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通信網行業需求及定制化方向

1配用電通信網業務定位

智能配用電業務按信息應用大體可分為3類[7]:栙對配電網及其設備的遠程監控,涉及配電自動化、配電變壓器監控等環節;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;栛現場視頻、語音、數據等輔助業務。從信息內容來看,前2類業務直接參與電力生產過程,是電力公司的核心業務。承載這2類業務的配用電通信網絡既具有傳統工業控制系統的實時性、安全性要求,又有網絡化后的廣域多點接入要求,體現了“廣域工業控制網暠的特征。而最后一類生產輔助業務與公共電信業務沒有實質性區別[8]。從信息流模型來看,前2類業務系統的終端沿電力線逐級分布,主站設備設置在公司、變電站等電網匯聚點,其信息流向和容量特征與電能流特征類似。而后一類業務則是由生產的組織方式決定,與電網結構關系不緊密。因此,從信息層角度來看,前2類業務是具備前文所述的工業控制特征和電網結構特征的信息業務,是新一代智能配用電通信網的主要服務對象和發展驅動力。

2通信網絡結構和承載需求

平臺化要求。通信網絡的平臺化將為綜合業務提供有效的承載服務,同時提高網絡利用率。通信和信息平臺化模型如圖2所示,由面向各業務部門的應用層、承擔信息處理任務的信息層以及實現信息傳輸的通信層組成。這要求配用電通信網既要考慮對信息層各項配用電業務的綜合承載能力,也要解決通信層不同設備間的接口統一、管理統一、資源備份、擴展能力等問題。

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

安全性要求。配用電業務系統處于網絡邊緣,應對其業務內容和用戶身份進行加密/認證。還需要保障通信網絡傳輸通道和遠端設備的安全,即數據包(如IP,MAC,TCP)和設備的保密性、可用性和完整性:栙通過獨占傳輸介質或邏輯物理通道實現物理隔離,防止信息的物理介質泄露;栚采用WPA,IPsec,SSL等傳輸通道加密算法,防止通信數據包(MAC,IP,TCP)內容外泄;栛采取遠端設備的接入認證、用戶鑒權以及數據包過濾等措施,防止非法通信設備和數據包進入網絡;栜通過網絡地址轉換(NAT)和隔離區(DMZ)等措施將關鍵的信息設備隱藏,減少被攻擊的可能性。

3智能電網的工業控制特殊需求

面向業務的剛性管道分配能力。智能電網控制類業務的信息傳輸要求其通信網絡具有“終端—主站的全程剛性管道暠保障,以避免業務復用信道資源帶來的擁塞延時、信息泄漏等問題[9灢11]。工業控制網更趨向“電路交換暠的專用通道方式,而非公共電信網的帶寬復用方式。前者更強調保障工業控制信息的實時性、可靠性和安全性,后者則側重提高帶寬綜合利用率。因此,配用電通信網的資源分配策略需要在現有電信網的基礎上重新設計,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,也可以根據業務模型周期性獨占。

通信與信息深度一體化能力。智能電網通信網存在技術要求高與綜合利用率低的矛盾,采取與信息網協同建設,向更高層面的ICT(information,communication,technology)方向發展是解決問題的有效途徑。公共電信網由于其規模龐大,信息用戶與網絡運營商分離,難以做到通信和信息網的定制融合。而電力公司可以通過信息和通信平臺的深度一體化定制,提高網絡利用率和運行效果。可以說,智能電網通信網比公共電信網在ICT方面具有更強烈的需求和更好的實現條件。首先,公共電信網的用戶數量、業務隨機性很強,無法準確估計信息流并配置相應資源;作為企業網,配用電通信網的終端設備位置、網絡狀態、業務流程都可以按確定性指標設計,從而為通信層的定制設計及動態配置提供了可能。配用電網的ICT建設可考慮以下技術要點。1)信息層的流程優化。從時間、空間等物理維度安排不同等級業務的處理和傳輸間隔,平滑網絡負荷、提高信道利用率。同時,從信息層隔離業務,降低通信層的實現復雜度。2)配電網終端數量多、單點數據量小,一方面采用信息匯聚存儲、集中發送的模式,減少通信網的并發終端數和接入規模;另一方面采用分布式信息系統,通過“本地數據暠的預處理減少配用電網絡中壓段的信息傳輸量。3)信息網和通信網采用統一或可互參考的信息服務質量描述,便于一體化設計。信息與通信時間的統一則有效支持了電力信息的時間同步能力。其次,傳統的企業信息網采用了面向服務的體系結構(SOA)實現不同應用系統的信息共享。該總線由多個專用服務器和存儲器組成,每個業務部門都有獨立的信息網絡建設和運維負擔。隨著配用電網的智能化建設,二次系統向網絡化、廣域化、跨專業化發展,分割獨立的信息和通信系統既不經濟,也不利于整個智能配用電網的運行。ICT系統通過信息與通信網的一體化建設和資源共享來支持不同的業務部門的應用,弱化了信息與通信平臺的界限,其建設需要考慮信息結構3個平面的問題。1)在數據平面,主要從智能電網的信息應用、信息處理和傳輸的角度討論信息的采集、處理、分發、存儲、傳遞,從而將SOA推向類似服務導向網絡架構(SONA)的結構。2)在控制平面推動網絡虛擬化,將原有參數化的網絡資源優化發展為結構化的網絡動態重構,實現計算、存儲和通信網絡的虛擬化。3)在管理平面實現信息與通信的一體化運維管理。ICT系統的深度融合對原有的層次化、區域化分割的配置、監控、安全等技術都帶來挑戰,需要構造面向ICT的信息與通信的統一管理平臺。

