本站点使用Cookies,继续浏览表示您同意我们使用Cookies。Cookies和隐私政策>

搜索

F5G第五代固网技术开启能源工业物联网时代

2021-04-07
3619
2

F5G第五代固网技术定义

ETSI发布F5G第五代固定网络代际定义和技术规范,构建更健康的全光固网产业。F5G具备大带宽、低时延、高可靠、海量接入的工业物联网特点。

基于F5G技术,结合大数据云计算技术、管道化接入传输技术、边缘计算技术、端侧接入技术(云、管、边、端工业物联架构),有力促进能源工业的高质量发展。目前,中国已经部署了全球最大的F5G网络,用户超过4亿,网络能力完善,产业配套成熟。基于F5G,我国现已推出能源F5G技术,并在电力油气矿山行业进行应用,展现出良好的应用前景。

F5G在能源行业关键技术及其系列标准发展

F5G需要具备大带宽、低时延、高可靠、海量接入的特点,应对工业物联网云、管、边、端工业物联架构技术要求,完成感知接入、数字孪生、智能运用智能化要求,目前各项技术今年都有长足发展。

• 大带宽

100G单波以及200G到800G单波网络已经在通讯行业开始广泛应用,但是电力行业由于采用OPGW作为光纤部署方案,所以在部署大带宽骨干网络的过程中需要首先解决雷击干扰问题。OPGW(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire)也称光纤复合架空地线,兼具地线与通信双重功能,具有较高的可靠性、优越的机械性能、较低的成本等显著特点,正被广泛应用于电力骨干光通信网络。与此同时,采用准确、有效、可靠的相干光传输技术正成为提升光纤单波传输容量的首选技术。因此采用相干光传输的电力OPGW承载是大势所趋,但同时也面临雷击SOP(State of Polarization,偏振状态)的挑战。今年国家电网,华为、光迅将在IEEE,IEC,CSEE推出SOP相关标准,适应F5G能源行业相关要求。

• 低时延管道

目前中国的输变电生产网络以及油气、矿山骨干网络主要架构是OTN骨干加SDH区域接入方案。SDH业务为以太业务,2M光和老网PCM继电保护业务等提供固定低时延的稳定广域网络。SDH在网络结构中的应用价值逐年减弱,但是在工业实时控制领域和部分高质量专线业务中,还是有明显的技术优势。OSU是波分OTN体系下发展出的小颗粒技术,在应用场景上与SDH基本一致,但是具有任意带宽通道化传输,延迟实时可见,兼容大带宽传输能力三大特点,成为可能代替SDH的下一代电力业务传输技术。

OTN OSU极简映射:复用层级5变2,10us确定时延,相对传统OTN和SDH降低80%。

OTN OSU方案时延采用专有的DM字节进行传输,在网管可以实现网络的实时延迟可视,优于SDH手动评估方法。OSU在传输协议物理层定义了传输时钟的时间字节,避免了IP化1588v2在打戳时需要增加物理层预处理的过程,形成天然时间传递协议,精度上优于SDH的延迟估算方式。同时保证了各个厂商时钟传递协议的一致性,和可对接性。对比SDH和IP网络,更适合时间敏感网络的业务的广域互联。

IEEE ITU-T CSEE电力相关标准组织,都对OTN架构下的OSU方案进行了标准立项,保证能源业务低延迟网络传输。其中IEEE P2893和电机工程学会OSU标准对标能源行业。

• 高可靠

矿用F5G采用环形结构,来提升网络可靠性;矿用F5G网络技术叫工业光环网IOR(Industrial Optical Ring)。F5G工业光环网由光环网头端设备ORH、光环网终端设备ORE和无源光环网设备ORP三部分组成。

F5G和传统网络对比,F5G工业光环网相比传统的工业交换机环网,具有以下优势:架构极简、无源ORP和本安ORE,实现井下“0”防爆箱。F5G网络井下ORP为无源器件、可以进行本安认证;井下ORE将进一步简化井下网络,实现井下“0”防爆箱。无源或本安型设备可充分节省井下防爆箱的使用,使煤矿运营更加安全,网络更简单、易维护,并且节省了长期的投资成本。

