IPv6在智能變電站中的應用研究

馮勇

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

智能變電站作為智能電網中的關鍵節點，是建設堅強智能電網的重要基礎和支撐。智能變電站綜合采用了多個專業學科的新技術，如智能設備、信息標準接口和信息平臺、先進的傳感器技術、大規模集成電路技術、可靠的通信技術、電力電子技術、物聯網技術[1]等，能夠支持電網實時在線分析和控制決策，可大幅提高整個電網運行可靠性及經濟性。

在智能變電站中，IPv4協議雖可以在通信層面滿足全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、高級應用互動化、運行狀態可視化等的基本要求，但在保障網絡安全、網絡性能以及對服務質量（QoS）和移動性的支持等方面能力有限，而這些問題在IPv6體系下都可以予以良好解決。本文重點從IPv6的特點出發探討其在智能變電站中的應用。

1 IPv6的特點

IPv4協議最初設計較為保守，但隨著IPv4獲得巨大成功，該協議固有的問題也逐漸暴露出來，一方面由于不合理的地址分類造成了當今網絡空間地址嚴重不足的危機，2011年2月ICANN就已經宣布IPv4地址；另一方面IPv4協議也面臨無法有效應對物聯網端到端服務的難題，NAT破壞了IP的端到端通信模型[2]，阻止了端到端的網絡安全。這些問題阻礙了互聯網的高速發展，為盡快消除互聯網危機，互聯網協議IPv6應運而生。比較而言，IPv6協議具有很多IPv4協議所無法比擬的優點，可以解決我國目前因公網IP地址匱乏而被迫大量使用轉換地址等一系列問題，是全球邁入萬網融合和萬物互聯的基礎。

1.1 龐大的地址空間

IPv6的地址長度達到128位，是IPv4的4倍，可分配IPv6地址得到大幅提升，龐大的地址空間使NAT之類的地址轉換技術將不再需要[3]。解決IP地址數量短缺問題是IPv6最首要的貢獻，IPv6的實施客觀上提供了一個重新分配網絡空間和規劃網絡的契機[4]。

1.2 與IPSec安全機制的緊密結合

IPv4設計之初安全性選項極少，而IPv6設計時已加入了安全性選項來支持IP層的安全性。IPSec作為IP層的一種安全機制，用于一個系統與其他系統之間對彼此可接受的安全性進行協商。IPSec既適用于IPv4也適用于IPv6，區別在于IPv6在設計之初就把IPSec安全機制作為強制實施的內容，而IPv4并沒有強制要求。在IPv6中IPSec不再單獨存在而是作為IPv6協議固有的內容貫穿于IPv6的各個部分。在IPv6數據包中，把IPSec的認證報頭（AH）、安全負載報頭（ESP）作為自身的擴展報頭，因此其安全特性更高。而在IPv4中實現IPSec則較為復雜且數據處理速度較慢。比較而言，IPv6中IPSec的處理效率更高，數據包的傳送速度更快。

1.3 IPv6的地址自動配置

IPv6地址自動配置方式可以分為無狀態（Stateless）地址自動配置和有狀態（Stateful）地址自動配置。在無狀態地址自動配置方式下，網絡接口接收路由器通告報文的全局地址前綴prefix，再結合接口ID進一步獲得全局單播地址。在有狀態地址自動配置的方式下，IPv6繼承了IPv4中DHCP自動配置方式，采用DHCPv6自動獲得IPv6地址。IPv6采用了地址自動配置技術，高效的解決了海量地址分配的問題，真正實現了“即插即用”，提高了IPv6運維工作的效率。

1.4 保障服務質量（QoS）

IPv4協議在設計之初是采用簡單的盡力而為（Best Effort）的服務，并未區分業務優先級，對時延、可靠性等性能不提供任何保障。若要在現有的IPv4網絡中保障QoS實現起來較為復雜且部署、運維比較困難，如果要同時采取數據加密措施則IPv4更難以滿足QoS要求。要為用戶提供高質量的QoS必須解決QoS的分類與定義、準入控制和協商、資源預約、資源調度與管理，以滿足提供多種服務質量類型的業務需求。在IPv6報頭中使用流標簽來標記一些需要提供個性化網絡服務的特殊數據，以便在網絡層區分不同類型的報文。主機可以要求對于這些特定業務流采用特殊的處理，從而可以提高QoS保障能力。

