面向泛在电力物联网的传输网发展分析

丁伟强，黄宏波，曹 静，张 倩，陈德平

（1.国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；2.华雁智能科技（集团）股份有限公司，成都 610000）

0 引言

2019年国网公司提出建设“三型两网，世界一流”能源互联网企业的重大战略目标，为电网企业的未来发展指明了方向。泛在电力物联网是与坚强智能电网“同生共存”的公司“第二张网”，承载贯通电网传统业务和新兴业务的数据流和业务流。泛在电力物联网发展，承载网要先行，本着这个原则，对电力传输网发展技术进行分析和推进。面向物联网的承载结构与业务多样化的技术方案成为关注的焦点。结合物联网的主要特性，分析了电力承载网的发展，为泛在电力物联网的传输网发展部署奠定基础，全力支撑和迎接泛在电力物联网规模应用的到来。

1 泛在电力物联网业务特点及承载需求

1.1 泛在电力物联网业务需求

国网对泛在电力物联网目前规划有3个云：一是支持安全生产调度与运行检修的生产控制云；二是支持客户服务和增值服务的公共服务云；三是支持企业经营管理和智慧党建的企业管理云。物联网业务种类繁多、流向多、业务复杂，需要有效调度，满足差异化业务需求，多业务综合承载，实现泛在连接。

1.2 泛在电力物联网业务特点

面向电力物联网的传统业务和新兴业务，业务承载差异化需求明显，表现在：安全等级差异大、带宽要求差异大、接口类型差异大、时延要求差异大。例如：精准负控、配电自动化等，要求极低时延和高可靠性；用电信息采集、电力智能资产管理、分布式能源管理等，要求提供多连接的承载通道，实现万物互联，为减少网络阻塞瓶颈，需要大规模的机器类通信；输变电3D实景三维图像传输、超高清视频监控、云存取，需要承载网提供超大带宽。与物联网相对应的业务类型有：信息采集类：mMTC（大规模机器通信）；控制类：uRLLC（高可靠低时延通信）；视频监控类：eMBB（增强型移动宽带）；数据中心业务：BB（宽带）等。

1.3 泛在电力物联网技术架构

从技术架构上看，泛在电力物联网整体构架包含感知层、网络层、平台层、应用层4层结构，如图1所示，泛在电力物联网通过感知层实现终端数据采集，网络层实现近场通信、远程通信和安全接入，平台层实现一次录入处处应用，应用层全面提升核心智慧化运营能力，最终形成“云-管-边-场-端”架构。

其中，网络层的重点是构建“空天地”协同一体化电力泛在通信网，增强网络带宽，提升网络资源调配能力，实现网络深层全覆盖，包括骨干网、接入网等方面。其中骨干网包括传输网、业务网、支撑网，骨干网通常采用SDH（数字同步系列）、OTN（光传送网）、WDM（波分复用）、PTN（分组传送网）等技术，接入网采用XPON（无源光网络）、工业以太网、LTE（长期演进）无线专网、中压电力线载波、北斗、2G/3G/4G/5G无线公网等多种技术。

图1 泛在电力物联网整体构架示意

1.4 泛在电力物联网承载需求

泛在电力物联网新型业务特性变化为承载技术的新一轮快速发展提供了契机，对承载网络主要带来三大性能需求，即在关键性能方面，“更大带宽、超低时延和高可靠”等性能指标需求非常突出。

需要对现有网络的业务处理方式进行改进，使得高可靠性业务的带宽、时延是可预期、可保证的，不会受到其它业务的冲击，夯实基础支撑，对传输网络层提出更高诉求。而现有的传输网络都为单一数据传输方式，不能同时满足高速TDM（时分复用）专线、分组交换的全业务传送需求。传统“PTN+OTN”或“MSTP+DWDM/OTN（多业务平台+密集波分复用/光传送网）”多层网络架构虽然可以解决带宽和接入问题，但存在建设、运维成本高、占用设备屏位多、方式安排繁琐等问题，无法完全适应泛在电力物联网大带宽、高可靠、高安全的发展需求。

2 面向泛在电力物联网的传输网承载方案

为应对泛在电力物联网的发展战略，提出了一种新的融合承载信息传输网发展方案POTN（分组光传送网络）。POTN是集成OTN，TDM和分组技术于一身的统一传送平台，深度融合分组传送和光传送技术，提供多业务、大容量、长距离的信息承载方式。POTN根据业务的类型选择最佳的传送方式，可以有效减少网元种类。目前，以POTN为代表的多业务复合技术，已成为光传送网领域新的发展热点。

POTN在电力通信网架构，可按四级网络进行部署建设，如图2所示。国干省干为一二级网络，提供超大容量；地区市-县及220 kV网络为三级网，定位灵活调度；县级及110 kV以下，为四级网络，建设规模最大，面向融合承载。因网络重复建设代价巨大，故网络建设的升级改造，需充分考虑前瞻性、扩展性。

