面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的傳輸網(wǎng)發(fā)展分析

丁偉強，黃宏波，曹 靜，張 倩，陳德平

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.華雁智能科技（集團）股份有限公司，成都 610000）

0 引言

2019年國網(wǎng)公司提出建設“三型兩網(wǎng)，世界一流”能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的重大戰(zhàn)略目標，為電網(wǎng)企業(yè)的未來發(fā)展指明了方向。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是與堅強智能電網(wǎng)“同生共存”的公司“第二張網(wǎng)”，承載貫通電網(wǎng)傳統(tǒng)業(yè)務和新興業(yè)務的數(shù)據(jù)流和業(yè)務流。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，承載網(wǎng)要先行，本著這個原則，對電力傳輸網(wǎng)發(fā)展技術進行分析和推進。面向物聯(lián)網(wǎng)的承載結構與業(yè)務多樣化的技術方案成為關注的焦點。結合物聯(lián)網(wǎng)的主要特性，分析了電力承載網(wǎng)的發(fā)展，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的傳輸網(wǎng)發(fā)展部署奠定基礎，全力支撐和迎接泛在電力物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模應用的到來。

1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務特點及承載需求

1.1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求

國網(wǎng)對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)目前規(guī)劃有3個云：一是支持安全生產調度與運行檢修的生產控制云；二是支持客戶服務和增值服務的公共服務云；三是支持企業(yè)經營管理和智慧黨建的企業(yè)管理云。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務種類繁多、流向多、業(yè)務復雜，需要有效調度，滿足差異化業(yè)務需求，多業(yè)務綜合承載，實現(xiàn)泛在連接。

1.2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務特點

面向電力物聯(lián)網(wǎng)的傳統(tǒng)業(yè)務和新興業(yè)務，業(yè)務承載差異化需求明顯，表現(xiàn)在：安全等級差異大、帶寬要求差異大、接口類型差異大、時延要求差異大。例如：精準負控、配電自動化等，要求極低時延和高可靠性；用電信息采集、電力智能資產管理、分布式能源管理等，要求提供多連接的承載通道，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，為減少網(wǎng)絡阻塞瓶頸，需要大規(guī)模的機器類通信；輸變電3D實景三維圖像傳輸、超高清視頻監(jiān)控、云存取，需要承載網(wǎng)提供超大帶寬。與物聯(lián)網(wǎng)相對應的業(yè)務類型有：信息采集類：mMTC（大規(guī)模機器通信）；控制類：uRLLC（高可靠低時延通信）；視頻監(jiān)控類：eMBB（增強型移動寬帶）；數(shù)據(jù)中心業(yè)務：BB（寬帶）等。

1.3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)技術架構

從技術架構上看，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)整體構架包含感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層4層結構，如圖1所示，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)通過感知層實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)絡層實現(xiàn)近場通信、遠程通信和安全接入，平臺層實現(xiàn)一次錄入處處應用，應用層全面提升核心智慧化運營能力，最終形成“云-管-邊-場-端”架構。

其中，網(wǎng)絡層的重點是構建“空天地”協(xié)同一體化電力泛在通信網(wǎng)，增強網(wǎng)絡帶寬，提升網(wǎng)絡資源調配能力，實現(xiàn)網(wǎng)絡深層全覆蓋，包括骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)等方面。其中骨干網(wǎng)包括傳輸網(wǎng)、業(yè)務網(wǎng)、支撐網(wǎng)，骨干網(wǎng)通常采用SDH（數(shù)字同步系列）、OTN（光傳送網(wǎng)）、WDM（波分復用）、PTN（分組傳送網(wǎng)）等技術，接入網(wǎng)采用XPON（無源光網(wǎng)絡）、工業(yè)以太網(wǎng)、LTE（長期演進）無線專網(wǎng)、中壓電力線載波、北斗、2G/3G/4G/5G無線公網(wǎng)等多種技術。