ETSI欧洲电信标准协会已经推出F5G相关接入标准。

• 海量对象物联网接入

未来工业物联网是F5G时代的主题,主要依靠全光工业物联网关做边缘接入承载。工业物联网关是以工业光环网为基础,PLC,Wi-Fi 6等技术为补充的接入方式;传输接入光网为基础的数据回传方式;实现本地算力决策的工业物联边缘计算网关。(代替原有工业交换机+中心控制;实现云,管,边,端的分布式工业架构),将过去的L2,L3的以太交换,变为数据入湖为目的的应用层数据转换,完成数字孪生和智能应用等物联网功能。物联网关和管道化的一条入云,构成了未来工业物联网的主要技术。相关标准主要是MQTT和Modbus。 MQTT协议(消息队列遥测传输)是ISO标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在TCP/IP协议上,是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议,为此,它需要一个消息中间件。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。

Modbus则是一种串行通信协议,是Modicon公司(现在的施耐德电气Schneider Electric)于1979年为使用可编程逻辑控制器(PLC)通信而发表。Modbus已经成为工业领域通信协议事实上的业界标准。

• 光纤传感

光纤传感系统始于1977年,伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,光纤传感系统是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感系统已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感系统上百种,诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感,是目前物联网新兴研究方向。

第五代固网技术能源行业应用情况

电力

• 国网地市OTN方案

光纤传输信号时,对于速率低于40Gb/s的信号,往往采用非相干光传输技术,对于速率为40Gb/s、100Gb/s及以上信号速率时,往往采用相干光传输技术。如下图所示,相干光指在垂直于光传输方向上可以有两个相互独立的振动方向(偏振),这两个偏振方向上的电场强度的大小和相位差可以是独立变化的。SOP是光的一个本质属性。每个偏振的信号在经过光纤传输后,都会各自经历损耗、时延、色散、非线性等变化,如果每个偏振信号经历的损耗、光纤时延、色散、非线性不一样,则会改变各偏振信号之间的振幅比值和/或相位差,因此SOP会发生改变。

相干光信号的传播

• 云地闪电造成SOP变化

雷电目前已被联合国列为全球十大自然灾害之一,每年因雷击所造成的损失不计其数。雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层,或者是带电的云层对大地之间迅猛放电的一种自然现象。

闪电可分为三类:

(1)云内闪:带电云层内部击穿放电。

(2)云际闪:一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层之间的击穿放电。

(3)云地闪:带电的云层对大地之间的击穿放电。

造成OPGW SOP变化的是云地闪。

• OPGW承载100G业务通信设备技术建议

根据响应函数及相关数据计算,电力OPGW承载100G业务,采用相干光传输技术时,如图所示,建议满足如下技术要求。

(1)抵抗SOP作用时间小于10ms。

(2)抵抗大于8M rad/s的SOP持续时间小于1ms。

(3)抵抗两次超大SOP的时间间隔为15~100ms。

生产网络传输方案:当前电力光传送网已经逐渐从SDH/MSTP技术逐渐开始采用OTN技术。SDH和WDM是传送网使用最多的技术。OTN融合了SDH和WDM的优点,已成为大颗粒业务传送的主流技术。OTN设备当前能够满足电力从小颗粒SDH接入,到PKT、ODU大颗粒分组交换统一交换结构。未来OTN OSU技术完美承载电力核心业务继电保护业务。低速率业务、分组业务和新业务通过适配及映射到optical service unit flex (OSUflex)灵活光业务单元中,通过多级复用到高阶ODUk/OTUk/OTUCn进行传送;或者OSU容器可以直接复用到高阶ODUk/OTUk/OTUCn进行传送。与传统ODUk相比,OSU除了能够提供精细化的带宽粒度,还能不再依赖传统的OTN时隙结构,并能有效增强业务承载灵活性,使得OSU具备未来网络长期演进所需的可扩展性,匹配业务分组化演进趋势。

