PTN技術(shù)在紹興電力通信網(wǎng)的應(yīng)用研究

丁偉強(qiáng)，裘衛(wèi)星，陳德平，張 倩，張曉峰，汪 磊

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司， 浙江 紹興 312000）

0 引言

PTN（分組傳送網(wǎng)）技術(shù)作為近年來業(yè)界一種新興傳送網(wǎng)技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用。在電力系統(tǒng)通信網(wǎng)中，由于調(diào)度自動(dòng)化、繼電保護(hù)等業(yè)務(wù)對(duì)傳輸通道的高要求，以及電網(wǎng)通信基于主流成熟技術(shù)構(gòu)建的傳統(tǒng)，十幾年來電力系統(tǒng)一直以SDH/MSTP（數(shù)字同步系列/多業(yè)務(wù)平臺(tái)）網(wǎng)絡(luò)為主干傳輸網(wǎng)絡(luò)，PTN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起步較慢，目前尚未得到廣泛應(yīng)用。隨著電力通信數(shù)據(jù)網(wǎng)、配電自動(dòng)化以及機(jī)器人巡檢、智能消防監(jiān)控等諸多新系統(tǒng)的建設(shè)投運(yùn)，對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）業(yè)務(wù)保障提出了更高的要求，現(xiàn)有的SDH通信網(wǎng)從帶寬和應(yīng)用靈活性上都難以滿足不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，急需尋找一種新的安全可靠的通信方式來支撐新增的海量IP業(yè)務(wù)通道需求。

紹興電力PTN項(xiàng)目于2015年投產(chǎn)，在浙江電力率先進(jìn)行了應(yīng)用試點(diǎn)，在2年的運(yùn)行中，通過構(gòu)建不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，積累了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。以下通過對(duì)PTN技術(shù)方案的介紹和在安全性、可靠性方面的論述，為電力通信網(wǎng)如何彌補(bǔ)傳統(tǒng)SDH網(wǎng)絡(luò)的局限提供了新的思路和有益的參考。

1 概述

1.1 PTN技術(shù)特點(diǎn)

電信業(yè)務(wù)IP化是業(yè)界主流的發(fā)展趨勢(shì)，在這一大趨勢(shì)下，傳送網(wǎng)將逐步向適應(yīng)IP化業(yè)務(wù)承載的方向發(fā)展。IP化的業(yè)務(wù)具有帶寬突發(fā)性、峰均值比較高等特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)高帶寬、高QoS（服務(wù)質(zhì)量）、高安全承載和電信級(jí)的監(jiān)控管理是當(dāng)前必須考慮的重要問題。SDH/MSTP技術(shù)承載IP化業(yè)務(wù)的效率較為低下，以太網(wǎng)技術(shù)QoS能力不足，保護(hù)機(jī)制不完備，路由技術(shù)OAM（操作管理維護(hù)）能力較弱。

PTN技術(shù)是基于分組交換內(nèi)核的、面向連接的多業(yè)務(wù)統(tǒng)一傳送技術(shù)，它融合了傳送網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，旨在構(gòu)造電信級(jí)的面向連接的分組承載網(wǎng)絡(luò)。PTN繼承了SDH電信級(jí)的OAM和保護(hù)倒換優(yōu)勢(shì)，融合了以太網(wǎng)高效統(tǒng)計(jì)復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，以分組的內(nèi)核實(shí)現(xiàn)端到端業(yè)務(wù)調(diào)度、監(jiān)控保護(hù)、QoS保證等類似SDH的電信級(jí)性能，是傳送網(wǎng)的較好技術(shù)選擇。