圖1 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)整體構架示意

1.4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)承載需求

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)新型業(yè)務特性變化為承載技術的新一輪快速發(fā)展提供了契機，對承載網(wǎng)絡主要帶來三大性能需求，即在關鍵性能方面，“更大帶寬、超低時延和高可靠”等性能指標需求非常突出。

需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡的業(yè)務處理方式進行改進，使得高可靠性業(yè)務的帶寬、時延是可預期、可保證的，不會受到其它業(yè)務的沖擊，夯實基礎支撐，對傳輸網(wǎng)絡層提出更高訴求。而現(xiàn)有的傳輸網(wǎng)絡都為單一數(shù)據(jù)傳輸方式，不能同時滿足高速TDM（時分復用）專線、分組交換的全業(yè)務傳送需求。傳統(tǒng)“PTN+OTN”或“MSTP+DWDM/OTN（多業(yè)務平臺+密集波分復用/光傳送網(wǎng)）”多層網(wǎng)絡架構雖然可以解決帶寬和接入問題，但存在建設、運維成本高、占用設備屏位多、方式安排繁瑣等問題，無法完全適應泛在電力物聯(lián)網(wǎng)大帶寬、高可靠、高安全的發(fā)展需求。

2 面向泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的傳輸網(wǎng)承載方案

為應對泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展戰(zhàn)略，提出了一種新的融合承載信息傳輸網(wǎng)發(fā)展方案POTN（分組光傳送網(wǎng)絡）。POTN是集成OTN，TDM和分組技術于一身的統(tǒng)一傳送平臺，深度融合分組傳送和光傳送技術，提供多業(yè)務、大容量、長距離的信息承載方式。POTN根據(jù)業(yè)務的類型選擇最佳的傳送方式，可以有效減少網(wǎng)元種類。目前，以POTN為代表的多業(yè)務復合技術，已成為光傳送網(wǎng)領域新的發(fā)展熱點。

POTN在電力通信網(wǎng)架構，可按四級網(wǎng)絡進行部署建設，如圖2所示。國干省干為一二級網(wǎng)絡，提供超大容量；地區(qū)市-縣及220 kV網(wǎng)絡為三級網(wǎng)，定位靈活調度；縣級及110 kV以下，為四級網(wǎng)絡，建設規(guī)模最大，面向融合承載。因網(wǎng)絡重復建設代價巨大，故網(wǎng)絡建設的升級改造，需充分考慮前瞻性、擴展性。

2.1 容量規(guī)劃

市縣、匯聚點規(guī)劃8/16×10G設備。建議：光電層分離、光層子框背靠背，提升安全性，節(jié)省電層槽位；電層所有槽位支持100G，集成度更高。

2.2 速率規(guī)劃

容量大于40G后，100G較10G成本優(yōu)勢體現(xiàn)；10G升級100G需建設時考慮兼容。建議：預留升級槽位，新建預留40%以上，單站電層槽位≥18/10；核心環(huán)路按照10G/100G公共部分兼容設計。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)不同業(yè)務的性能特點差異，采用分管道部署方案，目的是解決承載網(wǎng)絡如何支持不同類型業(yè)務的帶寬隔離、確定性低時延和網(wǎng)絡可靠性等問題，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)多業(yè)務綜合承載。POTN方案是基于傳統(tǒng)OTN，并增強分組承載技術，簡化OTN的演進思路，是OTN適應物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展趨勢。

圖2 POTN電力通信骨干網(wǎng)架構

物聯(lián)網(wǎng)承載網(wǎng)發(fā)展向管道化演進，剛性管道、柔性管道、大管道、小管道各種管道并存。建設成一個萬物互聯(lián)的承載平臺，具備分層組網(wǎng)架構和多業(yè)務統(tǒng)一承載能力。

如圖3所示，在一張承載網(wǎng)絡中通過網(wǎng)絡資源的軟、硬管道隔離技術，為不同服務質量需求的客戶業(yè)務提供所需網(wǎng)絡資源的連接服務和性能保障，為電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用提供差異化的承載網(wǎng)服務能力。與此同時，POTN支持與存量PTN，OTN，MSTP（多業(yè)務平臺）網(wǎng)絡設備對接、混合組網(wǎng)，兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡。

