5G CPE 将时钟信息通过 IRIG-B 码接口方式传递给配电终端，实现配单终端间微秒级的高精时钟同步需求。2 2.配网差动保护配网差动保护现有配电网保护配置方式下，线路某处发生故障，将造成变电站出线开关跳闸，整条线路都会停电，然后依靠配电自动化主站进行故障隔离和供电恢复，整个过程往往持续几分钟至几十分钟，严重影响用户用电感受。随着分布式电源接入到配电网中，配电网故障电流等级、潮流方向发生了较大变化，传电力确定性网络应用白皮书37统的三段式过流保护已经难以满足配电网保护“四性”的要求。多电力电子设备的接入和高渗透分布式发电（DG）的并网给配网保护