采用多业务传送平台优化电力SCADA系统通信组网方案

赵 晟

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

随着我国铁路事业的飞速发展，高速铁路大量采用GSM-R、综合视频监控、防灾安全监控等新技术，区间和站内供电节点数量大大增加，由此带来电力箱变（RTV）数量增加。按照电力专业相关规范要求，所有电力箱变均需纳入电力SCADA系统。如何为电力SCADA系统组织传输通道，最简单可靠的解决方案无疑是采用点对点以太网私有专线（EPL）方式，但工程设计不仅需要考虑方案的可行性，还必须考虑经济成本。如果采用EPL方式，由于电力箱变数量众多，且受限于多业务传送平台以太网业务VC-12的最小映射颗粒，电力SCADA系统将占用非常大的传输带宽。由于各电力箱变与电力SCADA中心间实际所需传输带宽非常小（≤64 kb/s），如果采用EPL方式，不仅将造成传输带宽资源的极大浪费，给带宽资源日益紧张的接入层传输系统带来沉重压力，而且将付出较大的经济代价（高昂的通道租用费）。因此，如何在满足电力SCADA系统QoS要求的条件下，找出一个经济合理的方案，是设计工作中亟待解决的问题。

1 工程概况

新建铁路福厦线位于福建省境内，北起福州枢纽福州站，南至厦门枢纽厦门站。中铁二院设计范围为福州南站（不含）至厦门站（含），铁路正线全长256.169 km。全线新开车站9个，分别为福清、渔溪、涵江、莆田、仙游、新泉州、泉州南、翔安和厦门西，新开线路所1个，利用既有车站3个，分别为杏林、厦门北（Ⅰ场、Ⅱ场）和厦门。

福厦线传输系统分为干线层和接入层2层结构，采用华为OSN系列传输设备。干线层采用基于SDH的MSTP组建SDH 10 Gb/s（1+1）MSP传输系统。接入层采用MSTP组建SDH 622 Mb/s传输系统，站间形成2纤单向通道保护环，如图1所示。

2 电力SCADA系统的拓扑结构和接入方式

2.1 电力SCADA系统的拓扑结构

福厦线全线共有电力箱变92处，从综合传输系统的组网方式和电力SCADA系统的数据流向分析可知，电力SCADA系统业务为汇聚型业务，其拓扑结构应为树形，如图2所示。

2.2 电力SCADA系统的接入方式

因电力SCADA系统组网采用以太网技术，故电力箱变根据与传输设备的距离远近（距离≤100 m采用FE（E）接口，距离＞100 m采用FE（O）接口），通过FE（E）或FE（O）接口与传输设备相连。

3 电力SCADA系统传输带宽的统计复用解决方案

3.1 方案比选

3.1.1 使用二层交换机

在各车站接入层传输设备和干线层传输设备处设置1台二层交换机，各车站接入层传输设备通过以太网板的端口业务汇聚功能，将各点电力SCADA数据汇聚到传输设备的1个FE（E）接口引出（即共享端口方式，汇聚比1∶N，N≤24），并与二层交换机相连，所有数据通过二层交换机进行统计复用处理后，再与传输设备的另一个FE（E）接口相连，通过车站传输设备将二层交换机处理后的数据以EPL方式传至干线层传输设备，在干线层传输设备处作相同处理后，将数据以EPL方式传至电力SCADA中心，如图3所示。

此方案能较好实现电力SCADA系统传输带宽的统计复用，但存在以下缺点：（1）增加了故障点；（2）增加了工程投资；（3）低端二层交换机不能实现网管，无法满足电力SCADA系统的QoS要求；（4）中高端二层交换机可实现网管，但价格较高，且在本工程中用途单一，无法充分发挥其功能，造成浪费。因此，此方案不失为一个可行的解决方案，但不是最佳解决方案。

3.1.2 利用MSTP技术实现二层交换机式的处理

利用MSTP完全代替二层交换机，通过各层传输设备内部处理实现电力SCADA系统传输带宽的统计复用。从表面上看，这无疑是一个最好的解决方案，但看似完美的解决方案却往往无法实现。这是因为MSTP虽然具有二层交换功能，但其并不是一个真正意义上的二层交换机。MSTP具备在SDH平台上传送IP、ATM、TDM等多种业务的能力，但其核心模块仍然是SDH的交叉矩阵单元，MSTP设备的结构（以OSN 3500为例）如图4所示。

MSTP的二层交换功能通过以太网业务处理板实现，而以太网业务处理板与二层交换机并不能完全等同，两者在二层交换的实现方式上有区别，这是由它们本身的结构所决定的。以太网业务处理板的结构（以OSN 3500为例）如图5所示，二层交换机的结构如图6所示。

MSTP以太网业务处理板的接口模块与外部以太网设备相连，完成编解码和串/并转换；业务处理模块完成帧定界、添加/剥离前导码、生成/终结CRC校验码和以太网性能统计等功能，并根据业务形式和配置要求进行流分类（支持MPLS报文格式、L2 MPLS VPN报文格式、Ethernet/VLAN报文格式），依据业务配置添加外层标签（Tunnel）和内层标签（VC）双重标签实现业务的映射和转发；封装模块完成以太网帧的HDLC（高层数据链路控制）、LAPS（链路接入协议-SDH）或GFP-F（成帧映射通用成帧规程）封装和解封装；映射模块进行基于VC虚容器或其虚级联的映射和解映射，并将VC虚容器送入交叉矩阵和从交叉矩阵接收VC虚容器。

