高度集约化的电力通信骨干网优化方法研究

0 引言

随着我国经济的飞速发展,为满足各行各业对能源的需求,电力通信专业作为智能电网和能源互联网的基础,做好对各类应用的支撑显得尤为重要。电力通信骨干网主要以SDH传输网络来承载和传输电力调度电话、继电保护远程终端单元（Remote Terminal Unit,RTU）、调度数据网以及数据信息等业务^[1-3],但由于不同区域SDH传输网络多是分批次建设完成的,存在一些区域间无法互联、区域过小不能连成片或环、下挂单个站点较多、无法形成自愈保护、业务趋势差异、端口或者带宽存在明显不足等问题^[4-5]。

近年来,随着“大云物移”技术的发展,变电站内的信息量也越来越大,传统变电站逐渐向智能变电站演进^[6-8],同时带来了大量的相关信息采集、信息传送以及信息处理等需求,业务数据流量的传输方向也发生了新的变化。上海地区用户用电量较大,多数站点尤其是汇聚站点业务较多,导致业务密集区域内现有的2.5 G设备资源已不能满足实际需求,而边远区域设备过多则可能会导致资源浪费。因此,有必要持续开展电力通信骨干网优化,进行资源整合和重组,以满足日益增长的信息通信业务需求^[9]。

 1 集约化网络

本文所定义的集约化网络,是指大城市电网中具有通信站点间隔距离短、各类通信机房空间狭小以及光缆线路敷设条件差等特性的通信网络。

1.1 承载的业务

电力通信作为支撑专业,主要为电力系统提供信息采集、传输、处理等业务,不仅包括传统的电力调度电话业务,也包含随着终端通信接入网发展衍生的业务^[10-11]。

1.2 集约化网络的特点

集约化网络具有站点间距短、拓扑结构复杂、业务种类多、通信流量大、优化困难、运维压力大等特点,因此需要对未来通信业务流量进行提前规划与预测,对部分重要站点设备进行升级优化,对部分小区域进行光缆、设备自愈保护等方面的调整^[12]。

随着通信业务的不断增加,部分核心通信站点不断升级和优化,造成局部地区网络拓扑非常复杂,甚至有些站点的通信资源已接近饱和状态,且业务流向也不再局限于变电站—供电公司、变电站—变电站、供电公司—电力公司等几个层面。集约化网络容易产生通道瓶颈,在业务需求需要考虑冗余的要求下,可通过两种方案来解决通道瓶颈问题：一是在给定业务需求的情况下,最小化所需的通信传输带宽资源和业务接口资源,资源不足的面临设备升级和扩容问题^[13-14];二是在给定网络拓扑的情况下,尽量扩大网络承载的业务吞吐量,将业务需求引导至合适的通信站点内,通过人为优化达到资源的合理利用,但汇聚站点过多会给运维带来一定困难,汇聚站点出现问题时可能会导致相关站点的业务数据同时丢失^[15]。

综合考虑,集约化网络和非集约化网络的主要区别如下：

1）集约化网络要更多地考虑通信站点的动环资源;

2）集约化网络在基于动环资源的基础上,要更多地考虑通信光缆进站的形式和光缆方向;

3）集约化网络需更多地考虑传输设备的长期规划,以及与动环资源、光缆资源规划的综合考虑;

4）集约化网络需要对业务需求进行有序引导,并提前预测业务需求的发展方向;

5）动环资源、光缆资源、设备布局、业务引导等4个要素为开展集约化网络优化的重点方向,存在相互牵制、滚动推进的关系。

 2 电力通信骨干网评价方式

在参考上海电力通信网络安全可靠性评估方法的基础上,建立了一种针对电力通信骨干网的评价方式,评价电力通信骨干网的指标参数,并利用数据处理工具对其进行优化运算。

2.1 确定电力通信骨干网评价值

首先制定一级指标判断矩阵（见表1）,通过MATLAB计算得到最大特征值对应的标准化特征向量,即指标权重。表1中参数根据目前网络优化的困难和重点方向设置,未来在开展滚动持续优化过程中可按固定周期（如2年）进行调整。

表1 评价指标量化值Tab.1 Evaluation index quantification value

结合表1,可得到的相应指标权重为（初值）：动环资源w₁=0.448 8,光缆资源w₂=0.234 6,设备布局w₃=0.234 6,业务引导w₄=0.081 9,则骨干网站点评价值w=动环资源评价值w₁+光缆资源评价值w₂+设备布局评价值w₃+业务引导评价值w₄。