圖3 統(tǒng)一承載能力平臺

3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)關鍵技術

POTN的關鍵技術主要包括統(tǒng)一交換技術、光交叉技術、剛柔管道隔離技術等，來實現(xiàn)管道化業(yè)務的網(wǎng)絡傳送。

3.1 統(tǒng)一交換技術

POTN能夠支持基于信元交換的統(tǒng)一交換矩陣，對各種業(yè)務協(xié)議透明；其融合的集中交換和背板總線架構支持OTN以及分組的電層疏導與調度，實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)和TDM/OTN之間的靈活適配與互通。VC/Packet/ODUk（虛容器/分組包/通路數(shù)據(jù)單元）采用統(tǒng)一信元交換，基于統(tǒng)一信元交換內核的POTN設備，具備超大容量多粒度電交叉，自由調度統(tǒng)一交換架構，支持時分復用和分組交換的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳送，融合PTN和OTN功能于一體，在統(tǒng)一交換單元下可同時支持VC/Packet/ODUk交換。如圖4所示為統(tǒng)一交換技術架構。

圖4 同時支持VC/Packet/ODUk交換技術架構

3.2 光交叉技術

POTN是面向萬物互聯(lián)的承載網(wǎng)優(yōu)化的OTN，支持OXC（光交叉連接），如圖5所示，采用全光背板OXC系統(tǒng)，支持多級導向，高可靠結構連接，波長標簽可追蹤，光層節(jié)點實時監(jiān)測。

圖5 全光交叉結構示意

3.3 剛柔管道隔離技術

POTN是基于分組增強型OTN設備，進一步增強L2/L3分組轉發(fā)技術，并簡化傳統(tǒng)OTN映射復用結構、開銷和管理控制的復雜度，降低設備成本、降低時延、實現(xiàn)帶寬靈活配置，支持ODU flex+FlexO（靈活速度光數(shù)字單元+靈活速率光端口）提供靈活帶寬能力，滿足物聯(lián)網(wǎng)承載的靈活組網(wǎng)需求。

為支持物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡端到端管理需求，如圖6所示，POTN傳送平面支持在波長、ODU（集光纖配線單元）、VC這些硬管道上進行隧道隔離，也支持在以太網(wǎng)和MPLS-TP（多協(xié)議標簽交換擴展）分組的軟管道上進行隧道隔離，并且網(wǎng)絡實現(xiàn)管控協(xié)同，剛柔管道按需配置和調整，并安全隔離。

（1）L2/L3層分組轉發(fā)層技術：為信息采集類業(yè)務、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)業(yè)務提供靈活連接調度和統(tǒng)計復用功能。

（2）L1層TDM通道層技術：TDM通道技術不僅可以為物聯(lián)網(wǎng)三大類業(yè)務應用（eMBB，uRLLC和mMTC）提供支持硬管道隔離、OAM、保護和低時延的網(wǎng)絡服務，并且為精準負控和調度自動化等專線提供高安全和低時延服務能力。

（3）L0層光層大帶寬技術：視頻傳送和管理信息化大帶寬業(yè)務需要承載網(wǎng)絡具備L0的單通路高速光接口和多波長的光層傳輸、組網(wǎng)和調度能力。

