PTN承載電網(wǎng)實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題分析

方子希，高會(huì)生

(華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

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PTN承載電網(wǎng)實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題分析

方子希，高會(huì)生

(華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

針對(duì)PTN承載電力通信實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)存在傳輸質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)分組化進(jìn)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹；從業(yè)務(wù)時(shí)延、時(shí)間同步和保護(hù)倒換三個(gè)方面對(duì)PTN傳輸繼電保護(hù)信號(hào)的可行性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，合理配置分組封裝尺寸、緩沖區(qū)長(zhǎng)度、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量等參數(shù)，可以有效改善網(wǎng)絡(luò)性能，這對(duì)于在電力通信網(wǎng)部署PTN數(shù)據(jù)傳輸通道具有工程參考價(jià)值。

分組傳送網(wǎng)；時(shí)分復(fù)用；時(shí)延；同步；保護(hù)倒換；電力；通信

Services over PTN

0 引言

面對(duì)電力系統(tǒng)分組化進(jìn)程的加快，分組傳送網(wǎng)(Packet Transport Network，PTN)以其面向連接的優(yōu)勢(shì)、統(tǒng)計(jì)復(fù)用的特點(diǎn)，得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可[1]。在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定控制等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)通常采用時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)技術(shù)來(lái)構(gòu)建傳輸通道，因此這類業(yè)務(wù)也稱TDM業(yè)務(wù)。針對(duì)電力系統(tǒng)中PTN技術(shù)的應(yīng)用研究包括：PTN承載TDM業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延研究[2-3]；PTN承載TDM業(yè)務(wù)的時(shí)間同步測(cè)試和同步技術(shù)分析[4-5]；PTN對(duì)保護(hù)倒換的支持能力[6-7]。

從前期的研究工作可以看出，PTN承載TDM業(yè)務(wù)的應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段，各方面的研究尚處于起步階段。當(dāng)前的研究成果沒(méi)有對(duì)PTN承載電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題做出系統(tǒng)描述。本文從業(yè)務(wù)時(shí)延、時(shí)間同步和保護(hù)倒換三個(gè)方面詳細(xì)分析了電力系統(tǒng)應(yīng)用PTN技術(shù)承載實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)所需關(guān)注的問(wèn)題，研究成果對(duì)實(shí)際工程具有參考價(jià)值。

1 TDM與PTN

1.1 PTN承載TDM原理

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，TDM電路仿真分為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化兩種類型[8]。電力通信PTN普遍采用后者，即SAToP(Structure Agnostic TDM over Packet)方式。這種類型的電路仿真不識(shí)別TDM幀內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠?qū)?shù)據(jù)凈荷和同步定時(shí)信息進(jìn)行透?jìng)?，從而?jiǎn)化了繁復(fù)的信令識(shí)別過(guò)程。在SAToP方式下，網(wǎng)絡(luò)源邊緣路由器將TDM流切割成一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀，多個(gè)數(shù)據(jù)幀被封裝成給定長(zhǎng)度的分組，加上特殊的分組頭部后發(fā)送到偽線(Pseudo-Wire，PW)上進(jìn)行傳輸。穿越相應(yīng)的PTN路徑后，TDM分組在宿邊緣路由器進(jìn)行解封裝和重建數(shù)據(jù)的過(guò)程。

1.2 PTN承載電力TDM業(yè)務(wù)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的同步數(shù)字體系(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)具備時(shí)延穩(wěn)定、良好的橫向兼容性、較強(qiáng)的自愈保護(hù)能力等優(yōu)勢(shì)，依然是當(dāng)前電力繼保系統(tǒng)的首選技術(shù)。但是，面對(duì)未來(lái)智能電網(wǎng)多業(yè)務(wù)、高帶寬的需求，其容量小、信道時(shí)隙固定、帶寬利用率低等缺點(diǎn)愈發(fā)明顯。比較而言，PTN在承載電力TDM業(yè)務(wù)方面具有如下優(yōu)勢(shì)：

① 10 GE/GE大帶寬長(zhǎng)距離傳送，能夠同時(shí)滿足縣調(diào)、地調(diào)和骨干網(wǎng)的需求，TDM業(yè)務(wù)的可達(dá)范圍更廣。