• 配电物联网区方案

配网台区智能工业物联网关终端作为整体应用架构的核心,提供以APP方式实现的业务应用平台,具备数据采集、边缘计算、通信网关功能,承载物联网技术在配电台区中的应用落地。

随着我国智能电网的发展,配电环节的智能化改造是十三五电网建设的重点,当前配电自动化覆盖率仅仅20%,目标是十三五末期达到90%以上。配电自动化建设的核心是利用智能化配变终端管理海量的低压侧设备,2019年国网拥有498万个公变台区。

随着《国网运检部关于做好“十三五”配电自动化建设应用工作的通知》关于推广台区智能终端要求的下发,国网要求所有新建配变需安装台区智能终端,未来十四五台区智能工业物联网关终端将会逐步放量,预计有170万台(华为侧项目空间大约50亿)的需求。

台区智能工业物联网关终端整体应用架构如下图所示,由台区智能终端组成。

油气

西南油气田:随着场站信息化建设、场站自动化建设、生产指挥系统建设、智能油气田建设,西南油气田生产经营对通信系统依赖日趋重要,西南油气田是产运储销全产业链的单位,在各类信息化建设和应用上都离不开通信系统,目前传输光通信系统带宽已达到瓶颈,传统的自愈保护方式不能充分利用现有光缆资源。

开展智能光通信环网设计。围绕业务发展战略目标,研究平台建设的必要性和可行性,确定平台的总体架构和技术路线,开展平台建设技术方案比选和推荐,完成光通信骨干网络建设的滚动规划、框架设计、功能设计、存在问题等,形成OTN/SDH平台建设方案、OTN/SDH平台建设实施计划与技术实现方案等。以智能化油气田建设整体目标为参照,基于联接+云边协同能力,持续技术应用创新,满足更大带宽、更广连接、更低时延和更好控制等业务应用需求将基础网络转型为驱动创造的业务网络,构建全面感知的油气生产“万物智联”智简网络,实现不同业务场景需要的高带宽、高可靠性、低时延等需求。激发油气田产运储销各类应用创新,全面支撑智能油气田的技术水平和管理能力。

生产现场的智能化需要AR/VR,智能机器人等新技术应用,西南区域数据湖建设,安保防恐视频专网及集团公司信息安全视频专网需求,都必须依托一套高带宽、低延时、高自愈、高可靠的智能光通信环网。 未来西南油气田公司光通信环网可以实现目标:1)骨干层:Liquid OTN系统平滑升级,达到单波100G传送能力,实现高带宽、低时延、高可靠的智能光网络; 2) 骨干层:Liquid OTN系统逐步形成MESH网络,引入ASON控制平面、波道OSNR在线检测、光纤链路实时监测的功能,达到智能运维的能力; 3)汇聚/接入层:SDH系统通过技术的升级改造,逐步使用Liquid OTN设备替换SDH设备,传输环网带宽提升至10G及以上的能力。

网络架构为点对多点架构,工业PON网络主要由位于中心站的光线路终端OLT、位于边缘的光网络单元ONU,以及二者之间光配线网ODN(包括光纤及无源分光器)组成,从网络架构看,可以提供多种工业接口,适应各种工业设备信息传送及各种专用94系统接入场景的要求同时如下图,网络架构和传统对比,交换机变为全光管道化网络。

油气光纤传感方案:光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术,国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果,不少光纤传感系统已实用化,成为替代传统传感器的商品。

在油田的开发过程中,人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料,这就要用到石油测井,其可靠性和准确性是至关重要的,而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感器可以克服这些困难,其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件,包括高温、高压(几十兆帕以上)以及强烈的冲击与振动,可以高精度地测量井筒和井场环境参数,同时,光纤传感器具有分布式测量能力,可以测量被测量的空间分布,给出剖面信息。而且,光纤传感器横截面积小,外形短,在井筒中占据空间极小。在油气行业光纤传感技术能够监测温度、压力、声波等环境参数。