1.2 PTN技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于電網(wǎng)通信業(yè)務(wù)部門對(duì)通道安全性可靠性的特殊要求以及對(duì)新技術(shù)應(yīng)用的審慎考慮，在電信運(yùn)營(yíng)商大規(guī)模采用PTN技術(shù)進(jìn)行傳送網(wǎng)建設(shè)后，國(guó)家電網(wǎng)公司部分網(wǎng)省公司才開始進(jìn)行PTN技術(shù)應(yīng)用。目前，山東電力PTN網(wǎng)絡(luò)為國(guó)網(wǎng)公司最大的PTN網(wǎng)絡(luò)，采用PTN技術(shù)建設(shè)了省級(jí)視頻會(huì)議系統(tǒng)承載網(wǎng)絡(luò)、省級(jí)超高壓數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)、各地市城域網(wǎng)等；湖南電力建設(shè)了長(zhǎng)沙至岳陽(yáng)的PTN試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)；河北電力全部地市采用PTN技術(shù)進(jìn)行了農(nóng)網(wǎng)改造；河南電力在6個(gè)地市進(jìn)行了PTN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。浙江電力也在紹興等個(gè)別地市開展了PTN技術(shù)試點(diǎn)應(yīng)用。

2 PTN技術(shù)方案分析

2.1 PTN技術(shù)安全性方案

傳統(tǒng)的SDH/MSTP網(wǎng)絡(luò)以時(shí)隙為單位進(jìn)行業(yè)務(wù)隔離，以達(dá)到保證業(yè)務(wù)安全性的效果。SDH業(yè)務(wù)隔離模型如圖1所示。SDH提供的是以時(shí)隙號(hào)為唯一標(biāo)識(shí)的不可修改的固定速率管道。

PTN采用MPLS-TP（多協(xié)議標(biāo)簽交換傳送應(yīng)用）協(xié)議進(jìn)行業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)，針對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)建立不同的LSP（標(biāo)簽交換路徑）。每個(gè)業(yè)務(wù)獨(dú)享屬于自己的LSP通道，如圖2所示。

PTN通過MPLS VPN技術(shù)對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度隔離。MPLS VPN的網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)簽交換，1個(gè)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)1個(gè)用戶數(shù)據(jù)流，非常易于用戶間數(shù)據(jù)的隔離，利用區(qū)分服務(wù)體系可以輕易解決困擾傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的QoS/CoS（服務(wù)質(zhì)量/服務(wù)類別）問題，MPLS自身提供流量工程的能力，可以最大限度地優(yōu)化配置網(wǎng)絡(luò)資源，自動(dòng)快速修復(fù)網(wǎng)絡(luò)故障，提供高可用性和高可靠性。

圖1 SDH業(yè)務(wù)隔離模型

圖2 PTN業(yè)務(wù)隔離模型

SDH和PTN兩種技術(shù)，一個(gè)是剛性管道，一個(gè)是彈性管道。但從業(yè)務(wù)隔離的角度，兩者提供的隔離能力是一致的。

2.2 PTN可靠性技術(shù)方案

PTN網(wǎng)絡(luò)層面的保護(hù)技術(shù)主要包含線性保護(hù)和環(huán)網(wǎng)保護(hù)，線性保護(hù)主要包括1+1LSP保護(hù)、1∶1LSP保護(hù)等，環(huán)網(wǎng)保護(hù)包括Wrapping（環(huán)同）保護(hù)、Steering（源操控）保護(hù)2種機(jī)制，在具體的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，可能存在不用的保護(hù)機(jī)制混合應(yīng)用的情況。

線性保護(hù)1+1LSP保護(hù)和線性1∶1LSP保護(hù)均遵循G.8131標(biāo)準(zhǔn)，2種保護(hù)機(jī)制原理簡(jiǎn)單，倒換速度快，是目前應(yīng)用最多的保護(hù)機(jī)制。

Wrapping保護(hù)和Steering保護(hù)均遵循G.8132標(biāo)準(zhǔn)，是基于段層的保護(hù)機(jī)制，類似于SDH的復(fù)用段保護(hù)原理，在故障處相鄰兩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行橋接，采用TMN（電信管理網(wǎng)）層OAM中的APS（自動(dòng)保護(hù)倒換）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)小于50 ms倒換。

當(dāng)PTN設(shè)備與交換機(jī)、路由器等終端設(shè)備互連時(shí)，PTN支持不同層面設(shè)備之間的保護(hù)，如LAG（鏈路聚合）保護(hù)和雙歸屬保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)跨不同系統(tǒng)的端到端保護(hù)。

