虚拟电厂通信网络与安全防护方案研究

作者及发表信息

本文由Jing Tao（国家电网智能电网研究院有限公司）、Chuan Liu（同机构）、Fei Xiao（上海市电力公司）、Ying Liu（国家电网智能电网研究院）、Hui Zhang（中国电力科学研究院）及Yilong Chen（上海市电力公司）合作完成，发表于2023年IEEE第7届信息技术与机电工程国际会议（ITOEC），隶属于电力系统与信息通信交叉领域。

学术背景与研究目标

科学领域与问题背景

在“碳达峰、碳中和”战略目标推动下，高比例可再生能源（如风电、光伏）并网导致电力系统面临供需双侧不确定性挑战：
- 需求侧：以上海为例，最大峰谷差达1616万千瓦，调峰成本高昂；
- 供电侧：风光发电的随机性与波动性加剧了电网平衡难度。

虚拟电厂（Virtual Power Plant, VPP）通过聚合分布式能源（DERs）、储能和可控负荷资源，成为提升电网灵活性的关键手段。然而，随着VPP规模扩大和资源异构性增加，现有通信网络与安全防护方案无法满足大规模异构资源安全接入和多时间尺度调度需求。

研究目标

1. 设计支持多时间尺度调度的VPP通信网络架构；
   
2. 提出符合电力安全防护规范的VPP安全方案；
   
3. 增强通信性能与安全防护的关键技术。
   

主要研究内容与流程

1. VPP发展阶段与通信需求分析

作者将VPP发展分为三阶段：
- 邀约型VPP（需求响应激励为主，如上海黄浦区商业建筑VPP）；
- 市场型VPP（参与调峰、调频辅助服务市场，如河北泛在电力物联网示范项目）；
- 自主型VPP（整合碳交易等多资源，如德国试点）。

当前国内VPP处于第一至第二阶段过渡期，需满足低延迟（如调频服务＜120ms）、高并发（城市电网场景）和经济性（农村电网场景）的差异化通信需求（详见表1指标）。

2. 通信网络架构设计

针对传统电厂“光纤+调度数据网”模式无法适配VPP异构资源的问题，提出分层通信架构：
- 调度系统-第三方VPP平台：采用MSTP/IP专网；
- 负荷管理系统（外部）-VPP平台：通过4G/5G+IP公网；
- 物联网聚合网关-DERs：支持I/O、PLC、LoRa等混合通信。

典型设计方案：

• 低延迟架构（调频服务）：光纤直连+无线专网（图3）；
  
• 高并发架构（工业园场景）：5G技术支撑海量终端接入（图4）；
  
• 经济型架构（农村光伏）：230MHz无线专网降低成本（图5）。
  

3. 安全防护方案设计

基于国家电网“三道防线”原则，针对不同接入场景提出三级防护：
- 直连调度系统：通过隔离装置、安全接入区（含纵向加密网关）实现生产控制区防护（图6）；
- 连接负荷管理系统（内部）：防火墙+安全接入网关+信息网络安全隔离装置（图7）；
- 连接外部负荷管理系统：额外增加互联网区隔离（图8）。

4. 关键增强技术

通信增强技术：

• 信息模型构建：扩展IEC61970/61968的CIM模型，支持VPP业务数据包交互；
  
• 协议增强：优化IEC104协议，适配非标数据采集；
  
• 网络性能保障：基于分段路由的广域路径调度技术，实现跨域QoS保障。
  

安全增强技术：

• 光纤安全认证：物理层特征提取技术鉴别非法接入；
  
• 隐私保护：动态场景适配的差异化数据脱敏策略。
  

研究结论与价值

科学价值

1. 架构创新：首次提出VPP分层异构通信网络设计方案，覆盖低延迟、高并发和经济性场景；
   
2. 安全规范：结合电力行业标准，定义三级动态安全防护框架，填补第三方资源接入的安全空白。
   

应用价值

• 为VPP参与电力市场交易提供标准化通信接口；
  
• 支持千万级DERs资源的高效调度，提升电网可再生能源消纳能力；
  
• 保障用户隐私与电网安全，推动自主型VPP商业化落地。
  

研究亮点

1. 多目标适配：通信方案针对调频、数据采集等差异化需求定制；
   
2. 动态安全防护：突破传统“横向隔离、纵向加密”模式，实现按需调整；
   
3. 关键技术自主可控：如基于“近噪声传输”的光通道内生防御技术。
   

其他重要内容

• 国际合作对比：指出德国自主型VPP的实践差距，为中国VPP市场化提供参考；
  
• 未来方向：建议探索VPP参与碳交易市场的通信与安全适配技术（如区块链）。
  

（注：本文为国家重点研发计划项目“2021YFB2401200”资助成果，引用文献包含Wu等（2023）的5G-TSN混合调度研究及Kang等（2022）的VPP科学问题框架。）