面向泛在電力物聯網的傳輸網發展分析

丁偉強，黃宏波，曹 靜，張 倩，陳德平

（1.國網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年國網公司提出建設“三型兩網，世界一流”能源互聯網企業的重大戰略目標，為電網企業的未來發展指明了方向。泛在電力物聯網是與堅強智能電網“同生共存”的公司“第二張網”，承載貫通電網傳統業務和新興業務的數據流和業務流。泛在電力物聯網發展，承載網要先行，本著這個原則，對電力傳輸網發展技術進行分析和推進。面向物聯網的承載結構與業務多樣化的技術方案成為關注的焦點。結合物聯網的主要特性，分析了電力承載網的發展，為泛在電力物聯網的傳輸網發展部署奠定基礎，全力支撐和迎接泛在電力物聯網規模應用的到來。

1 泛在電力物聯網業務特點及承載需求

1.1 泛在電力物聯網業務需求

國網對泛在電力物聯網目前規劃有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；三是支持企業經營管理和智慧黨建的企業管理云。物聯網業務種類繁多、流向多、業務復雜，需要有效調度，滿足差異化業務需求，多業務綜合承載，實現泛在連接。

1.2 泛在電力物聯網業務特點

面向電力物聯網的傳統業務和新興業務，業務承載差異化需求明顯，表現在：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，實現萬物互聯，為減少網絡阻塞瓶頸，需要大規模的機器類通信；輸變電3D實景三維圖像傳輸、超高清視頻監控、云存取，需要承載網提供超大帶寬。與物聯網相對應的業務類型有：信息采集類：mMTC（大規模機器通信）；控制類：uRLLC（高可靠低時延通信）；視頻監控類：eMBB（增強型移動寬帶）；數據中心業務：BB（寬帶）等。

1.3 泛在電力物聯網技術架構

從技術架構上看，泛在電力物聯網整體構架包含感知層、網絡層、平臺層、應用層4層結構，如圖1所示，泛在電力物聯網通過感知層實現終端數據采集，網絡層實現近場通信、遠程通信和安全接入，平臺層實現一次錄入處處應用，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，網絡層的重點是構建“空天地”協同一體化電力泛在通信網，增強網絡帶寬，提升網絡資源調配能力，實現網絡深層全覆蓋，包括骨干網、接入網等方面。其中骨干網包括傳輸網、業務網、支撐網，骨干網通常采用SDH（數字同步系列）、OTN（光傳送網）、WDM（波分復用）、PTN（分組傳送網）等技術，接入網采用XPON（無源光網絡）、工業以太網、LTE（長期演進）無線專網、中壓電力線載波、北斗、2G/3G/4G/5G無線公網等多種技術。

圖1 泛在電力物聯網整體構架示意

1.4 泛在電力物聯網承載需求

泛在電力物聯網新型業務特性變化為承載技術的新一輪快速發展提供了契機，對承載網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。

需要對現有網絡的業務處理方式進行改進，使得高可靠性業務的帶寬、時延是可預期、可保證的，不會受到其它業務的沖擊，夯實基礎支撐，對傳輸網絡層提出更高訴求。而現有的傳輸網絡都為單一數據傳輸方式，不能同時滿足高速TDM（時分復用）專線、分組交換的全業務傳送需求。傳統“PTN+OTN”或“MSTP+DWDM/OTN（多業務平臺+密集波分復用/光傳送網）”多層網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網大帶寬、高可靠、高安全的發展需求。

2 面向泛在電力物聯網的傳輸網承載方案

為應對泛在電力物聯網的發展戰略，提出了一種新的融合承載信息傳輸網發展方案POTN（分組光傳送網絡）。POTN是集成OTN，TDM和分組技術于一身的統一傳送平臺，深度融合分組傳送和光傳送技術，提供多業務、大容量、長距離的信息承載方式。POTN根據業務的類型選擇最佳的傳送方式，可以有效減少網元種類。目前，以POTN為代表的多業務復合技術，已成為光傳送網領域新的發展熱點。

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

2.1 容量規劃

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

2.2 速率規劃

容量大于40G后，100G較10G成本優勢體現；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；核心環路按照10G/100G公共部分兼容設計。

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

圖2 POTN電力通信骨干網架構

物聯網承載網發展向管道化演進，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的承載平臺，具備分層組網架構和多業務統一承載能力。

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

圖3 統一承載能力平臺

3 泛在電力物聯網傳輸網關鍵技術

POTN的關鍵技術主要包括統一交換技術、光交叉技術、剛柔管道隔離技術等，來實現管道化業務的網絡傳送。

3.1 統一交換技術

POTN能夠支持基于信元交換的統一交換矩陣，對各種業務協議透明；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，實現分組數據和TDM/OTN之間的靈活適配與互通。VC/Packet/ODUk（虛容器/分組包/通路數據單元）采用統一信元交換，基于統一信元交換內核的POTN設備，具備超大容量多粒度電交叉，自由調度統一交換架構，支持時分復用和分組交換的統一數據傳送，融合PTN和OTN功能于一體，在統一交換單元下可同時支持VC/Packet/ODUk交換。如圖4所示為統一交換技術架構。

圖4 同時支持VC/Packet/ODUk交換技術架構

3.2 光交叉技術

POTN是面向萬物互聯的承載網優化的OTN，支持OXC（光交叉連接），如圖5所示，采用全光背板OXC系統，支持多級導向，高可靠結構連接，波長標簽可追蹤，光層節點實時監測。