2.2 二级指标评价

由于采用二级指标作为站点之间的评价比较标准,因此可直接采用客观公式计算的方法进行评价。

2.2.1 动环资源评价

动环资源评价项目包括：站点机房条件,主要为行政大楼和变电站、新老站点的区别、是否独立机房、机房面积等;机房温湿度;通信电源系统;通信专业针对动环情况的监控系统。本文相应权重参数设置为（0.3,0.3,0.3,0.1）,具体可根据实际情况调整,单项按5分制记,因此有：动环资源评价值w₁=机房条件评价值×0.3+环境温度评价值×0.3+通信电源可靠性评价值×0.3+动环监控系统评价值×0.1。

2.2.2 光缆资源评价

光缆资源评价项目包括：光缆类型,具体有OPGW、ADSS、普通光缆、铠装光缆等,其中OPGW光缆的评价值最高,铠装光缆次之,较少发生故障的普通光缆评价值为中位数,上海地区ADSS光缆因故障率高导致分值最低;光缆敷设形式,包括架空和地埋,地下光缆因故障率低而分值较高;光方向数量,光方向数量较多的站点评价值更高。相应权重参数设置为（0.3,0.3,0.4）,该指标主观性较强,参数可调,但在各个区域内权重应较为固定,单项按5分制记,实际使用中可优先在环网上预设一个供参考的中位数。因此有：光缆资源评价值w₂=光缆类型评价值×0.3+敷设形式评价值×0.3+光方向数量评价值×0.4。

2.2.3 设备布局评价

设备布局评价项目包括：电力系统骨干传输网设备容量,按10 G/2.5 G/622 M/155 M来区分;设备板卡,设备板卡在配置光方向和业务接入方面差别较大;设备冗余情况,三级网内多为设备冗余配置,四级网内设备冗余情况差别较大。相应权重参数设置为（0.5,0.25,0.25）,可微调,单项按5分制记。在实际计算该评价值时,配置2套10 G设备的站点和配置单个155 M设备的站点分值差异明显。因此有：设备布局评价值w₃=设备容量评价值×0.5+设备板卡评价值×0.25+设备冗余评价值×0.25。

2.2.4 业务引导评价

在本文阐述的骨干网优化方法中,业务引导评价在传统网络优化中较少提及,在上海电力最近的业务使用部门与通信部门交流的过程中,相互的沟通交流逐步增加,主要原因是高度集约化的骨干网站点情况复杂,无论是调度部门开展调度数据网建设,还是运检部门开展配网技术中心建设,都充分考虑到了通信专业的实际困难。当业务需求部门征求通信专业部门意见时,就需要该指标反映实际网络情况,最终体现在是选择通信网络进行优化扩容,还是选择建议业务部门把接入点布置在目前通信网络条件较好的站点。

在业务引导评价中,将涉及国家电网公司的上级业务、重要保电通道站点的业务引导评价值设为最高;其次为调度电话、继电保护、自动化通道等核心业务;再次为有系统性需求的大容量业务;最后为无系统性需求、无重要保电需求的普通业务。对应的指标权重值为（0.4,0.3,0.2,0.1）,单项按5分制记,以业务数量为主要评价标准。因此有：业务引导评价值w₄=涉及上级业务评价值×0.4+核心业务评价值×0.3+系统性需求评价值×0.2+普通业务评价值×0.1。

 3 典型的高度集约化电力通信骨干网优化方法

通过电力通信骨干网评价方式进行指定骨干网的量化评价,判断出不同典型区域骨干网内各个站点的优先级,然后汇总分析整个网络优化的重点方向,最后对目标网络是否能顺利完成优化工作进行综合评价。

以国网上海电力所辖的闵行—徐汇地区骨干网（四级网部分）为例进行分析,该区域处于上海市核心区域,尤其是在徐汇区范围内,大多数站点为较老站点,骨干网架构如图1所示。

图1 骨干网架构Fig.1 The backbone network architecture

3.1 骨干网现状评估

1）市南供电公司和两个供电公司所辖基地（钦江路基地、闵行基地）有2套SDH传输设备和多个光缆方向,以及大量调度电话、RTU、调度数据网和信息网业务,带宽需求极大,业务持续发展预期最强。3个站点（市南供电公司、钦江路基地、闵行基地）分项评价为：动环资源评价值w₁分别为4.4、4.5、4.5,市南供电公司分值较低的原因为机房空间不足,两个基地没有动环监控系统;光缆资源评价值w₂均为5,即3个站点多为排管进站,光缆方向多,故障率低;设备布局评价值w₃分别为5、4.25、4.25,市南供电公司属于三、四级网共用站点,除配置了2套10 G传输设备以外,板块冗余度高;业务引导评价值w₄分别为5、4、4,其中市南供电公司的业务引导值最高,属于整个上海电力通信网最核心的站点之一,而供电公司所辖的基地业务需求随供电公司业务变化较大,暂定为4。因此,市南供电公司评价值w=4.65,钦江路基地和闵行基地w=4.52。

2）220 kV长春变电站和港口变电站有2套SDH传输设备和多个光缆方向,以及大量调度电话、RTU、调度数据网业务,带宽需求一般,业