矿山

山西煤矿:F5G+无线融合组网架构,F5G作为井下主干网络,统一接入井下各类系统,比如安全监控网、视频监控网、人员定位、无线网络。按照安规要求,安全监控网需要和其它网络接入到不同光纤芯上,实现分芯传输。F5G作为无线的承载网,可实现us级低时延,为无线承载提供高精度时钟同步、业务隔离功能,无线 BBU可直接接入到ORE上(无线承载的ORE一般为10GE光口),实现井下F5G+无线一张网传输。井下F5G一张网将带来几大优势:1)整个井下网络结构极大简化,统一井下多张业务承载网络。彻底解决井下原来多张环网、网络重复建设、难以运维的问题。2)F5G网络井下有源设备只有ORE,非常简单。

PON可以组成TypeC手拉手保护环网,可以替换传统的以太环网,两者网络结构比较如图。与传统的以太环网比较,PON环网有以下优势:(1)抗多点失效:PON 环网可以抗多点失效,而以太环网只能抗单点失效。如上图中,如果①断纤,以太环网和PON环网都没有问题。如果①、②同时断纤,以太环网下业务将中断,而PON环网没有问题。(2)网络光电分离:从网络结构上,以太环网的电设备交换机和环网是串在一起,交换机节点的通信都依赖周边节点(环网南北向流量);而PON环网上是光电分离,ONU的电设备是挂在光环网上。以太环网一般采用环网保护协议实现网络收敛(比如RSTP/STP),以太环网上任何一个交换机失效,网络都依靠环网协议进行整网重新学习和流量路径重新分配,网络震动恢复,恢复过程影响整网。PON环网上ONU的电设备和光环网是分离的,任何一个ONU失效,仅影响自己,整网不变。(3)环网恢复性能更高:网络故障时,当前主流的交换机以太环网的保护收敛时间一般是200ms,而PON环网是50ms,网络性能更好。

F5G技术对能源行业的影响

未来F5G技术使用工业物联网关,作为末端接入节点,代替交换机等技术进行数据汇集,同时采用计算功能完成边缘感知设备的数字化;以OTN、OSU和GPON、XGPON为代表的管道化全光技术讲以后的物联数据一条送人云端;云端通过分布式的大数据智能计算处理,完成整个物联网的智能互联。

(配电物联网架构中F5G实现管边端的职能,实现管道海量数据回传,边缘物联网计算,端侧感知接入)

IEEE PES 有线5G工作组相关标准

传输技术:

400G:国际标准主要由ITU-T SG15、IEEE802.3和国内CCSA TC6制定相应行业标准

SOP:国家电网,华为,光迅将在IEEE,IEC,CSEE推出SOP相关标准

OSU:IEEE ITU-T CSEE电力相关标准组织,都对OTN架构下的OSU方案进行了标准立项,保证能源业务低延迟网络传输。其中IEEE P2893和电机工程学会OSU标准对标能源行业。

接入技术:

F5G:ETSI欧洲电信标准协会已经推出F5G相关接入标准

EPON的标准是IEEE的802.3ah

GPON的标准是ITU-T G.984系列标准

物联网相关技术:

MQTT协议:(消息队列遥测传输)是ISO标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议

Modbus:工业领域通信协议事实上的业界标准

1.F5G:第五代固网通讯传输技术(由ETSI定义的第五代固定网络技术),以全光网络技术为基础,对标无线通讯,满足未来万物互联时代万物接入,低延迟,高带宽的网络需求。

2.全光网络:以OTN 200G/400G大带宽传输,OTN OSU小带宽管道,GPON/XGPON Wifi6 PLC小颗粒广泛接入为基础的光网络技术。

3.全光工业物联网关:物联网边缘计算接入设备,通过IP化接口接入工业物联网边缘实时采样信息,状态信息,智能计算决策后控制末端物联设备形成边缘计算闭环。

4.全光感知:以OTDR,FD OD光线维护技术;光纤传感(震动,温度,偏移等)为基础的光纤监测技术,构成基于光纤感知的物联网感知能力。

免责声明:文章内容和观点仅代表作者本人观点,供读者思想碰撞与技术交流参考,不作为华为公司产品与技术的官方依据。如需了解华为公司产品与技术详情,请访问产品与技术介绍页面或咨询华为公司人员

TOP