智能配用電通信網(wǎng)的建構(gòu)

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通信網(wǎng)行業(yè)需求及定制化方向

1配用電通信網(wǎng)業(yè)務(wù)定位

智能配用電業(yè)務(wù)按信息應(yīng)用大體可分為3類[7]:栙對配電網(wǎng)及其設(shè)備的遠程監(jiān)控,涉及配電自動化、配電變壓器監(jiān)控等環(huán)節(jié);栚電力公司與終端用戶之間的互動操作,包括用電信息采集和費控、負荷控制、分布式電源接入管理;栛現(xiàn)場視頻、語音、數(shù)據(jù)等輔助業(yè)務(wù)。從信息內(nèi)容來看,前2類業(yè)務(wù)直接參與電力生產(chǎn)過程,是電力公司的核心業(yè)務(wù)。承載這2類業(yè)務(wù)的配用電通信網(wǎng)絡(luò)既具有傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)的實時性、安全性要求,又有網(wǎng)絡(luò)化后的廣域多點接入要求,體現(xiàn)了“廣域工業(yè)控制網(wǎng)暠的特征。而最后一類生產(chǎn)輔助業(yè)務(wù)與公共電信業(yè)務(wù)沒有實質(zhì)性區(qū)別[8]。從信息流模型來看,前2類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的終端沿電力線逐級分布,主站設(shè)備設(shè)置在公司、變電站等電網(wǎng)匯聚點,其信息流向和容量特征與電能流特征類似。而后一類業(yè)務(wù)則是由生產(chǎn)的組織方式?jīng)Q定,與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系不緊密。因此,從信息層角度來看,前2類業(yè)務(wù)是具備前文所述的工業(yè)控制特征和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征的信息業(yè)務(wù),是新一代智能配用電通信網(wǎng)的主要服務(wù)對象和發(fā)展驅(qū)動力。

2通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和承載需求

平臺化要求。通信網(wǎng)絡(luò)的平臺化將為綜合業(yè)務(wù)提供有效的承載服務(wù),同時提高網(wǎng)絡(luò)利用率。通信和信息平臺化模型如圖2所示,由面向各業(yè)務(wù)部門的應(yīng)用層、承擔(dān)信息處理任務(wù)的信息層以及實現(xiàn)信息傳輸?shù)耐ㄐ艑咏M成。這要求配用電通信網(wǎng)既要考慮對信息層各項配用電業(yè)務(wù)的綜合承載能力,也要解決通信層不同設(shè)備間的接口統(tǒng)一、管理統(tǒng)一、資源備份、擴展能力等問題。

傳輸性能要求。配用電業(yè)務(wù)當前處于整合階段,10kV段通信信息量涉及到配電自動化和營銷業(yè)務(wù)流程。配電變壓器監(jiān)測終端(TTU)、饋線終端裝置(FTU)、集中器、采集器等智能終端的單點數(shù)據(jù)量一般在10Kbit/s數(shù)量級,變電站轄區(qū)匯聚數(shù)據(jù)量約在10Mbit/s數(shù)量級。由此可見,工業(yè)控制信息的數(shù)據(jù)量遠比公網(wǎng)多媒體數(shù)據(jù)量小,更注重實時性、可靠性指標。附錄A表A1為典型配用電業(yè)務(wù)承載性能指標,該表為全業(yè)務(wù)流程剛性指標(非統(tǒng)計平均)要求,通信部分可按高一個數(shù)量級來考慮,即通信延時小于100ms,正確率大于99.999%。

安全性要求。配用電業(yè)務(wù)系統(tǒng)處于網(wǎng)絡(luò)邊緣,應(yīng)對其業(yè)務(wù)內(nèi)容和用戶身份進行加密/認證。還需要保障通信網(wǎng)絡(luò)傳輸通道和遠端設(shè)備的安全,即數(shù)據(jù)包(如IP,MAC,TCP)和設(shè)備的保密性、可用性和完整性:栙通過獨占傳輸介質(zhì)或邏輯物理通道實現(xiàn)物理隔離,防止信息的物理介質(zhì)泄露;栚采用WPA,IPsec,SSL等傳輸通道加密算法,防止通信數(shù)據(jù)包(MAC,IP,TCP)內(nèi)容外泄;栛采取遠端設(shè)備的接入認證、用戶鑒權(quán)以及數(shù)據(jù)包過濾等措施,防止非法通信設(shè)備和數(shù)據(jù)包進入網(wǎng)絡(luò);栜通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)和隔離區(qū)(DMZ)等措施將關(guān)鍵的信息設(shè)備隱藏,減少被攻擊的可能性。