2.1 容量规划

市县、汇聚点规划8/16×10G设备。建议：光电层分离、光层子框背靠背，提升安全性，节省电层槽位；电层所有槽位支持100G，集成度更高。

2.2 速率规划

容量大于40G后，100G较10G成本优势体现；10G升级100G需建设时考虑兼容。建议：预留升级槽位，新建预留40%以上，单站电层槽位≥18/10；核心环路按照10G/100G公共部分兼容设计。

根据物联网不同业务的性能特点差异，采用分管道部署方案，目的是解决承载网络如何支持不同类型业务的带宽隔离、确定性低时延和网络可靠性等问题，实现物联网多业务综合承载。POTN方案是基于传统OTN，并增强分组承载技术，简化OTN的演进思路，是OTN适应物联网业务发展趋势。

图2 POTN电力通信骨干网架构

物联网承载网发展向管道化演进，刚性管道、柔性管道、大管道、小管道各种管道并存。建设成一个万物互联的承载平台，具备分层组网架构和多业务统一承载能力。

如图3所示，在一张承载网络中通过网络资源的软、硬管道隔离技术，为不同服务质量需求的客户业务提供所需网络资源的连接服务和性能保障，为电力物联网业务应用提供差异化的承载网服务能力。与此同时，POTN支持与存量PTN，OTN，MSTP（多业务平台）网络设备对接、混合组网，兼容现有网络。

图3 统一承载能力平台

3 泛在电力物联网传输网关键技术

POTN的关键技术主要包括统一交换技术、光交叉技术、刚柔管道隔离技术等，来实现管道化业务的网络传送。

3.1 统一交换技术

POTN能够支持基于信元交换的统一交换矩阵，对各种业务协议透明；其融合的集中交换和背板总线架构支持OTN以及分组的电层疏导与调度，实现分组数据和TDM/OTN之间的灵活适配与互通。VC/Packet/ODUk（虚容器/分组包/通路数据单元）采用统一信元交换，基于统一信元交换内核的POTN设备，具备超大容量多粒度电交叉，自由调度统一交换架构，支持时分复用和分组交换的统一数据传送，融合PTN和OTN功能于一体，在统一交换单元下可同时支持VC/Packet/ODUk交换。如图4所示为统一交换技术架构。

图4 同时支持VC/Packet/ODUk交换技术架构

3.2 光交叉技术

POTN是面向万物互联的承载网优化的OTN，支持OXC（光交叉连接），如图5所示，采用全光背板OXC系统，支持多级导向，高可靠结构连接，波长标签可追踪，光层节点实时监测。

图5 全光交叉结构示意

3.3 刚柔管道隔离技术

POTN是基于分组增强型OTN设备，进一步增强L2/L3分组转发技术，并简化传统OTN映射复用结构、开销和管理控制的复杂度，降低设备成本、降低时延、实现带宽灵活配置，支持ODU flex+FlexO（灵活速度光数字单元+灵活速率光端口）提供灵活带宽能力，满足物联网承载的灵活组网需求。

为支持物联网网络端到端管理需求，如图6所示，POTN传送平面支持在波长、ODU（集光纤配线单元）、VC这些硬管道上进行隧道隔离，也支持在以太网和MPLS-TP（多协议标签交换扩展）分组的软管道上进行隧道隔离，并且网络实现管控协同，刚柔管道按需配置和调整，并安全隔离。

（1）L2/L3层分组转发层技术：为信息采集类业务、数据中心互联业务提供灵活连接调度和统计复用功能。

（2）L1层TDM通道层技术：TDM通道技术不仅可以为物联网三大类业务应用（eMBB，uRLLC和mMTC）提供支持硬管道隔离、OAM、保护和低时延的网络服务，并且为精准负控和调度自动化等专线提供高安全和低时延服务能力。

（3）L0层光层大带宽技术：视频传送和管理信息化大带宽业务需要承载网络具备L0的单通路高速光接口和多波长的光层传输、组网和调度能力。

图6 业务管道隔离承载

4 泛在电力物联网应用分析

4.1 网络现状及问题

现有的电力通信网组网结构，以SDH，OTN，PTN各自独立组网，在省级骨干网采用MSTP+OTN/WDM的模式、地市级骨干网采用SDH/MSTP/PTN的模式。独立组网模式逐渐暴露弊端。首先，着眼于不同网络层次的SDH网络、PTN网络和OTN网络往往由于供货厂商不同、建设期不同导致建设及运维成本高，调度和管理难度不断增大；另外，SDH和PTN网络缺少承载大颗粒业务和大带宽、低成本、长距离传送能力，OTN网络缺少带宽灵活管理能力及L3 VPN功能，三者在承载业务方面均有不足之处；最后，SDH，OTN和PTN单独组网使传输承载网结构及层次变得复杂，且占用了较多的机房空间、电源及管线资源，不利于传输承载网的可持续性发展。

4.2 应用场景

POTN技术能有效简化传统电力通信网络的层级，使业务调度、网络管理更为便捷，提供全业务、全方位且多元化的优质通信服务，为泛在电力物联网提供大带宽、高可靠、高安全的通信网络传输通道与坚强支撑。在电力系统中有以下几个方面的应用：

