采用多業(yè)務(wù)傳送平臺優(yōu)化電力SCADA系統(tǒng)通信組網(wǎng)方案

趙 晟

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

隨著我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，高速鐵路大量采用GSM-R、綜合視頻監(jiān)控、防災(zāi)安全監(jiān)控等新技術(shù)，區(qū)間和站內(nèi)供電節(jié)點(diǎn)數(shù)量大大增加，由此帶來電力箱變（RTV）數(shù)量增加。按照電力專業(yè)相關(guān)規(guī)范要求，所有電力箱變均需納入電力SCADA系統(tǒng)。如何為電力SCADA系統(tǒng)組織傳輸通道，最簡單可靠的解決方案無疑是采用點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)私有專線（EPL）方式，但工程設(shè)計(jì)不僅需要考慮方案的可行性，還必須考慮經(jīng)濟(jì)成本。如果采用EPL方式，由于電力箱變數(shù)量眾多，且受限于多業(yè)務(wù)傳送平臺以太網(wǎng)業(yè)務(wù)VC-12的最小映射顆粒，電力SCADA系統(tǒng)將占用非常大的傳輸帶寬。由于各電力箱變與電力SCADA中心間實(shí)際所需傳輸帶寬非常?。ā?4 kb/s），如果采用EPL方式，不僅將造成傳輸帶寬資源的極大浪費(fèi)，給帶寬資源日益緊張的接入層傳輸系統(tǒng)帶來沉重壓力，而且將付出較大的經(jīng)濟(jì)代價（高昂的通道租用費(fèi)）。因此，如何在滿足電力SCADA系統(tǒng)QoS要求的條件下，找出一個經(jīng)濟(jì)合理的方案，是設(shè)計(jì)工作中亟待解決的問題。

1 工程概況

新建鐵路福廈線位于福建省境內(nèi)，北起福州樞紐福州站，南至廈門樞紐廈門站。中鐵二院設(shè)計(jì)范圍為福州南站（不含）至廈門站（含），鐵路正線全長256.169 km。全線新開車站9個，分別為福清、漁溪、涵江、莆田、仙游、新泉州、泉州南、翔安和廈門西，新開線路所1個，利用既有車站3個，分別為杏林、廈門北（Ⅰ場、Ⅱ場）和廈門。

福廈線傳輸系統(tǒng)分為干線層和接入層2層結(jié)構(gòu)，采用華為OSN系列傳輸設(shè)備。干線層采用基于SDH的MSTP組建SDH 10 Gb/s（1+1）MSP傳輸系統(tǒng)。接入層采用MSTP組建SDH 622 Mb/s傳輸系統(tǒng)，站間形成2纖單向通道保護(hù)環(huán)，如圖1所示。

2 電力SCADA系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接入方式

2.1 電力SCADA系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

福廈線全線共有電力箱變92處，從綜合傳輸系統(tǒng)的組網(wǎng)方式和電力SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向分析可知，電力SCADA系統(tǒng)業(yè)務(wù)為匯聚型業(yè)務(wù)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)為樹形，如圖2所示。

2.2 電力SCADA系統(tǒng)的接入方式

因電力SCADA系統(tǒng)組網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù)，故電力箱變根據(jù)與傳輸設(shè)備的距離遠(yuǎn)近（距離≤100 m采用FE（E）接口，距離＞100 m采用FE（O）接口），通過FE（E）或FE（O）接口與傳輸設(shè)備相連。

3 電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用解決方案

3.1 方案比選

3.1.1 使用二層交換機(jī)

在各車站接入層傳輸設(shè)備和干線層傳輸設(shè)備處設(shè)置1臺二層交換機(jī)，各車站接入層傳輸設(shè)備通過以太網(wǎng)板的端口業(yè)務(wù)匯聚功能，將各點(diǎn)電力SCADA數(shù)據(jù)匯聚到傳輸設(shè)備的1個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1∶N，N≤24），并與二層交換機(jī)相連，所有數(shù)據(jù)通過二層交換機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)復(fù)用處理后，再與傳輸設(shè)備的另一個FE（E）接口相連，通過車站傳輸設(shè)備將二層交換機(jī)處理后的數(shù)據(jù)以EPL方式傳至干線層傳輸設(shè)備，在干線層傳輸設(shè)備處作相同處理后，將數(shù)據(jù)以EPL方式傳至電力SCADA中心，如圖3所示。

