采用多業務傳送平臺優化電力SCADA系統通信組網方案

趙 晟

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

隨著我國鐵路事業的飛速發展，高速鐵路大量采用GSM-R、綜合視頻監控、防災安全監控等新技術，區間和站內供電節點數量大大增加，由此帶來電力箱變（RTV）數量增加。按照電力專業相關規范要求，所有電力箱變均需納入電力SCADA系統。如何為電力SCADA系統組織傳輸通道，最簡單可靠的解決方案無疑是采用點對點以太網私有專線（EPL）方式，但工程設計不僅需要考慮方案的可行性，還必須考慮經濟成本。如果采用EPL方式，由于電力箱變數量眾多，且受限于多業務傳送平臺以太網業務VC-12的最小映射顆粒，電力SCADA系統將占用非常大的傳輸帶寬。由于各電力箱變與電力SCADA中心間實際所需傳輸帶寬非常小（≤64 kb/s），如果采用EPL方式，不僅將造成傳輸帶寬資源的極大浪費，給帶寬資源日益緊張的接入層傳輸系統帶來沉重壓力，而且將付出較大的經濟代價（高昂的通道租用費）。因此，如何在滿足電力SCADA系統QoS要求的條件下，找出一個經濟合理的方案，是設計工作中亟待解決的問題。

1 工程概況

新建鐵路福廈線位于福建省境內，北起福州樞紐福州站，南至廈門樞紐廈門站。中鐵二院設計范圍為福州南站（不含）至廈門站（含），鐵路正線全長256.169 km。全線新開車站9個，分別為福清、漁溪、涵江、莆田、仙游、新泉州、泉州南、翔安和廈門西，新開線路所1個，利用既有車站3個，分別為杏林、廈門北（Ⅰ場、Ⅱ場）和廈門。

福廈線傳輸系統分為干線層和接入層2層結構，采用華為OSN系列傳輸設備。干線層采用基于SDH的MSTP組建SDH 10 Gb/s（1+1）MSP傳輸系統。接入層采用MSTP組建SDH 622 Mb/s傳輸系統，站間形成2纖單向通道保護環，如圖1所示。

2 電力SCADA系統的拓撲結構和接入方式

2.1 電力SCADA系統的拓撲結構

福廈線全線共有電力箱變92處，從綜合傳輸系統的組網方式和電力SCADA系統的數據流向分析可知，電力SCADA系統業務為匯聚型業務，其拓撲結構應為樹形，如圖2所示。

2.2 電力SCADA系統的接入方式

因電力SCADA系統組網采用以太網技術，故電力箱變根據與傳輸設備的距離遠近（距離≤100 m采用FE（E）接口，距離＞100 m采用FE（O）接口），通過FE（E）或FE（O）接口與傳輸設備相連。

3 電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用解決方案

3.1 方案比選

3.1.1 使用二層交換機

在各車站接入層傳輸設備和干線層傳輸設備處設置1臺二層交換機，各車站接入層傳輸設備通過以太網板的端口業務匯聚功能，將各點電力SCADA數據匯聚到傳輸設備的1個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1∶N，N≤24），并與二層交換機相連，所有數據通過二層交換機進行統計復用處理后，再與傳輸設備的另一個FE（E）接口相連，通過車站傳輸設備將二層交換機處理后的數據以EPL方式傳至干線層傳輸設備，在干線層傳輸設備處作相同處理后，將數據以EPL方式傳至電力SCADA中心，如圖3所示。

此方案能較好實現電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用，但存在以下缺點：（1）增加了故障點；（2）增加了工程投資；（3）低端二層交換機不能實現網管，無法滿足電力SCADA系統的QoS要求；（4）中高端二層交換機可實現網管，但價格較高，且在本工程中用途單一，無法充分發揮其功能，造成浪費。因此，此方案不失為一個可行的解決方案，但不是最佳解決方案。

3.1.2 利用MSTP技術實現二層交換機式的處理

利用MSTP完全代替二層交換機，通過各層傳輸設備內部處理實現電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用。從表面上看，這無疑是一個最好的解決方案，但看似完美的解決方案卻往往無法實現。這是因為MSTP雖然具有二層交換功能，但其并不是一個真正意義上的二層交換機。MSTP具備在SDH平臺上傳送IP、ATM、TDM等多種業務的能力，但其核心模塊仍然是SDH的交叉矩陣單元，MSTP設備的結構（以OSN 3500為例）如圖4所示。

MSTP的二層交換功能通過以太網業務處理板實現，而以太網業務處理板與二層交換機并不能完全等同，兩者在二層交換的實現方式上有區別，這是由它們本身的結構所決定的。以太網業務處理板的結構（以OSN 3500為例）如圖5所示，二層交換機的結構如圖6所示。

MSTP以太網業務處理板的接口模塊與外部以太網設備相連，完成編解碼和串/并轉換；業務處理模塊完成幀定界、添加/剝離前導碼、生成/終結CRC校驗碼和以太網性能統計等功能，并根據業務形式和配置要求進行流分類（支持MPLS報文格式、L2 MPLS VPN報文格式、Ethernet/VLAN報文格式），依據業務配置添加外層標簽（Tunnel）和內層標簽（VC）雙重標簽實現業務的映射和轉發；封裝模塊完成以太網幀的HDLC（高層數據鏈路控制）、LAPS（鏈路接入協議-SDH）或GFP-F（成幀映射通用成幀規程）封裝和解封裝；映射模塊進行基于VC虛容器或其虛級聯的映射和解映射，并將VC虛容器送入交叉矩陣和從交叉矩陣接收VC虛容器。