② TDM分組與數(shù)據(jù)分組統(tǒng)一調(diào)度，在保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，提升了帶寬利用率。

③ PTN具有強(qiáng)大的操作、管理、維護(hù)(Operation Administration and Maintenance，OAM)機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)工作者可以通過(guò)網(wǎng)管系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控TDM分組性能。例如，丟包監(jiān)測(cè)、時(shí)延及抖動(dòng)測(cè)量等。

④ 層次化、圖形化的業(yè)務(wù)性能監(jiān)測(cè)界面，使故障定位和診斷反應(yīng)時(shí)間更加迅速。

2 業(yè)務(wù)時(shí)延

2.1 TDM業(yè)務(wù)重要性

在電力系統(tǒng)中，光纖通道傳輸繼電保護(hù)信息主要采用的方式為線路縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)，簡(jiǎn)稱“線路縱差保護(hù)”。該保護(hù)方式通過(guò)計(jì)算通信通道被保護(hù)線路各側(cè)的電流差值來(lái)判別區(qū)內(nèi)外故障，因此需要保證線路兩側(cè)電氣量信息采集的同步，并滿足一定的實(shí)時(shí)性和靈敏性。國(guó)內(nèi)電力行業(yè)對(duì)繼電保護(hù)信號(hào)的相關(guān)性能做了嚴(yán)格要求，傳輸縱聯(lián)保護(hù)信息的數(shù)字式通道傳輸時(shí)間應(yīng)不大于12 ms；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)字式通道傳輸時(shí)間應(yīng)不大于5 ms[9]；用于繼電保護(hù)的通信通道單向時(shí)延應(yīng)不大于10 ms，且雙向時(shí)延必須對(duì)稱[10-11]。

2.2 單向時(shí)延

通常情況下，單向時(shí)延也稱端到端時(shí)延，指業(yè)務(wù)從網(wǎng)絡(luò)一端出發(fā)，穿越核心網(wǎng)到達(dá)另一端所產(chǎn)生的總延遲時(shí)間。在PTN網(wǎng)絡(luò)中，TDM業(yè)務(wù)的端到端時(shí)延由源邊緣路由器時(shí)延DS、鏈路時(shí)延DP、核心路由器時(shí)延DM和宿邊緣路由器時(shí)延DT四部分組成，具體分析如下。

源邊緣路由器時(shí)延DS包括數(shù)據(jù)幀等待封裝的時(shí)間和源端用戶轉(zhuǎn)換側(cè)時(shí)延DC。PTN采用了先到先服務(wù)非搶占式的隊(duì)列調(diào)度機(jī)制，數(shù)據(jù)幀等待封裝的時(shí)間可以表示為(N-i+1)·125 us。其中，i取正整數(shù)，N為數(shù)據(jù)幀封裝個(gè)數(shù)，1個(gè)TDM幀在直連電路上的傳輸時(shí)間為125 us。

DP也稱傳播時(shí)延，指信號(hào)經(jīng)光纖鏈路傳輸所產(chǎn)生的時(shí)延，一般為4.93 us/km。若傳輸距離為L(zhǎng)，則DP取值為4.93L。

核心路由器時(shí)延DM包括路由器對(duì)分組的處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延兩部分，如式(1)所示：

(1)

式中，RP為核心路由器轉(zhuǎn)發(fā)速率，一般取1 GE或10 GE；TM(j)表示第M個(gè)節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)延，該部分具有隨機(jī)性。TDM業(yè)務(wù)幀按照以太網(wǎng)幀的封裝格式，其頭部共有46個(gè)字節(jié)，分別是26個(gè)字節(jié)的以太網(wǎng)頭、12個(gè)字節(jié)的內(nèi)外層標(biāo)簽和控制字以及8個(gè)可選字節(jié)，所以TDM分組尺寸為46+32N字節(jié)。

宿邊緣路由器時(shí)延DT由分組等待解封裝時(shí)延、抖動(dòng)緩存時(shí)延和宿端用戶轉(zhuǎn)換側(cè)時(shí)延DC組成。分組解封裝時(shí)延可以表示為(i-1)·125 us，i取正整數(shù)；抖動(dòng)緩存時(shí)延取抖動(dòng)緩存閾值的一半。詳細(xì)總結(jié)如表1所示。