此方案能較好實(shí)現(xiàn)電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，但存在以下缺點(diǎn)：（1）增加了故障點(diǎn)；（2）增加了工程投資；（3）低端二層交換機(jī)不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管，無法滿足電力SCADA系統(tǒng)的QoS要求；（4）中高端二層交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)管，但價格較高，且在本工程中用途單一，無法充分發(fā)揮其功能，造成浪費(fèi)。因此，此方案不失為一個可行的解決方案，但不是最佳解決方案。

3.1.2 利用MSTP技術(shù)實(shí)現(xiàn)二層交換機(jī)式的處理

利用MSTP完全代替二層交換機(jī)，通過各層傳輸設(shè)備內(nèi)部處理實(shí)現(xiàn)電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用。從表面上看，這無疑是一個最好的解決方案，但看似完美的解決方案卻往往無法實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)镸STP雖然具有二層交換功能，但其并不是一個真正意義上的二層交換機(jī)。MSTP具備在SDH平臺上傳送IP、ATM、TDM等多種業(yè)務(wù)的能力，但其核心模塊仍然是SDH的交叉矩陣單元，MSTP設(shè)備的結(jié)構(gòu)（以O(shè)SN 3500為例）如圖4所示。

MSTP的二層交換功能通過以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理板實(shí)現(xiàn)，而以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理板與二層交換機(jī)并不能完全等同，兩者在二層交換的實(shí)現(xiàn)方式上有區(qū)別，這是由它們本身的結(jié)構(gòu)所決定的。以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理板的結(jié)構(gòu)（以O(shè)SN 3500為例）如圖5所示，二層交換機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

MSTP以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理板的接口模塊與外部以太網(wǎng)設(shè)備相連，完成編解碼和串/并轉(zhuǎn)換；業(yè)務(wù)處理模塊完成幀定界、添加/剝離前導(dǎo)碼、生成/終結(jié)CRC校驗(yàn)碼和以太網(wǎng)性能統(tǒng)計(jì)等功能，并根據(jù)業(yè)務(wù)形式和配置要求進(jìn)行流分類（支持MPLS報文格式、L2 MPLS VPN報文格式、Ethernet/VLAN報文格式），依據(jù)業(yè)務(wù)配置添加外層標(biāo)簽（Tunnel）和內(nèi)層標(biāo)簽（VC）雙重標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的映射和轉(zhuǎn)發(fā)；封裝模塊完成以太網(wǎng)幀的HDLC（高層數(shù)據(jù)鏈路控制）、LAPS（鏈路接入?yún)f(xié)議-SDH）或GFP-F（成幀映射通用成幀規(guī)程）封裝和解封裝；映射模塊進(jìn)行基于VC虛容器或其虛級聯(lián)的映射和解映射，并將VC虛容器送入交叉矩陣和從交叉矩陣接收VC虛容器。

二層交換機(jī)通過交換機(jī)端口模塊完成各種以太網(wǎng)幀信號的接收與發(fā)送。交換控制功能模塊是實(shí)現(xiàn)對各個端口之間信息交換的控制。交換功能模塊是根據(jù)交換控制功能模塊作出的控制決策建立交換機(jī)相關(guān)端口之間的臨時信息傳輸路徑，通常采用專用集成電路（ASIC）來完成此功能。存儲器區(qū)域的主要功能是緩存各端口交換的輸入與輸出幀信息，以便對其進(jìn)行處理。

通過以上分析可以看出，MSTP與二層交換機(jī)在二層交換的實(shí)現(xiàn)方式上存在較大差異，主要有2點(diǎn)。

（1）二層交換機(jī)是通過端口交換實(shí)現(xiàn)二層交換功能，其所有端口之間均可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的交換；而MSTP支持二層交換功能，是在一個或多個用戶側(cè)以太網(wǎng)物理接口與一個或多個獨(dú)立的系統(tǒng)側(cè)的VC通道之間實(shí)現(xiàn)基于以太網(wǎng)鏈路層的數(shù)據(jù)幀交換。兩者之間的巨大差異決定了MSTP無法像二層交換機(jī)一樣，對數(shù)據(jù)進(jìn)行基于端口交換的統(tǒng)計(jì)復(fù)用處理。這表明MSTP的以太網(wǎng)業(yè)務(wù)處理板雖然具備一定的二層交換功能，但它不是一個真正意義上的二層交換機(jī)，也不能完全代替二層交換機(jī)。

（2）MSTP需要將封裝后的以太網(wǎng)幀映射進(jìn)VC虛容器，對傳輸帶寬進(jìn)行固化，無法像二層交換機(jī)那樣完全實(shí)現(xiàn)帶寬的按需分配。

因此，MSTP無法通過其內(nèi)部的二層交換處理實(shí)現(xiàn)電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用。3.1.3 利用MSTP的二層交換功能進(jìn)行二次處理