二層交換機通過交換機端口模塊完成各種以太網幀信號的接收與發送。交換控制功能模塊是實現對各個端口之間信息交換的控制。交換功能模塊是根據交換控制功能模塊作出的控制決策建立交換機相關端口之間的臨時信息傳輸路徑，通常采用專用集成電路（ASIC）來完成此功能。存儲器區域的主要功能是緩存各端口交換的輸入與輸出幀信息，以便對其進行處理。

通過以上分析可以看出，MSTP與二層交換機在二層交換的實現方式上存在較大差異，主要有2點。

（1）二層交換機是通過端口交換實現二層交換功能，其所有端口之間均可以實現數據幀的交換；而MSTP支持二層交換功能，是在一個或多個用戶側以太網物理接口與一個或多個獨立的系統側的VC通道之間實現基于以太網鏈路層的數據幀交換。兩者之間的巨大差異決定了MSTP無法像二層交換機一樣，對數據進行基于端口交換的統計復用處理。這表明MSTP的以太網業務處理板雖然具備一定的二層交換功能，但它不是一個真正意義上的二層交換機，也不能完全代替二層交換機。

（2）MSTP需要將封裝后的以太網幀映射進VC虛容器，對傳輸帶寬進行固化，無法像二層交換機那樣完全實現帶寬的按需分配。

因此，MSTP無法通過其內部的二層交換處理實現電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用。3.1.3 利用MSTP的二層交換功能進行二次處理

雖然MSTP無法像二層交換機那樣完全實現電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用，但可以利用MSTP的二層交換功能進行二次處理來盡可能實現該功能，具體做法：將已經分別映射到多個VC虛容器的各節點數據，通過傳輸設備以太網板的端口業務匯聚功能從同一個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1：N，N≤24），引出后不作處理，直接與傳輸設備的另一個FE（E）接口相連，將所有數據重新映射到n個VC-12中（n的數值根據業務實際所需帶寬大小確定，由于受限于VC-12的最小映射顆粒，虛容器進行虛級聯后提供的帶寬往往略大于實際所需帶寬，無法實現完全意義上的帶寬按需分配），實現電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用。

此種方式優點：（1）實現簡單；（2）所有處理均由MSTP傳輸設備完成，安全可靠；（3）節省投資；（4）充分利用MSTP傳輸設備的二層交換功能，做到物盡其用；（5）完全滿足電力SCADA系統的QoS要求。因此，此方案無疑是當前條件下最好的選擇。

3.2 電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用解決方案

從前面的分析知道，電力SCADA系統的拓撲結構為樹形，從分層的角度來看，電力SCADA系統數據分為區間接入層、車站接入層和干線層3個層次進行處理，也就是說電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用應由3個層次的傳輸設備完成。因此，其解決方案也分為3個層次。

（1）區間接入層解決方案

各電力箱變通過FE（E）或FE（O）接口就近接入區間接入層傳輸設備，區間接入層傳輸設備將各電力箱變傳來的數據分別映射到1個VC-12，并以EPL方式傳至車站接入層傳輸設備。

（2）車站接入層解決方案

車站接入層傳輸設備接收各相關區間接入層傳輸設備傳來的電力SCADA數據，通過傳輸設備以太網板的端口業務匯聚功能，將各點電力SCADA數據匯聚到傳輸設備的一個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1∶N，N≤24），引出后不作處理，直接與傳輸設備的另一個FE（E）接口相連，將所有數據重新映射到1個VC-12，實現電力SCADA系統傳輸帶寬的統計復用，并將數據以EPL方式傳至干線層傳輸設備。

（3）干線層解決方案

干線層傳輸設備（在干線層傳輸系統中選擇1個合適的業務匯聚點，福廈線選擇福清作為干線層業務匯聚點）接收各車站接入層傳輸設備傳來的電力SCADA數據，通過傳輸設備以太網板的端口業務匯聚功能，將各站電力SCADA數據匯聚到傳輸設備的1個FE（E）接口引出（即共享端口方式，匯聚比1∶N，N≤24），引出后不作處理，直接與傳輸設備的另一個FE（E）接口相連，將所有數據重新映射到5個VC-12（VC-12虛級聯，電力SCADA系統最終所需傳輸帶寬根據電力專業的需要確定），實現電力SCADA系統傳輸帶寬在干線層傳輸系統中的統計復用，并將數據以EPL方式傳至電力SCADA中心。

4 結束語

隨著我國鐵路事業的飛速發展，各種新技術的大量采用，在設計工作中經常會遇到新問題，而往往沒有一種技術或設備能完美解決所有問題，這就需要我們進行更加深入的研究，充分發揮各種技術或設備自身的優勢，做到物盡其用，在設計工作中采用靈活的手段解決實際問題。

[1] 王廷堯．以太網技術與應用[M]．北京：人民郵電出版社，2005．

[2] YD/T 5119-2005, 基于 SDH 的多業務傳送節點（MSTP）本地網光纜傳輸工程設計規范[S].