表1 TDM業(yè)務(wù)單向時(shí)延組成

2.3 隨機(jī)時(shí)延

由表1可知，在標(biāo)簽交換路徑確定的情況下，DS、DP和DT均可視為固定值，它們對(duì)TDM信號(hào)影響程度較小。隨機(jī)時(shí)延分量TM(j)具有不確定性，是影響TDM信號(hào)同步精度的主要因素，也是PTN承載TDM業(yè)務(wù)時(shí)延問(wèn)題的研究關(guān)鍵點(diǎn)。TM(j)由隊(duì)列調(diào)度隨機(jī)時(shí)延和泊松到達(dá)隨機(jī)時(shí)延兩部分組成。

圖1顯示了隊(duì)列調(diào)度隨機(jī)時(shí)延的產(chǎn)生原理。

在圖1中，情景1表示TDM分組在t0時(shí)刻到達(dá)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)內(nèi)無(wú)其他分組占用緩沖區(qū)，TDM分組無(wú)需等待即可被轉(zhuǎn)發(fā)，隊(duì)列調(diào)度時(shí)延為0。情景2表示當(dāng)TDM分組到達(dá)時(shí)，節(jié)點(diǎn)正在轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)分組或者前一時(shí)刻的TDM分組。當(dāng)前的TDM分組必須等待緩沖區(qū)中前n-1個(gè)分組調(diào)度完畢后方可被轉(zhuǎn)發(fā)，而這n-1個(gè)分組長(zhǎng)度又各不相同。因此，緩沖區(qū)內(nèi)隊(duì)列長(zhǎng)度的未知性導(dǎo)致了隊(duì)列調(diào)度時(shí)延的隨機(jī)性。

圖1 隊(duì)列調(diào)度隨機(jī)時(shí)延的產(chǎn)生原理

另一方面，TDM分組經(jīng)過(guò)PTN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)，其到達(dá)過(guò)程可近似等效為泊松分布[12]，這種分布具有隨機(jī)性。不同封裝尺寸的TDM分組具有不同的泊松到達(dá)率。對(duì)于N的選擇，可以通過(guò)數(shù)值仿真進(jìn)行分析。

綜上所述，TDM業(yè)務(wù)在電力通信網(wǎng)中占有重要的地位，在關(guān)注PTN數(shù)據(jù)通道時(shí)，必須充分考慮TDM業(yè)務(wù)的隨機(jī)時(shí)延特性。

3 時(shí)間同步

電力系統(tǒng)縱差保護(hù)的時(shí)間同步方式分為全球定位系統(tǒng)GPS和線路往返時(shí)間測(cè)量?jī)煞N類型。傳統(tǒng)的SDH網(wǎng)絡(luò)普遍采用GPS，該方式具有授時(shí)精度高、無(wú)需通道連接等特點(diǎn)。但是，電網(wǎng)故障分析要求各微機(jī)裝置的時(shí)間信息不大于1 ms，相位測(cè)量和行波保護(hù)對(duì)時(shí)間精度的要求高達(dá)us級(jí)[13]。GPS在衛(wèi)星失鎖時(shí)，其誤差可能達(dá)到幾十甚至上百毫秒；另一方面，GPS采用微波傳送時(shí)鐘信號(hào)，容易受到天氣、地形因素的干擾，一旦時(shí)鐘信號(hào)中斷，將給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重后果。

出于以上考慮，PTN網(wǎng)絡(luò)采用全新模式的1588v2時(shí)間同步技術(shù)，也稱內(nèi)同步。該模式不依賴外部時(shí)間設(shè)備，僅靠源宿兩端互傳帶有時(shí)間信息(時(shí)間戳)的報(bào)文來(lái)計(jì)算同步時(shí)間差，進(jìn)而通過(guò)該時(shí)間差調(diào)整電流值的時(shí)間偏移量。對(duì)于電路仿真業(yè)務(wù)，PTN需提供TDM業(yè)務(wù)時(shí)鐘的透明傳輸，并保證收發(fā)兩端業(yè)務(wù)時(shí)鐘具有相同的、長(zhǎng)期的頻率準(zhǔn)確度[1]。