配用電通信網技術體制

1智能配用電通信網標準

智能配用電通信網是多種通信技術的混合組網,需要選擇適應于廣域工業控制網的標準體系。小規模局域網主要源于IEEE802協議簇,這類“輕量級暠局域網易于工程實施,但網絡規模和通信距離受限。大規模組網則需要依靠ITU和3GPP等電信標準,以解決大量終端設備和不同接入網絡技術帶來的帶寬消耗、業務控制和網絡管理等問題。工業以太網、以太無源光網絡(EPON)和全球微波互聯接入(WiMAX)、多載波無線信息本地環路(McWill)等數據通信網絡技術多適用于小規模的網絡建設,通用分組無線服務(GPRS),3G,4G,長期演進(LTE)這類電信級標準則是大規模組網技術的參考。如圖3所示,配用電通信網是廣域工業控制通信網,是ICT技術向工業領域滲透的結果,既有廣域網特征,又有工業控制通信要求。考慮到接入網的投資、建設、運維規模、產業鏈等問題,較合理的技術路線應該是在現有電信廣域網技術體系的基礎上,以工業控制通信技術的實時、安全性能為細節特征,進行工業化、行業化定制(這種定制的方向就是智能工業、物聯網的方向)。

2業務承載與通信網絡規劃

信息傳輸信道設計從帶寬效率、可靠性和隔離能力考慮智能配用電通信網絡的信息傳輸通道設計原則如下。1)配用電網信息節點多,單點數據量小,應避免數據包過度封裝從而降低通信帶寬效率。2)經典的TCP/IP協議簇建立在統計復用基礎上,而控制信息傳輸需要通過有效的通信資源管理技術,構建“電路型暠可靠通道。3)配用電業務有不同的安全等級,在遵循“橫向隔離、縱向受控暠的設計原則下,通過通信網絡平臺化來提升網絡可用性。

通信網時鐘考慮。通信網絡不僅僅是信息傳輸通道,還應考慮時鐘同步以支持配用電業務需求。全球定位系統(GPS)等外基準同步體系受到安裝位置和成本限制,而采用通信網絡的同步協議可支持時鐘無縫傳遞到電力終端設備,體現了智能電網ICT的需求和思路。

通信網接口適配。配用電通信網需要考慮不同技術體制的接入網之間以及接入網與骨干網之間的接口。從縱向信息結構層次來看,考慮信息功能(協議)層次的對接。從橫向通信網系來看,考慮多種標準協議關口匹配問題,例如:采用ITU標準的骨干網與采用IEEE標準的接入網之間需要實現業務優先級、對等資源預留控制措施之間的匹配。