二层交换机通过交换机端口模块完成各种以太网帧信号的接收与发送。交换控制功能模块是实现对各个端口之间信息交换的控制。交换功能模块是根据交换控制功能模块作出的控制决策建立交换机相关端口之间的临时信息传输路径，通常采用专用集成电路（ASIC）来完成此功能。存储器区域的主要功能是缓存各端口交换的输入与输出帧信息，以便对其进行处理。

通过以上分析可以看出，MSTP与二层交换机在二层交换的实现方式上存在较大差异，主要有2点。

（1）二层交换机是通过端口交换实现二层交换功能，其所有端口之间均可以实现数据帧的交换；而MSTP支持二层交换功能，是在一个或多个用户侧以太网物理接口与一个或多个独立的系统侧的VC通道之间实现基于以太网链路层的数据帧交换。两者之间的巨大差异决定了MSTP无法像二层交换机一样，对数据进行基于端口交换的统计复用处理。这表明MSTP的以太网业务处理板虽然具备一定的二层交换功能，但它不是一个真正意义上的二层交换机，也不能完全代替二层交换机。

（2）MSTP需要将封装后的以太网帧映射进VC虚容器，对传输带宽进行固化，无法像二层交换机那样完全实现带宽的按需分配。

因此，MSTP无法通过其内部的二层交换处理实现电力SCADA系统传输带宽的统计复用。3.1.3 利用MSTP的二层交换功能进行二次处理

虽然MSTP无法像二层交换机那样完全实现电力SCADA系统传输带宽的统计复用，但可以利用MSTP的二层交换功能进行二次处理来尽可能实现该功能，具体做法：将已经分别映射到多个VC虚容器的各节点数据，通过传输设备以太网板的端口业务汇聚功能从同一个FE（E）接口引出（即共享端口方式，汇聚比1：N，N≤24），引出后不作处理，直接与传输设备的另一个FE（E）接口相连，将所有数据重新映射到n个VC-12中（n的数值根据业务实际所需带宽大小确定，由于受限于VC-12的最小映射颗粒，虚容器进行虚级联后提供的带宽往往略大于实际所需带宽，无法实现完全意义上的带宽按需分配），实现电力SCADA系统传输带宽的统计复用。

此种方式优点：（1）实现简单；（2）所有处理均由MSTP传输设备完成，安全可靠；（3）节省投资；（4）充分利用MSTP传输设备的二层交换功能，做到物尽其用；（5）完全满足电力SCADA系统的QoS要求。因此，此方案无疑是当前条件下最好的选择。

3.2 电力SCADA系统传输带宽的统计复用解决方案

从前面的分析知道，电力SCADA系统的拓扑结构为树形，从分层的角度来看，电力SCADA系统数据分为区间接入层、车站接入层和干线层3个层次进行处理，也就是说电力SCADA系统传输带宽的统计复用应由3个层次的传输设备完成。因此，其解决方案也分为3个层次。

（1）区间接入层解决方案

各电力箱变通过FE（E）或FE（O）接口就近接入区间接入层传输设备，区间接入层传输设备将各电力箱变传来的数据分别映射到1个VC-12，并以EPL方式传至车站接入层传输设备。

（2）车站接入层解决方案

车站接入层传输设备接收各相关区间接入层传输设备传来的电力SCADA数据，通过传输设备以太网板的端口业务汇聚功能，将各点电力SCADA数据汇聚到传输设备的一个FE（E）接口引出（即共享端口方式，汇聚比1∶N，N≤24），引出后不作处理，直接与传输设备的另一个FE（E）接口相连，将所有数据重新映射到1个VC-12，实现电力SCADA系统传输带宽的统计复用，并将数据以EPL方式传至干线层传输设备。

（3）干线层解决方案

干线层传输设备（在干线层传输系统中选择1个合适的业务汇聚点，福厦线选择福清作为干线层业务汇聚点）接收各车站接入层传输设备传来的电力SCADA数据，通过传输设备以太网板的端口业务汇聚功能，将各站电力SCADA数据汇聚到传输设备的1个FE（E）接口引出（即共享端口方式，汇聚比1∶N，N≤24），引出后不作处理，直接与传输设备的另一个FE（E）接口相连，将所有数据重新映射到5个VC-12（VC-12虚级联，电力SCADA系统最终所需传输带宽根据电力专业的需要确定），实现电力SCADA系统传输带宽在干线层传输系统中的统计复用，并将数据以EPL方式传至电力SCADA中心。

4 结束语

随着我国铁路事业的飞速发展，各种新技术的大量采用，在设计工作中经常会遇到新问题，而往往没有一种技术或设备能完美解决所有问题，这就需要我们进行更加深入的研究，充分发挥各种技术或设备自身的优势，做到物尽其用，在设计工作中采用灵活的手段解决实际问题。

[1] 王廷尧．以太网技术与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2005．

[2] YD/T 5119-2005, 基于 SDH 的多业务传送节点（MSTP）本地网光缆传输工程设计规范[S].