3智能電網(wǎng)的工業(yè)控制特殊需求

面向業(yè)務(wù)的剛性管道分配能力。智能電網(wǎng)控制類業(yè)務(wù)的信息傳輸要求其通信網(wǎng)絡(luò)具有“終端—主站的全程剛性管道暠保障,以避免業(yè)務(wù)復(fù)用信道資源帶來的擁塞延時、信息泄漏等問題[9灢11]。工業(yè)控制網(wǎng)更趨向“電路交換暠的專用通道方式,而非公共電信網(wǎng)的帶寬復(fù)用方式。前者更強調(diào)保障工業(yè)控制信息的實時性、可靠性和安全性,后者則側(cè)重提高帶寬綜合利用率。因此,配用電通信網(wǎng)的資源分配策略需要在現(xiàn)有電信網(wǎng)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計,以在保障傳輸性能和提高資源利用率之間取得平衡。上述剛性管道可以永久獨占物理信道資源,也可以根據(jù)業(yè)務(wù)模型周期性獨占。

通信與信息深度一體化能力。智能電網(wǎng)通信網(wǎng)存在技術(shù)要求高與綜合利用率低的矛盾,采取與信息網(wǎng)協(xié)同建設(shè),向更高層面的ICT(information,communication,technology)方向發(fā)展是解決問題的有效途徑。公共電信網(wǎng)由于其規(guī)模龐大,信息用戶與網(wǎng)絡(luò)運營商分離,難以做到通信和信息網(wǎng)的定制融合。而電力公司可以通過信息和通信平臺的深度一體化定制,提高網(wǎng)絡(luò)利用率和運行效果。可以說,智能電網(wǎng)通信網(wǎng)比公共電信網(wǎng)在ICT方面具有更強烈的需求和更好的實現(xiàn)條件。首先,公共電信網(wǎng)的用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)隨機性很強,無法準確估計信息流并配置相應(yīng)資源;作為企業(yè)網(wǎng),配用電通信網(wǎng)的終端設(shè)備位置、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)流程都可以按確定性指標設(shè)計,從而為通信層的定制設(shè)計及動態(tài)配置提供了可能。配用電網(wǎng)的ICT建設(shè)可考慮以下技術(shù)要點。1)信息層的流程優(yōu)化。從時間、空間等物理維度安排不同等級業(yè)務(wù)的處理和傳輸間隔,平滑網(wǎng)絡(luò)負荷、提高信道利用率。同時,從信息層隔離業(yè)務(wù),降低通信層的實現(xiàn)復(fù)雜度。2)配電網(wǎng)終端數(shù)量多、單點數(shù)據(jù)量小,一方面采用信息匯聚存儲、集中發(fā)送的模式,減少通信網(wǎng)的并發(fā)終端數(shù)和接入規(guī)模;另一方面采用分布式信息系統(tǒng),通過“本地數(shù)據(jù)暠的預(yù)處理減少配用電網(wǎng)絡(luò)中壓段的信息傳輸量。3)信息網(wǎng)和通信網(wǎng)采用統(tǒng)一或可互參考的信息服務(wù)質(zhì)量描述,便于一體化設(shè)計。信息與通信時間的統(tǒng)一則有效支持了電力信息的時間同步能力。其次,傳統(tǒng)的企業(yè)信息網(wǎng)采用了面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)(SOA)實現(xiàn)不同應(yīng)用系統(tǒng)的信息共享。該總線由多個專用服務(wù)器和存儲器組成,每個業(yè)務(wù)部門都有獨立的信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運維負擔(dān)。隨著配用電網(wǎng)的智能化建設(shè),二次系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、廣域化、跨專業(yè)化發(fā)展,分割獨立的信息和通信系統(tǒng)既不經(jīng)濟,也不利于整個智能配用電網(wǎng)的運行。ICT系統(tǒng)通過信息與通信網(wǎng)的一體化建設(shè)和資源共享來支持不同的業(yè)務(wù)部門的應(yīng)用,弱化了信息與通信平臺的界限,其建設(shè)需要考慮信息結(jié)構(gòu)3個平面的問題。1)在數(shù)據(jù)平面,主要從智能電網(wǎng)的信息應(yīng)用、信息處理和傳輸?shù)慕嵌扔懻撔畔⒌牟杉?、處理、分發(fā)、存儲、傳遞,從而將SOA推向類似服務(wù)導(dǎo)向網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(SONA)的結(jié)構(gòu)。2)在控制平面推動網(wǎng)絡(luò)虛擬化,將原有參數(shù)化的網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化發(fā)展為結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)重構(gòu),實現(xiàn)計算、存儲和通信網(wǎng)絡(luò)的虛擬化。3)在管理平面實現(xiàn)信息與通信的一體化運維管理。ICT系統(tǒng)的深度融合對原有的層次化、區(qū)域化分割的配置、監(jiān)控、安全等技術(shù)都帶來挑戰(zhàn),需要構(gòu)造面向ICT的信息與通信的統(tǒng)一管理平臺。