在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)處，封裝有同步信息的報(bào)文會(huì)受到其它類型報(bào)文擠占服務(wù)器的影響，造成業(yè)務(wù)時(shí)鐘和參考時(shí)鐘不一致。針對(duì)這一問(wèn)題，PTN采用自適應(yīng)法來(lái)恢復(fù)定時(shí)。該方法通過(guò)統(tǒng)計(jì)TDM分組到達(dá)的時(shí)間間隔，動(dòng)態(tài)調(diào)整宿端緩沖區(qū)尺寸。常用的時(shí)間間隔分布為負(fù)指數(shù)分布，這種分布可以利用排隊(duì)論的方法進(jìn)行分析，并通過(guò)計(jì)算隊(duì)列長(zhǎng)度來(lái)確定緩沖區(qū)尺寸。然而，負(fù)指數(shù)分布只是一種特例，業(yè)務(wù)到達(dá)時(shí)間間隔存在一般性，這會(huì)使分析難度大大增加。

4 保護(hù)倒換

從工作路徑切換到保護(hù)路徑，或者從主用設(shè)備切換到備用設(shè)備的過(guò)程稱為保護(hù)倒換，它是保障電力系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。為了保證業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性，繼電保護(hù)系統(tǒng)通常采用1+1和1∶1兩種保護(hù)倒換方式。

在1+1保護(hù)倒換方式下，TDM業(yè)務(wù)采用源端雙發(fā)和宿端選收的機(jī)制。當(dāng)工作通道故障時(shí)，保護(hù)通道依然可以繼續(xù)工作，從而保證了業(yè)務(wù)的連續(xù)性。這種機(jī)制雖然增加了額外的線路成本，但有效提升了線路可靠性。圖2顯示了1+1路徑保護(hù)倒換原理。RA、RB表示縱差保護(hù)設(shè)備；PE為源、宿端路由器，它們是TDM分組的起始與終止節(jié)點(diǎn)；LSRn為PTN的中心節(jié)點(diǎn)。

圖2 1+1路徑保護(hù)倒換原理

在1∶1保護(hù)倒換方式下，TDM業(yè)務(wù)只在工作通道傳送，此時(shí)的保護(hù)通道用來(lái)傳送其他業(yè)務(wù)。一旦工作通道出現(xiàn)異常，保護(hù)通道立即停止當(dāng)前傳送任務(wù)，工作通道切換至保護(hù)通道，使得TDM業(yè)務(wù)得以繼續(xù)傳送。這種方式提高了通道利用率，但是在切換的過(guò)程中勢(shì)必會(huì)造成TDM數(shù)據(jù)的丟失和延遲。圖3顯示了1∶1路徑保護(hù)倒換原理。

文獻(xiàn)[11]指出，傳輸繼電保護(hù)信號(hào)的光纖通道保護(hù)倒換和恢復(fù)時(shí)間應(yīng)小于50 ms。PTN能夠?qū)崿F(xiàn)50 ms的電信級(jí)保護(hù)倒換，并且支持1+1和1∶1兩種方式。但是，TDM業(yè)務(wù)要求光纖通道雙向路由的一致性，且支持雙向倒換機(jī)制。這使得在配置標(biāo)簽交換路經(jīng)時(shí)，必須考慮中心節(jié)點(diǎn)的承載能力和路徑總節(jié)點(diǎn)數(shù)量。如果某中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)擁塞，兩種保護(hù)倒換方式均會(huì)失效。同樣，如果節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)多，也會(huì)增大分組丟包的概率。所以，盡管PTN擁有良好的保護(hù)倒換機(jī)制，對(duì)于TDM業(yè)務(wù)的承載，仍然需要組網(wǎng)測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)的支撐。

圖3 1∶1路徑保護(hù)倒換原理

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析電力系統(tǒng)對(duì)TDM業(yè)務(wù)的要求以及PTN的原理，本文得出如下結(jié)論：