（1）基于VC的交叉，可实现毫秒级低时延，适合电力继保业务和对实时性要求高的控制类业务传输。典型应用如电网调度自动化、配电控制数据和命令的可靠传输。提升接入网络应急保障，从而帮助建立新一代智慧调控系统，探索数据汇集分析在调控领域的应用，构建大型能源互联系统全景认知，推动调控模式从生产调控向生产服务融合调控转变。应用作业管控终端和视频识别技术，实现作业现场智能管控。

（2）基于分组业务交叉，具备更高的组网灵活性和容量扩展性，为以太网等分组业务提供更高QoS（服务质量）保障。典型应用如电力无线230 MHz专网IP（互联网协议）化回传业务的传输，配网xPON回传业务承载，用电信息采集数据应用，以及变电站设备智能机器人巡检数据上传等。实现终端泛在安全接入共享，从而建设和完善“端、场、边、管、云”新一代信息通信基础架构，夯实泛在电力物联网的物质基础。POTN能帮助开展边缘物联安全代理应用研究，制定适用不同业务场景的边缘物联安全代理部署原则，实现终端层多种通信协议终端的泛在接入和安全共享。POTN能帮助开展物联终端规模化部署和智能化升级，推动跨专业数据同源采集，实现配电侧和用电侧采集监控深度覆盖、客户侧和发电侧广度延伸。开展物联终端安全检测技术研究，实现物联终端异常行为实时感知，重点对智能电表、分布式光伏、电动汽车充电桩、移动巡检终端、智能配电终端等物联终端潜在安全风险开展分析和监测，确保终端的可信互联和安全互动。

图7 POTN技术网络传输

（3）基于ODU交叉，实施对大容量业务的灵活调度。在电力信息网IP骨干网流量急剧增长的情况下，核心路由器面临着巨大的处理与扩容压力，POTN的L1或L2层实现中转业务分流（IP offloading），可解决核心路由器的扩容压力、高成本等问题，针对未来核心路由器之间100GE高速互联，POTN传送的带宽效率和可靠性提高，也为降低网络的综合成本提供帮助。典型应用如电力图像监控、数据通信网骨干链路等数据类业务的传输。推进POTN网络应用，开展传统大容量业务及新兴业务接入，强化数据网业务接入，开展数据通信网方式调整和视频监控、机器人巡检等大颗粒以太网业务承载等相关工作。

以杭州公司为例，目前杭州地区除淳安地形大量水域原因外，其他35 kV及以上变电所通信站均实现双方向及以上光缆联通，地县汇聚层传输网带宽为10 Gb/s。应用POTN技术建成如图7所示的传输网络，实现毫秒级低时延、更高的组网灵活性和容量扩展性、对大容量业务的灵活调度，就能大幅促进宽带网络能力持续提升，帮助深入推进通信“广覆盖、大连接”实施，建成网架可靠、接入灵活、高速畅通、技术先进的宽带网络基础设施。实现杭州C类及以上区域光纤网络全覆盖，提升省地骨干网和数据网带宽到200 G以上，地县骨干带宽到100G，支撑视频、图像、语音等大带宽业务快速发展，重要保电通信站设备双配置。建设和完善“端、场、边、管、云”新一代信息通信基础架构，夯实泛在电力物联网的物质基础。

4.3 发展趋势

在泛在电力物联网“端、场、边、管、云”五大角色中，通信负责“管”的传输和“端”的接入，在感知层、网络层、数据层和应用层的4个层级中，通信主要在感知层和网络层对电网起全面的“基础支撑”作用。

其中，在网络层，POTN能够实现光层和分组电路层的统一灵活调度和互通，可以根据需求灵活配置SDH，OTN、分组数据等多种业务。POTN能完成两个或多个平面的功能，极大简化未来泛在电力物联网承载网的网络层次及复杂度，高效率、高质量和灵活性得以综合实现。此外，POTN还可节省机房空间，减少机房电源、管线资源等方面的支出。

5 总结与展望

电力通信网络融合及扁平化是未来的发展趋势，而加快推进泛在电力物联网建设是当前国家电网最紧迫、最重要的任务。为此迫切需要一种全业务统一承载、统一管理的传输平台。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级）、业务无阻塞统一的自由调度、SDH/OTN/ETH/SAN业务统一接入、超大带宽100G+速率演进，且能完成两个或多个平面的功能，在不同的域内可能采用不同的网络技术，或者在同一网络域内具备多层网络技术，具备多层、多域的网络管控功能，是传统SDH和OTN产品适应分组化发展的演进方向，也是新一代大容量PTN设备的发展趋势。

泛在电力物联网建设需要一张POTN，以增强电力通信网的骨干网健壮性、延展接入网接入范围、强化泛在接入能力为目标，打造一个坚强、安全、可靠、灵活、泛在的一体化电力通信网络。随着POTN技术和产品的进一步成熟，将在电力系统内得到广泛应用，为泛在电力物联网提供大带宽、高可靠、高安全的通信网络传输通道与坚强支撑。