配用電通信網(wǎng)技術(shù)體制

1智能配用電通信網(wǎng)標準

智能配用電通信網(wǎng)是多種通信技術(shù)的混合組網(wǎng),需要選擇適應(yīng)于廣域工業(yè)控制網(wǎng)的標準體系。小規(guī)模局域網(wǎng)主要源于IEEE802協(xié)議簇,這類“輕量級暠局域網(wǎng)易于工程實施,但網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和通信距離受限。大規(guī)模組網(wǎng)則需要依靠ITU和3GPP等電信標準,以解決大量終端設(shè)備和不同接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來的帶寬消耗、業(yè)務(wù)控制和網(wǎng)絡(luò)管理等問題。工業(yè)以太網(wǎng)、以太無源光網(wǎng)絡(luò)(EPON)和全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)、多載波無線信息本地環(huán)路(McWill)等數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)多適用于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)建設(shè),通用分組無線服務(wù)(GPRS),3G,4G,長期演進(LTE)這類電信級標準則是大規(guī)模組網(wǎng)技術(shù)的參考。如圖3所示,配用電通信網(wǎng)是廣域工業(yè)控制通信網(wǎng),是ICT技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域滲透的結(jié)果,既有廣域網(wǎng)特征,又有工業(yè)控制通信要求。考慮到接入網(wǎng)的投資、建設(shè)、運維規(guī)模、產(chǎn)業(yè)鏈等問題,較合理的技術(shù)路線應(yīng)該是在現(xiàn)有電信廣域網(wǎng)技術(shù)體系的基礎(chǔ)上,以工業(yè)控制通信技術(shù)的實時、安全性能為細節(jié)特征,進行工業(yè)化、行業(yè)化定制(這種定制的方向就是智能工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)的方向)。

2業(yè)務(wù)承載與通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

信息傳輸信道設(shè)計從帶寬效率、可靠性和隔離能力考慮智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸通道設(shè)計原則如下。1)配用電網(wǎng)信息節(jié)點多,單點數(shù)據(jù)量小,應(yīng)避免數(shù)據(jù)包過度封裝從而降低通信帶寬效率。2)經(jīng)典的TCP/IP協(xié)議簇建立在統(tǒng)計復(fù)用基礎(chǔ)上,而控制信息傳輸需要通過有效的通信資源管理技術(shù),構(gòu)建“電路型暠可靠通道。3)配用電業(yè)務(wù)有不同的安全等級,在遵循“橫向隔離、縱向受控暠的設(shè)計原則下,通過通信網(wǎng)絡(luò)平臺化來提升網(wǎng)絡(luò)可用性。

通信網(wǎng)時鐘考慮。通信網(wǎng)絡(luò)不僅僅是信息傳輸通道,還應(yīng)考慮時鐘同步以支持配用電業(yè)務(wù)需求。全球定位系統(tǒng)(GPS)等外基準同步體系受到安裝位置和成本限制,而采用通信網(wǎng)絡(luò)的同步協(xié)議可支持時鐘無縫傳遞到電力終端設(shè)備,體現(xiàn)了智能電網(wǎng)ICT的需求和思路。

通信網(wǎng)接口適配。配用電通信網(wǎng)需要考慮不同技術(shù)體制的接入網(wǎng)之間以及接入網(wǎng)與骨干網(wǎng)之間的接口。從縱向信息結(jié)構(gòu)層次來看,考慮信息功能(協(xié)議)層次的對接。從橫向通信網(wǎng)系來看,考慮多種標準協(xié)議關(guān)口匹配問題,例如:采用ITU標準的骨干網(wǎng)與采用IEEE標準的接入網(wǎng)之間需要實現(xiàn)業(yè)務(wù)優(yōu)先級、對等資源預(yù)留控制措施之間的匹配。