2.3 PTN技術(shù)承載效率分析

對(duì)于以太網(wǎng)和IP業(yè)務(wù)來說，PTN承載效率明顯高于MSTP，因?yàn)镸STP需要通過GFP（通用成幀協(xié)議）或者LAPS（鏈路接入規(guī)程-SDH）把以太網(wǎng)幀封裝到TDM（時(shí)分復(fù)用）的虛通道中，這個(gè)過程會(huì)增加封裝的開銷以及處理的時(shí)延；而對(duì)E1等TDM業(yè)務(wù)而言，MSTP的承載效率要高于PTN。

目前電力系統(tǒng)基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TDM業(yè)務(wù)。因此，隨著電力綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的逐漸發(fā)展，采用PTN網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載效率要明顯優(yōu)于MSTP網(wǎng)絡(luò)。

2.4 PTN同步時(shí)鐘技術(shù)方案

2.4.1 頻率同步

PTN網(wǎng)絡(luò)承載CES（電路仿真）業(yè)務(wù)（如E1電路仿真業(yè)務(wù)）時(shí)，需提供業(yè)務(wù)時(shí)鐘的透明傳送，保證發(fā)送端和接收端的業(yè)務(wù)時(shí)鐘具有相同的、長(zhǎng)期的頻率準(zhǔn)確度。目前，業(yè)界主流的頻率同步方法是基于同步以太網(wǎng)接口進(jìn)行頻率同步分配。

同步以太網(wǎng)是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘的技術(shù)，在物理層以太網(wǎng)與SDH一樣采用串行碼流方式傳輸，接收端必須具備時(shí)鐘恢復(fù)功能，否則無法通信。

2.4.2 時(shí)間同步

傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的方法有NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議），與傳統(tǒng)授時(shí)技術(shù)相比，IEEE 1588 v2有明顯的優(yōu)勢(shì)。其采用雙向信道，精度達(dá)到ns級(jí)，費(fèi)用低，能適應(yīng)不同的接入環(huán)境等。在對(duì)精度要求不斷提高的行業(yè)背景下，1588已成為一種發(fā)展的必然趨勢(shì)。提供高精度的時(shí)間同步（相位同步）是PTN技術(shù)的特色之一，PTN設(shè)備都支持IEEE 1588 v2協(xié)議，通過在分組網(wǎng)絡(luò)中傳送PTP（點(diǎn)到點(diǎn)）時(shí)間消息報(bào)文，采用一定的算法計(jì)算出時(shí)間偏差和鏈路時(shí)延并進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間的精確同步。

3 PTN在電力通信網(wǎng)的應(yīng)用分析

3.1 在農(nóng)網(wǎng)的應(yīng)用

農(nóng)村電網(wǎng)以前是由地方政府投資和建設(shè)，通信網(wǎng)絡(luò)相對(duì)落后，各種技術(shù)和產(chǎn)品使用的種類過多，網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一性、完整性和技術(shù)演進(jìn)能力差，省電力公司回收農(nóng)網(wǎng)之后亟待對(duì)農(nóng)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造升級(jí)或重建。

農(nóng)網(wǎng)的業(yè)務(wù)幾乎全部為分組業(yè)務(wù)，因此非常適合PTN建網(wǎng)。使用PTN建設(shè)一張電信級(jí)的承載網(wǎng)絡(luò)，既可當(dāng)作傳輸網(wǎng)使用，又可當(dāng)作數(shù)據(jù)網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)和傳輸網(wǎng)的融合，與傳統(tǒng)傳輸網(wǎng)與數(shù)據(jù)網(wǎng)分別建網(wǎng)模式相比減少了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本。農(nóng)網(wǎng)組網(wǎng)模式如圖3所示。

圖3 農(nóng)網(wǎng)組網(wǎng)模式

農(nóng)網(wǎng)使用PTN組網(wǎng)時(shí)可以是環(huán)型、鏈型、相交環(huán)、相切環(huán)、網(wǎng)狀網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在縣調(diào)度中心可以部署一臺(tái)大型或中型PTN設(shè)備，在35 kV變電站可以部署中小型PTN設(shè)備，線路速率選擇1GE即可，自動(dòng)化裝置、保護(hù)裝置等設(shè)備可以直接通過FE接口連接到PTN設(shè)備，由PTN設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的傳送和匯聚。