圖6 業(yè)務管道隔離承載

4 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)應用分析

4.1 網(wǎng)絡現(xiàn)狀及問題

現(xiàn)有的電力通信網(wǎng)組網(wǎng)結構，以SDH，OTN，PTN各自獨立組網(wǎng)，在省級骨干網(wǎng)采用MSTP+OTN/WDM的模式、地市級骨干網(wǎng)采用SDH/MSTP/PTN的模式。獨立組網(wǎng)模式逐漸暴露弊端。首先，著眼于不同網(wǎng)絡層次的SDH網(wǎng)絡、PTN網(wǎng)絡和OTN網(wǎng)絡往往由于供貨廠商不同、建設期不同導致建設及運維成本高，調度和管理難度不斷增大；另外，SDH和PTN網(wǎng)絡缺少承載大顆粒業(yè)務和大帶寬、低成本、長距離傳送能力，OTN網(wǎng)絡缺少帶寬靈活管理能力及L3 VPN功能，三者在承載業(yè)務方面均有不足之處；最后，SDH，OTN和PTN單獨組網(wǎng)使傳輸承載網(wǎng)結構及層次變得復雜，且占用了較多的機房空間、電源及管線資源，不利于傳輸承載網(wǎng)的可持續(xù)性發(fā)展。

4.2 應用場景

POTN技術能有效簡化傳統(tǒng)電力通信網(wǎng)絡的層級，使業(yè)務調度、網(wǎng)絡管理更為便捷，提供全業(yè)務、全方位且多元化的優(yōu)質通信服務，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)提供大帶寬、高可靠、高安全的通信網(wǎng)絡傳輸通道與堅強支撐。在電力系統(tǒng)中有以下幾個方面的應用：

（1）基于VC的交叉，可實現(xiàn)毫秒級低時延，適合電力繼保業(yè)務和對實時性要求高的控制類業(yè)務傳輸。典型應用如電網(wǎng)調度自動化、配電控制數(shù)據(jù)和命令的可靠傳輸。提升接入網(wǎng)絡應急保障，從而幫助建立新一代智慧調控系統(tǒng)，探索數(shù)據(jù)匯集分析在調控領域的應用，構建大型能源互聯(lián)系統(tǒng)全景認知，推動調控模式從生產調控向生產服務融合調控轉變。應用作業(yè)管控終端和視頻識別技術，實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場智能管控。

（2）基于分組業(yè)務交叉，具備更高的組網(wǎng)靈活性和容量擴展性，為以太網(wǎng)等分組業(yè)務提供更高QoS（服務質量）保障。典型應用如電力無線230 MHz專網(wǎng)IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）化回傳業(yè)務的傳輸，配網(wǎng)xPON回傳業(yè)務承載，用電信息采集數(shù)據(jù)應用，以及變電站設備智能機器人巡檢數(shù)據(jù)上傳等。實現(xiàn)終端泛在安全接入共享，從而建設和完善“端、場、邊、管、云”新一代信息通信基礎架構，夯實泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的物質基礎。POTN能幫助開展邊緣物聯(lián)安全代理應用研究，制定適用不同業(yè)務場景的邊緣物聯(lián)安全代理部署原則，實現(xiàn)終端層多種通信協(xié)議終端的泛在接入和安全共享。POTN能幫助開展物聯(lián)終端規(guī)?；渴鸷椭悄芑?，推動跨專業(yè)數(shù)據(jù)同源采集，實現(xiàn)配電側和用電側采集監(jiān)控深度覆蓋、客戶側和發(fā)電側廣度延伸。開展物聯(lián)終端安全檢測技術研究，實現(xiàn)物聯(lián)終端異常行為實時感知，重點對智能電表、分布式光伏、電動汽車充電樁、移動巡檢終端、智能配電終端等物聯(lián)終端潛在安全風險開展分析和監(jiān)測，確保終端的可信互聯(lián)和安全互動。

圖7 POTN技術網(wǎng)絡傳輸

（3）基于ODU交叉，實施對大容量業(yè)務的靈活調度。在電力信息網(wǎng)IP骨干網(wǎng)流量急劇增長的情況下，核心路由器面臨著巨大的處理與擴容壓力，POTN的L1或L2層實現(xiàn)中轉業(yè)務分流（IP offloading），可解決核心路由器的擴容壓力、高成本等問題，針對未來核心路由器之間100GE高速互聯(lián)，POTN傳送的帶寬效率和可靠性提高，也為降低網(wǎng)絡的綜合成本提供幫助。典型應用如電力圖像監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)骨干鏈路等數(shù)據(jù)類業(yè)務的傳輸。推進POTN網(wǎng)絡應用，開展傳統(tǒng)大容量業(yè)務及新興業(yè)務接入，強化數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務接入，開展數(shù)據(jù)通信網(wǎng)方式調整和視頻監(jiān)控、機器人巡檢等大顆粒以太網(wǎng)業(yè)務承載等相關工作。