1.5 移動性支持能力

IPv4不具備支持移動性和網絡管理能力，而對移動性的支持是IPv6在設計之初就考慮的問題。在IPv6中，依賴IPv6的路由擴展頭（Routing Header）和地址擴展頭（Destination Option Header）可以輕易實現各節點在不中斷任何通信、不丟失IP地址的情況下在不同網絡鏈路之間“漫游”，可以說IPv6提供了內置的移動性。移動IPv6（MIPv6）可以從一定程度上增強移動終端的移動特性、安全特性、路由特性，降低網絡部署的難度和成本，為用戶提供了永遠在線（Always Online）的服務。

2 IPv6在智能變電站中的應用探討

2.1 IPv6在智能電網中應用的必要性

在智能電網中，如果給整個中國電網中的發電、輸電、變電、配電、用電網絡中的所有終端都分配一個IP地址的話，IP地址的數量至少也會達到百億級。特別是隨著物聯網技術的發展，電動汽車、智能樓宇、智能家庭及智能用電系統的普及，配電網用戶側的終端數量將呈幾何級數增長。如此海量的IP地址需求在現有的IPv4網絡下實現起來較為困難、成本較高、管理較為復雜，也難以有良好的用戶體驗。而在IPv6網絡下，“能夠給沙灘上的每一粒沙子分配一個IP地址”的海量地址空間完全可以滿足未來智能電網的發展需求。因此，在智能電網中采用IPv6具備充分的客觀條件，也十分必要。

2.2 IPv6在智能變電站應用的安全特性

在智能變電站中，若采用常規的IPv4網絡，IPSec具體實現時需要增加一套IPSec專用處理程序，實現起來較為復雜，數據處理效率不高。而若采用IPv6網絡，由于IPSec內置于IPv6中，則不存在IPv4網絡中的類似問題。IPv6網絡等同于在IP層強制建立了IPSec安全機制，增強了數據源身份驗證、無連接的完整性和數據機密性[5]等安全特性，這使得智能變電站綜合自動化系統安全防護機制的優化成為可能。

2.3 IPv6的地址自動配置技術的實際應用分析

IPv6采用的地址自動配置技術，實現了IP地址的自動分配，在智能變電站設備配置及調試環節真正實現了即插即用，但IPv6中的IP地址自動配置并不會自動修改SCD文件中的IP地址配置。因此，對于終端設備數量相對有限的單座智能變電站來說，當前IPv6的地址自動配置技術對于運維工作效率的提升相對有限，并不能大幅降低智能變電站設備配置及調試的工作量。IPv6地址的自動配置與SCD文件的自動關聯也是IPv6在智能變電站中有效應用的一個研究課題。而這一地址自動配置技術對于擁有海量物聯網終端的智能配電網具有非常大的應用價值。

2.4 IPv6對提高智能變電站QoS的能力

智能變電站中對告警信息進行綜合分類管理和信號過濾，實現全站信息的分類告警功能。根據告警信息的級別，實行優先級管理，方便重要告警信息的及時處理。按照對電網影響的程度，智能告警信息分為事故信息、異常信息、變位信息、越限信息、告知信息等[6]。以上信息中大部分均為實時信息，需要實時傳輸，但在實際信息傳輸時需要按照事先制定好的優先級規則按順序傳輸。智能變電站所有信號中，保護與控制類信號優先級最高，對QoS指標要求也較高，需要優先傳送，主要包括保護動作、備自投動作、直流系統接地、AVC/VQC、滅火裝置動作及其他各類型的遙控操作和事故信號等。數據采集與運行監視類信號的優先級次之。智能變電站業務QoS指標詳見下表1。

表1 智能變電站業務QoS指標

IPv6中，QoS主要被分為兩大服務類型：集成服務（IntServ）類型和區分服務（DiffServ）類型。其中集成服務由于要求預留一定的網絡資源并提供一條端到端的透明通道比較適合智能變電站內視頻類、語音類業務的數據傳輸，但這種資源預留策略會消耗系統的網絡帶寬。而區分服務是采用流標簽技術對不同的流量進行分類，并按照已定的優先級管理策略而不是根據報文內容來確定如何轉發，保障了特定信息的按需發送。比較而言，區分服務的應用更為靈活，效率更高。這種方式比較適合于智能變電站中不同類型、不同級別信號的傳輸。因此，IPv6網絡對QoS的保障支持能力對于智能變電站有著重要意義。