雖然MSTP無法像二層交換機(jī)那樣完全實(shí)現(xiàn)電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，但可以利用MSTP的二層交換功能進(jìn)行二次處理來盡可能實(shí)現(xiàn)該功能，具體做法：將已經(jīng)分別映射到多個VC虛容器的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過傳輸設(shè)備以太網(wǎng)板的端口業(yè)務(wù)匯聚功能從同一個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1：N，N≤24），引出后不作處理，直接與傳輸設(shè)備的另一個FE（E）接口相連，將所有數(shù)據(jù)重新映射到n個VC-12中（n的數(shù)值根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際所需帶寬大小確定，由于受限于VC-12的最小映射顆粒，虛容器進(jìn)行虛級聯(lián)后提供的帶寬往往略大于實(shí)際所需帶寬，無法實(shí)現(xiàn)完全意義上的帶寬按需分配），實(shí)現(xiàn)電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用。

此種方式優(yōu)點(diǎn)：（1）實(shí)現(xiàn)簡單；（2）所有處理均由MSTP傳輸設(shè)備完成，安全可靠；（3）節(jié)省投資；（4）充分利用MSTP傳輸設(shè)備的二層交換功能，做到物盡其用；（5）完全滿足電力SCADA系統(tǒng)的QoS要求。因此，此方案無疑是當(dāng)前條件下最好的選擇。

3.2 電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用解決方案

從前面的分析知道，電力SCADA系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹形，從分層的角度來看，電力SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為區(qū)間接入層、車站接入層和干線層3個層次進(jìn)行處理，也就是說電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用應(yīng)由3個層次的傳輸設(shè)備完成。因此，其解決方案也分為3個層次。

（1）區(qū)間接入層解決方案

各電力箱變通過FE（E）或FE（O）接口就近接入?yún)^(qū)間接入層傳輸設(shè)備，區(qū)間接入層傳輸設(shè)備將各電力箱變傳來的數(shù)據(jù)分別映射到1個VC-12，并以EPL方式傳至車站接入層傳輸設(shè)備。

（2）車站接入層解決方案

車站接入層傳輸設(shè)備接收各相關(guān)區(qū)間接入層傳輸設(shè)備傳來的電力SCADA數(shù)據(jù)，通過傳輸設(shè)備以太網(wǎng)板的端口業(yè)務(wù)匯聚功能，將各點(diǎn)電力SCADA數(shù)據(jù)匯聚到傳輸設(shè)備的一個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1∶N，N≤24），引出后不作處理，直接與傳輸設(shè)備的另一個FE（E）接口相連，將所有數(shù)據(jù)重新映射到1個VC-12，實(shí)現(xiàn)電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，并將數(shù)據(jù)以EPL方式傳至干線層傳輸設(shè)備。

（3）干線層解決方案

干線層傳輸設(shè)備（在干線層傳輸系統(tǒng)中選擇1個合適的業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)，福廈線選擇福清作為干線層業(yè)務(wù)匯聚點(diǎn)）接收各車站接入層傳輸設(shè)備傳來的電力SCADA數(shù)據(jù)，通過傳輸設(shè)備以太網(wǎng)板的端口業(yè)務(wù)匯聚功能，將各站電力SCADA數(shù)據(jù)匯聚到傳輸設(shè)備的1個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1∶N，N≤24），引出后不作處理，直接與傳輸設(shè)備的另一個FE（E）接口相連，將所有數(shù)據(jù)重新映射到5個VC-12（VC-12虛級聯(lián)，電力SCADA系統(tǒng)最終所需傳輸帶寬根據(jù)電力專業(yè)的需要確定），實(shí)現(xiàn)電力SCADA系統(tǒng)傳輸帶寬在干線層傳輸系統(tǒng)中的統(tǒng)計(jì)復(fù)用，并將數(shù)據(jù)以EPL方式傳至電力SCADA中心。

4 結(jié)束語

隨著我國鐵路事業(yè)的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)的大量采用，在設(shè)計(jì)工作中經(jīng)常會遇到新問題，而往往沒有一種技術(shù)或設(shè)備能完美解決所有問題，這就需要我們進(jìn)行更加深入的研究，充分發(fā)揮各種技術(shù)或設(shè)備自身的優(yōu)勢，做到物盡其用，在設(shè)計(jì)工作中采用靈活的手段解決實(shí)際問題。

[1] 王廷堯．以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2005．

[2] YD/T 5119-2005, 基于 SDH 的多業(yè)務(wù)傳送節(jié)點(diǎn)（MSTP）本地網(wǎng)光纜傳輸工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].