以杭州公司為例，目前杭州地區(qū)除淳安地形大量水域原因外，其他35 kV及以上變電所通信站均實現(xiàn)雙方向及以上光纜聯(lián)通，地縣匯聚層傳輸網(wǎng)帶寬為10 Gb/s。應用POTN技術建成如圖7所示的傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)毫秒級低時延、更高的組網(wǎng)靈活性和容量擴展性、對大容量業(yè)務的靈活調度，就能大幅促進寬帶網(wǎng)絡能力持續(xù)提升，幫助深入推進通信“廣覆蓋、大連接”實施，建成網(wǎng)架可靠、接入靈活、高速暢通、技術先進的寬帶網(wǎng)絡基礎設施。實現(xiàn)杭州C類及以上區(qū)域光纖網(wǎng)絡全覆蓋，提升省地骨干網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)帶寬到200 G以上，地縣骨干帶寬到100G，支撐視頻、圖像、語音等大帶寬業(yè)務快速發(fā)展，重要保電通信站設備雙配置。建設和完善“端、場、邊、管、云”新一代信息通信基礎架構，夯實泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的物質基礎。

4.3 發(fā)展趨勢

在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)“端、場、邊、管、云”五大角色中，通信負責“管”的傳輸和“端”的接入，在感知層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層和應用層的4個層級中，通信主要在感知層和網(wǎng)絡層對電網(wǎng)起全面的“基礎支撐”作用。

其中，在網(wǎng)絡層，POTN能夠實現(xiàn)光層和分組電路層的統(tǒng)一靈活調度和互通，可以根據(jù)需求靈活配置SDH，OTN、分組數(shù)據(jù)等多種業(yè)務。POTN能完成兩個或多個平面的功能，極大簡化未來泛在電力物聯(lián)網(wǎng)承載網(wǎng)的網(wǎng)絡層次及復雜度，高效率、高質量和靈活性得以綜合實現(xiàn)。此外，POTN還可節(jié)省機房空間，減少機房電源、管線資源等方面的支出。

5 總結與展望

電力通信網(wǎng)絡融合及扁平化是未來的發(fā)展趨勢，而加快推進泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設是當前國家電網(wǎng)最緊迫、最重要的任務。為此迫切需要一種全業(yè)務統(tǒng)一承載、統(tǒng)一管理的傳輸平臺。POTN兼具了SDH，OTN和PTN的主要功能特性，支持超大交叉容量（超10T級）、業(yè)務無阻塞統(tǒng)一的自由調度、SDH/OTN/ETH/SAN業(yè)務統(tǒng)一接入、超大帶寬100G+速率演進，且能完成兩個或多個平面的功能，在不同的域內可能采用不同的網(wǎng)絡技術，或者在同一網(wǎng)絡域內具備多層網(wǎng)絡技術，具備多層、多域的網(wǎng)絡管控功能，是傳統(tǒng)SDH和OTN產品適應分組化發(fā)展的演進方向，也是新一代大容量PTN設備的發(fā)展趨勢。

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設需要一張POTN，以增強電力通信網(wǎng)的骨干網(wǎng)健壯性、延展接入網(wǎng)接入范圍、強化泛在接入能力為目標，打造一個堅強、安全、可靠、靈活、泛在的一體化電力通信網(wǎng)絡。隨著POTN技術和產品的進一步成熟，將在電力系統(tǒng)內得到廣泛應用，為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)提供大帶寬、高可靠、高安全的通信網(wǎng)絡傳輸通道與堅強支撐。