2.5 基于IPv6的移動物聯網技術在智能變電站的應用

越來越多的工作方式和工作場景需要網絡服務提供移動性支持，要求終端在不同網絡間移動和使用不同的網絡接入點時能提供更好的網絡支持。隨著智能變電站的推廣及物聯網技術的不斷發展和實際應用，基于移動互聯及物聯網技術的智能監測、智能報警、智能巡檢等功能在智能變電站的應用逐漸增多。移動物聯網技術在智能變電站的大規模推廣使得IPv6在智能電網的應用更加必要和迫切。

3 應用需要解決的問題

本文前述部分詳細分析了IPv6在智能變電站中的應用前景及優勢，但IPv6在智能變電站中的推廣應用還存在諸多的問題和局限。

1）IPv6在智能變電站的全面部署需要在硬件設備方面做好IPv6改造和重新配置，如何做好IPv4向IPv6的平滑過渡是擺在電力工作者面前的一個重要課題。當前采用的過渡技術主要包括雙棧技術、隧道技術、地址翻譯技術[7]，需要結合實際情況制定各變電站的IPv6改造方案。IPv6過渡技術中，典型的雙棧技術、GRE隧道技術及NAT-PT技術優缺點比較見下表2。

表2 典型的雙棧技術、GRE隧道技術及NAT-PT技術優缺點比較

2）IPv6并不能解決網絡層以外的網絡安全問題。雖然IPv6內嵌了安全協議，更好的保障了數據的安全傳輸，但在IPv4網絡中除IP層以外的其他6層中出現的攻擊在IPv6網絡中依然存在。特別是在IPv4向IPv6過渡期間，采用雙棧技術需要同時考慮IPv4和IPv6的安全性及相互影響，采用隧道技術應避免使用自動隧道，并在隧道出入口采用嚴格的過濾措施，而采用地址翻譯技術破壞了端到端的安全性，需采取措施防范算法受到DOS攻擊。

3）IPv6在智能變電站的部署存在較大的阻力。主要原因在于，從單座智能變電站來講，站內所部署的終端設備數量有限，IPv6海量地址的優勢不是智能變電站所必需的[4]；另外，智能變電站的內部通信系統屬于內部局域網，由站控層網絡和過程層網絡構成，采用IEC61850協議并結合IEEE802.1P和IEEE802.1Q等技術也完全可以滿足對變電站內部局域網通信報文的實時和非實時通信需求，IPv6的優勢難以充分發揮。雖然該觀點有些偏頗，但卻對IPv6在智能變電站的應用和部署帶來一定的阻力。

4）IPv6與“云大物移智”等新興技術的結合可能帶來的網絡安全問題的防護技術還有待進一步研究。智能變電站作為智能電網建設的重中之重，有必要持續開展IPv6在智能變電站中的應用探索，開展針對性的安全防護技術研究，對實現“云大物移智”等新興技術在智能變電站的高效應用具有重要的現實意義。

4 結束語

國內兩大電網公司已制定了IPv6規模部署方案，為實現下一代互聯網技術與電力行業的深度融合應用打下基礎。預期IPv6必然將會替代IPv4成為智能電網發、輸、變、配、用電等各個環節通信網絡中實際應用的主流協議，這對于智能電網的長期健康發展具有重要意義。

在IPv6大規模推廣應用的預期背景下，需要結合網絡實名制增強網絡攻擊準確溯源、精準打擊、快速響應和應急處置能力，加大自主可控IPv6安全防護設備的研發，建立IPv6安全制度、人才等安全保障。同時需要開展針對IPv6的等級保護、風險評估、威脅預警及通報、災難備份及恢復等工作，制定IPv6網絡安全相關技術、評測和產品認證標準，開展IPv6網絡下的云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能等領域的網絡安全技術研究及能力建設工作，強化網絡安全基礎數據管理和個人信息保護。