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分組轉發技術，并簡化傳統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、實現帶寬靈活配置，支持ODU flex+FlexO（靈活速度光數字單元+靈活速率光端口）提供靈活帶寬能力，滿足物聯網承載的靈活組網需求。

為支持物聯網網絡端到端管理需求，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，也支持在以太網和MPLS-TP（多協議標簽交換擴展）分組的軟管道上進行隧道隔離，并且網絡實現管控協同，剛柔管道按需配置和調整，并安全隔離。

（1）L2/L3層分組轉發層技術：為信息采集類業務、數據中心互聯業務提供靈活連接調度和統計復用功能。

（2）L1層TDM通道層技術：TDM通道技術不僅可以為物聯網三大類業務應用（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務需要承載網絡具備L0的單通路高速光接口和多波長的光層傳輸、組網和調度能力。

圖6 業務管道隔離承載

4 泛在電力物聯網應用分析

4.1 網絡現狀及問題

現有的電力通信網組網結構，以SDH，OTN，PTN各自獨立組網，在省級骨干網采用MSTP+OTN/WDM的模式、地市級骨干網采用SDH/MSTP/PTN的模式。獨立組網模式逐漸暴露弊端。首先，著眼于不同網絡層次的SDH網絡、PTN網絡和OTN網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網絡缺少承載大顆粒業務和大帶寬、低成本、長距離傳送能力，OTN網絡缺少帶寬靈活管理能力及L3 VPN功能，三者在承載業務方面均有不足之處；最后，SDH，OTN和PTN單獨組網使傳輸承載網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，不利于傳輸承載網的可持續性發展。

4.2 應用場景

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

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

（2）基于分組業務交叉，具備更高的組網靈活性和容量擴展性，為以太網等分組業務提供更高QoS（服務質量）保障。典型應用如電力無線230 MHz專網IP（互聯網協議）化回傳業務的傳輸，配網xPON回傳業務承載，用電信息采集數據應用，以及變電站設備智能機器人巡檢數據上傳等。實現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，夯實泛在電力物聯網的物質基礎。POTN能幫助開展邊緣物聯安全代理應用研究，制定適用不同業務場景的邊緣物聯安全代理部署原則，實現終端層多種通信協議終端的泛在接入和安全共享。POTN能幫助開展物聯終端規模化部署和智能化升級，推動跨專業數據同源采集，實現配電側和用電側采集監控深度覆蓋、客戶側和發電側廣度延伸。開展物聯終端安全檢測技術研究，實現物聯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終端潛在安全風險開展分析和監測，確保終端的可信互聯和安全互動。

圖7 POTN技術網絡傳輸

（3）基于ODU交叉，實施對大容量業務的靈活調度。在電力信息網IP骨干網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層實現中轉業務分流（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，POTN傳送的帶寬效率和可靠性提高，也為降低網絡的綜合成本提供幫助。典型應用如電力圖像監控、數據通信網骨干鏈路等數據類業務的傳輸。推進POTN網絡應用，開展傳統大容量業務及新興業務接入，強化數據網業務接入，開展數據通信網方式調整和視頻監控、機器人巡檢等大顆粒以太網業務承載等相關工作。

以杭州公司為例，目前杭州地區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雙方向及以上光纜聯通，地縣匯聚層傳輸網帶寬為10 Gb/s。應用POTN技術建成如圖7所示的傳輸網絡，實現毫秒級低時延、更高的組網靈活性和容量擴展性、對大容量業務的靈活調度，就能大幅促進寬帶網絡能力持續提升，幫助深入推進通信“廣覆蓋、大連接”實施，建成網架可靠、接入靈活、高速暢通、技術先進的寬帶網絡基礎設施。實現杭州C類及以上區域光纖網絡全覆蓋，提升省地骨干網和數據網帶寬到200 G以上，地縣骨干帶寬到100G，支撐視頻、圖像、語音等大帶寬業務快速發展，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，夯實泛在電力物聯網的物質基礎。

4.3 發展趨勢

在泛在電力物聯網“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、網絡層、數據層和應用層的4個層級中，通信主要在感知層和網絡層對電網起全面的“基礎支撐”作用。

其中，在網絡層，POTN能夠實現光層和分組電路層的統一靈活調度和互通，可以根據需求靈活配置SDH，OTN、分組數據等多種業務。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網承載網的網絡層次及復雜度，高效率、高質量和靈活性得以綜合實現。此外，POTN還可節省機房空間，減少機房電源、管線資源等方面的支出。

5 總結與展望

電力通信網絡融合及扁平化是未來的發展趨勢，而加快推進泛在電力物聯網建設是當前國家電網最緊迫、最重要的任務。為此迫切需要一種全業務統一承載、統一管理的傳輸平臺。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）、業務無阻塞統一的自由調度、SDH/OTN/ETH/SAN業務統一接入、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絡技術，或者在同一網絡域內具備多層網絡技術，具備多層、多域的網絡管控功能，是傳統SDH和OTN產品適應分組化發展的演進方向，也是新一代大容量PTN設備的發展趨勢。

泛在電力物聯網建設需要一張POTN，以增強電力通信網的骨干網健壯性、延展接入網接入范圍、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絡。隨著POTN技術和產品的進一步成熟，將在電力系統內得到廣泛應用，為泛在電力物聯網提供大帶寬、高可靠、高安全的通信網絡傳輸通道與堅強支撐。