通信網絡運行控制。作為具有層次和區域特征的網絡,配用電通信網需要考慮運行控制能力。1)規模化的網絡需要將實際通信網絡劃分為多層和多個邏輯子網絡。網絡劃分將引起網絡帶寬、可靠性、可用性和安全性問題:一層網絡技術最簡單,但業務承載效率最低;二層網絡組建相對簡單且業務承載效率高;而三層網絡具備故障條件下的重路由能力,可以提高業務傳輸的可靠性。應根據配用電業務信息的整合情況劃分網絡。2)配用電信息穿透通信網絡需要考慮業務在網絡中的尋址問題。地址分為物理地址和邏輯地址,包括IP和MAC或其他類型的網絡物理地址,以及TCP/UDP等應用進程的邏輯地址。3)配用電通信網安全運行要求對網絡設備和業務實施控制,需要配備相應網絡驗證、授權、數據量統計的AAA(authentication,authorization,accounting)服務器。

網絡綜合運維管理。配用電通信網綜合管理應該考慮設備、線路、租用網絡的綜合管理。綜合網絡管理系統不僅需要實現不同種類和廠商的網絡設備的統一管理,還應增強網絡的故障定位能力。進一步可以考慮與公網的管理系統銜接,對租用的網絡通道進行有效管理。配用電通信網是多種設備的混合,各網絡都有自身的專業網管系統,從技術、管理、商業競爭各方面給綜合管理的實現帶來困難,因此對綜合管理的功能應有合適的定位。目前來看,對混合組網進行“綜合監視暠,對各系統設備、全網運行狀態進行實時監視的定位比較適合電力公司運行方的角色且較易實現。

配用電通信網建設策略

配用電通信網的技術和資產屬性高度混雜,其工程建設需要綜合考慮大網架結構以及工業控制細節特征。

1專網與公網混合組網

考慮到投資規模和行業分工問題,智能配用電通信網絡必然是自建專網與租用電信公網的混合組網。專用網絡主要承載生產控制類核心業務,對于輔助類業務,考慮租用公網為補充,從而獲得更好的性價比。專網建設應堅持“專網技術路線公網化暠的原則。專用技術能更好地滿足實時性、安全性等行業要求,然而其技術成熟度、適應性、擴展性和運維支持都具有不確定性,技術風險和設備成本較高。通過對成熟公網通信技術的行業化定制來滿足電力行業的需求,可以充分分享電信行業的發展成果。租用公網應堅持“公網管理和傳輸方式專網化暠的原則。租用公網業務和通道可以降低電力公司的投資和工作量,但目前公網的網絡結構、傳輸方式并非針對行業用戶設計,國內電信運營商對行業用戶暫時只提供VPN級別的服務,而電力公司還需要考慮遠方終端網絡設備的有效監控、終端到主站的全程剛性管道的控制管理等問題,故在租用公網時還應要求電信運營商在網絡管理和傳輸方式上提供更高層次的服務。電力行業租用公網有分工和成本上的需求,但目前又缺乏有效管理。要求電信企業重點考慮適應工業環境的通信服務,將促成“專網運營商暠的出現,為包括電力行業的不同專業部門,乃至其他工業行業提供工業控制類的行業定制服務。

2通信組網的功能分離與耦合

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

3配用電通信網工程演進策略

平滑演進是智能配用電通信網絡規劃的重要策略,充分利用現有網絡基礎設施保護現有投資,可以有效實施網絡升級與擴容。智能配用電通信網有“廣域寬帶暠和“工業控制暠的特點,而“專網技術公網化,公網管理專網化暠是建設的總體原則。從配用電網核心業務保障層面出發,應該是“專網為主,公網為輔暠;從設備技術選擇層面出發,應該是“光纖為主,無線為輔暠。可以考慮租用公網+專網骨干線覆蓋、公網面覆蓋、專網基本覆蓋、公網補盲+專網全覆蓋的過渡路線,各地根據具體條件選擇建設的起點和終點。

結語

智能配用電網是推動智能電網發展的最后的關鍵步驟,其通信網絡建設是必須克服的發展瓶頸。“廣域工業控制暠是其信息的基本特征,滿足大區域工業控制要求的通信網絡,對電力、電信行業來說都是一個新的技術和市場方向。本文認為:在技術層面上,智能配用電通信網應該走電信接入網技術的工業化定制路線,按照工業控制網帶寬、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;在企業層面上,電力公司應該按“專網技術路線公網化,公網運行管理專網化暠的原則,走專—公結合的平滑建設路線,做到“技術開放,深度定制暠,同時內部與信息網絡充分融合,向深度ICT化發展。為此,還需要在業務信息的整合梳理、通信網功能應用標準化、運維管理標準化、網絡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、重慶大學通信工程學院）