通信網(wǎng)絡(luò)運行控制。作為具有層次和區(qū)域特征的網(wǎng)絡(luò),配用電通信網(wǎng)需要考慮運行控制能力。1)規(guī)?；木W(wǎng)絡(luò)需要將實際通信網(wǎng)絡(luò)劃分為多層和多個邏輯子網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)劃分將引起網(wǎng)絡(luò)帶寬、可靠性、可用性和安全性問題:一層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)最簡單,但業(yè)務(wù)承載效率最低;二層網(wǎng)絡(luò)組建相對簡單且業(yè)務(wù)承載效率高;而三層網(wǎng)絡(luò)具備故障條件下的重路由能力,可以提高業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃浴?yīng)根據(jù)配用電業(yè)務(wù)信息的整合情況劃分網(wǎng)絡(luò)。2)配用電信息穿透通信網(wǎng)絡(luò)需要考慮業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的尋址問題。地址分為物理地址和邏輯地址,包括IP和MAC或其他類型的網(wǎng)絡(luò)物理地址,以及TCP/UDP等應(yīng)用進程的邏輯地址。3)配用電通信網(wǎng)安全運行要求對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和業(yè)務(wù)實施控制,需要配備相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)驗證、授權(quán)、數(shù)據(jù)量統(tǒng)計的AAA(authentication,authorization,accounting)服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)綜合運維管理。配用電通信網(wǎng)綜合管理應(yīng)該考慮設(shè)備、線路、租用網(wǎng)絡(luò)的綜合管理。綜合網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)不僅需要實現(xiàn)不同種類和廠商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一管理,還應(yīng)增強網(wǎng)絡(luò)的故障定位能力。進一步可以考慮與公網(wǎng)的管理系統(tǒng)銜接,對租用的網(wǎng)絡(luò)通道進行有效管理。配用電通信網(wǎng)是多種設(shè)備的混合,各網(wǎng)絡(luò)都有自身的專業(yè)網(wǎng)管系統(tǒng),從技術(shù)、管理、商業(yè)競爭各方面給綜合管理的實現(xiàn)帶來困難,因此對綜合管理的功能應(yīng)有合適的定位。目前來看,對混合組網(wǎng)進行“綜合監(jiān)視暠,對各系統(tǒng)設(shè)備、全網(wǎng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)視的定位比較適合電力公司運行方的角色且較易實現(xiàn)。

配用電通信網(wǎng)建設(shè)策略

配用電通信網(wǎng)的技術(shù)和資產(chǎn)屬性高度混雜,其工程建設(shè)需要綜合考慮大網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及工業(yè)控制細節(jié)特征。

1專網(wǎng)與公網(wǎng)混合組網(wǎng)

考慮到投資規(guī)模和行業(yè)分工問題,智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)必然是自建專網(wǎng)與租用電信公網(wǎng)的混合組網(wǎng)。專用網(wǎng)絡(luò)主要承載生產(chǎn)控制類核心業(yè)務(wù),對于輔助類業(yè)務(wù),考慮租用公網(wǎng)為補充,從而獲得更好的性價比。專網(wǎng)建設(shè)應(yīng)堅持“專網(wǎng)技術(shù)路線公網(wǎng)化暠的原則。專用技術(shù)能更好地滿足實時性、安全性等行業(yè)要求,然而其技術(shù)成熟度、適應(yīng)性、擴展性和運維支持都具有不確定性,技術(shù)風(fēng)險和設(shè)備成本較高。通過對成熟公網(wǎng)通信技術(shù)的行業(yè)化定制來滿足電力行業(yè)的需求,可以充分分享電信行業(yè)的發(fā)展成果。租用公網(wǎng)應(yīng)堅持“公網(wǎng)管理和傳輸方式專網(wǎng)化暠的原則。租用公網(wǎng)業(yè)務(wù)和通道可以降低電力公司的投資和工作量,但目前公網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳輸方式并非針對行業(yè)用戶設(shè)計,國內(nèi)電信運營商對行業(yè)用戶暫時只提供VPN級別的服務(wù),而電力公司還需要考慮遠方終端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的有效監(jiān)控、終端到主站的全程剛性管道的控制管理等問題,故在租用公網(wǎng)時還應(yīng)要求電信運營商在網(wǎng)絡(luò)管理和傳輸方式上提供更高層次的服務(wù)。電力行業(yè)租用公網(wǎng)有分工和成本上的需求,但目前又缺乏有效管理。要求電信企業(yè)重點考慮適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的通信服務(wù),將促成“專網(wǎng)運營商暠的出現(xiàn),為包括電力行業(yè)的不同專業(yè)部門,乃至其他工業(yè)行業(yè)提供工業(yè)控制類的行業(yè)定制服務(wù)。