① PTN承載TDM業(yè)務(wù)存在隨機(jī)時(shí)延，這種隨機(jī)時(shí)延與中心節(jié)點(diǎn)入口側(cè)隊(duì)列長(zhǎng)度有關(guān)。合理配置緩沖區(qū)長(zhǎng)度和分組封裝尺寸，能有效減低隨機(jī)時(shí)延對(duì)TDM業(yè)務(wù)的影響程度。

② PTN1588v2時(shí)間同步技術(shù)在一定程度上提高了實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的可靠性，但是依然存在丟包和延遲的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)整緩沖區(qū)長(zhǎng)度可以降低這種風(fēng)險(xiǎn)。

③ PTN支持1+1和1∶1保護(hù)倒換機(jī)制。在實(shí)際應(yīng)用中具體選擇哪種方式，應(yīng)綜合考慮節(jié)點(diǎn)吞吐量和串聯(lián)路徑的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

下一步的工作是建立各個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電力環(huán)境下的PTN實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)進(jìn)行更細(xì)致的數(shù)值仿真。

[1] YD/T 2374-2011.分組傳送網(wǎng)(PTN)總體技術(shù)要求[S],2011.

[2] 魏 勇,汪 洋,張合明,等.電力分組傳輸網(wǎng)時(shí)延特性測(cè)試研究[J].電力信息與通信技術(shù),2015,13(3):12-16.

[3] 高會(huì)生,汪 洋.PTN業(yè)務(wù)隨機(jī)時(shí)延對(duì)差動(dòng)保護(hù)同步性能的影響分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2015,35(7):165-171.

[4] 李 煒,王妙心,滕 玲.基于OTN+PTN的光傳輸網(wǎng)絡(luò)同步系統(tǒng)研究[J].光通信研究,2013 (4):18-19.

[5] 宋樂(lè)樂(lè),劉小兵,孫信軍,等.1588時(shí)間同步在下一代電力骨干網(wǎng)中的部署[J].電力系統(tǒng)通信,2012,33(241):11-14.

[6] 汪 強(qiáng),朱延章,葛光勝,等.分組傳送技術(shù)在智能配用電通信網(wǎng)的應(yīng)用探討[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(9):139-146.

[7] 高 強(qiáng),尹永飛.PTN技術(shù)傳輸繼電保護(hù)業(yè)務(wù)若干問(wèn)題的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2016,44(8):57-62.

[8] Vainshtein A,Stein Y J.Structure-Agnostic Time Division Multiplexing (TDM) over Packet (SAToP) [S].IETF RFC 4553,2006.

[9] GB/T14285-2006.繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S],2006.

[10]GB/T15149.1-2002.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)方保護(hù)設(shè)備的性能及試驗(yàn)方法——第一部分：命令系統(tǒng)[S],2002.

[11]DL/T 364-2010.光纖通道傳輸保護(hù)信息通用技術(shù)條件[S],2010.

[12]Dbira H，Girard A，Sabso B.Calculation of Packet Jitter for Non-poisson Traffic[J].Journal of Annals of Telecommunications,2016:1-15.

[13]蔣陸萍,曾祥君,李澤文,等.基于GPS實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)高精度同步時(shí)鐘[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(2):201-206.

Analysis of Key Issues of Power Grid Real-time Communication

FANG Zi-xi,GAO Hui-sheng

(Department of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China)

The electric power communication real-time services carried by PTN,has transmission quality problem.First,the electric power system packetization process in Chinais briefly introduced.Second,the feasibility of transmitting relay protection signal over PTN is analyzed from aspects of delay,synchronization and protection switching.The results show that,the network performance can be improved by optimizing package size,buffer length,network throughout and node number reasonably.The research results can provide reference for engineering.

packet transport network;time division multiplexing;delay;synchronization;protection switching;electric power;communication

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.06.10

方子希，高會(huì)生.PTN承載電網(wǎng)實(shí)時(shí)通信業(yè)務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題分析 [J].無(wú)線電通信技術(shù),2016,42(6):41-44.

2016-07-05

方子希(1990—)，男，碩士研究生，信號(hào)與信息處理專業(yè)，主要研究方向：電力通信技術(shù)應(yīng)用。高會(huì)生(1963—)，男，教授，博士，主要研究方向：電力通信網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理和可靠性評(píng)估等。

TN919

A

1003-3114(2016)06-41-4