2通信組網(wǎng)的功能分離與耦合

智能配用電通信網(wǎng)的平滑演進應(yīng)將功能模塊化,避免單一功能改進對系統(tǒng)的影響。例如:下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)劃分了信息應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)管理控制層、核心傳輸層與接入層,定義了靈活的信息服務(wù)接口與通信接入網(wǎng)絡(luò)接口。電信網(wǎng)絡(luò)由于規(guī)模龐大,其移動網(wǎng)絡(luò)和固網(wǎng)獨立建設(shè),從而降低了運維管理復(fù)雜度。然而,這樣就造成了通信接入網(wǎng)絡(luò)的管道資源、控制和管理設(shè)備的重復(fù)建設(shè)和采購。對于規(guī)模相對較小的電力通信專網(wǎng)則可以在保障功能分離的前提下,通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的耦合減少實際工程中的設(shè)備及其線路資源消耗。例如:采用有線和無線的網(wǎng)絡(luò)緊耦合方式可以提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性、降低投資成本,也充分發(fā)揮了有線通道可靠性與無線通道的靈活性特點。

3配用電通信網(wǎng)工程演進策略

平滑演進是智能配用電通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要策略,充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施保護現(xiàn)有投資,可以有效實施網(wǎng)絡(luò)升級與擴容。智能配用電通信網(wǎng)有“廣域?qū)拵焙汀肮I(yè)控制暠的特點,而“專網(wǎng)技術(shù)公網(wǎng)化,公網(wǎng)管理專網(wǎng)化暠是建設(shè)的總體原則。從配用電網(wǎng)核心業(yè)務(wù)保障層面出發(fā),應(yīng)該是“專網(wǎng)為主,公網(wǎng)為輔暠;從設(shè)備技術(shù)選擇層面出發(fā),應(yīng)該是“光纖為主,無線為輔暠。可以考慮租用公網(wǎng)+專網(wǎng)骨干線覆蓋、公網(wǎng)面覆蓋、專網(wǎng)基本覆蓋、公網(wǎng)補盲+專網(wǎng)全覆蓋的過渡路線,各地根據(jù)具體條件選擇建設(shè)的起點和終點。

結(jié)語

智能配用電網(wǎng)是推動智能電網(wǎng)發(fā)展的最后的關(guān)鍵步驟,其通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是必須克服的發(fā)展瓶頸?！皬V域工業(yè)控制暠是其信息的基本特征,滿足大區(qū)域工業(yè)控制要求的通信網(wǎng)絡(luò),對電力、電信行業(yè)來說都是一個新的技術(shù)和市場方向。本文認為:在技術(shù)層面上,智能配用電通信網(wǎng)應(yīng)該走電信接入網(wǎng)技術(shù)的工業(yè)化定制路線,按照工業(yè)控制網(wǎng)帶寬、實時性、安全性、可靠性等方面的要求,在通道配置、安全策略等方面開展研發(fā);在企業(yè)層面上,電力公司應(yīng)該按“專網(wǎng)技術(shù)路線公網(wǎng)化,公網(wǎng)運行管理專網(wǎng)化暠的原則,走?！Y(jié)合的平滑建設(shè)路線,做到“技術(shù)開放,深度定制暠,同時內(nèi)部與信息網(wǎng)絡(luò)充分融合,向深度ICT化發(fā)展。為此,還需要在業(yè)務(wù)信息的整合梳理、通信網(wǎng)功能應(yīng)用標準化、運維管理標準化、網(wǎng)絡(luò)評價體系等系列問題上開展進步一研究。（本文作者：徐焜耀、徐鑫、侯興哲、胡致遠 單位：重慶市電力公司、重慶大學(xué)通信工程學(xué)院）