3.2 在地市網(wǎng)的應(yīng)用

地市PTN網(wǎng)絡(luò)作為既有MSTP網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，主要用于承載具有突發(fā)性的分組業(yè)務(wù)和少量的TDM業(yè)務(wù)，MSTP網(wǎng)絡(luò)主要用于承載TDM業(yè)務(wù)和少量分組業(yè)務(wù)，這樣可以隨著業(yè)務(wù)IP化的發(fā)展實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，PTN網(wǎng)絡(luò)起到承前啟后的作用。對(duì)于PTN暫時(shí)未覆蓋到的區(qū)域還可以繼續(xù)使用既有的MSTP提供傳輸通道，在一段時(shí)間內(nèi)PTN和MSTP將共存，PTN設(shè)備完全可以和MSTP設(shè)備通過FE/GE/E1/STM-1等UNI（用戶-網(wǎng)絡(luò)接口）互聯(lián)互通。地市到縣的PTN建網(wǎng)模式如圖4所示。

城網(wǎng)中MSTP已普及到110 kV變電站，傳輸速率為622 Mbit/s或2.5 Gbit/s。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，一批新興分組業(yè)務(wù)涌現(xiàn)出來，如配電自動(dòng)化、用電信息采集、視頻監(jiān)控、電動(dòng)汽車充放站等業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)傳輸帶寬和接入能力有較高要求，現(xiàn)有MSTP網(wǎng)絡(luò)面臨擴(kuò)容壓力。使用PTN組建新的城域傳送網(wǎng)，則可滿足帶寬需求和新業(yè)務(wù)的快速開通，城網(wǎng)PTN組網(wǎng)模式如圖5所示。

圖4 地市到縣組網(wǎng)模式

圖5 城網(wǎng)組網(wǎng)模式

城網(wǎng)PTN組網(wǎng)地調(diào)使用大容量的PTN設(shè)備，市內(nèi)110 kV變電站使用中等容量的PTN設(shè)備，OLT（光線路終端）設(shè)備通過FE/GE接口上聯(lián)。

4 紹興電力PTN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

紹興電力PTN建設(shè)項(xiàng)目涉及縣區(qū)的電力綜合業(yè)務(wù)承載，包括47臺(tái)PTN節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

承載的業(yè)務(wù)包括：傳輸調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)E1業(yè)務(wù)、配電網(wǎng)自動(dòng)化、視頻業(yè)務(wù)以及信息、用電信息采集、變電站智能監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

為適應(yīng)新建PTN網(wǎng)絡(luò)和原有MSTP/SDH網(wǎng)絡(luò)共存的狀況，合理安排TDM業(yè)務(wù)和IP業(yè)務(wù)的承載方式，靈活分配通道資源，在紹興電力地區(qū)通信網(wǎng)匯聚層將PTN網(wǎng)絡(luò)和MSTP/SDH網(wǎng)絡(luò)對(duì)接組網(wǎng)，滿足部分接入層設(shè)備窄帶業(yè)務(wù)和臨時(shí)業(yè)務(wù)的端到端調(diào)度和使用。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 紹興電力PTN匯聚層組網(wǎng)示意

紹興電力配網(wǎng)自動(dòng)化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)典型應(yīng)用模型如圖7所示。

圖7 紹興配電網(wǎng)通信組網(wǎng)方式

不同的業(yè)務(wù)通過PTN網(wǎng)絡(luò)的TUNNEL（隧道）和PW（偽線）標(biāo)簽進(jìn)行區(qū)分和隔離，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，確定了Tunnel Lable值分配原則、PW出入標(biāo)簽分配原則、以太網(wǎng)業(yè)務(wù)VLAN-ID及2M業(yè)務(wù)PW標(biāo)簽的分配原則等。

5 結(jié)語(yǔ)

電力通信承載網(wǎng)作為電力通信網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)，受到用戶需求和業(yè)務(wù)應(yīng)用的直接驅(qū)動(dòng)，其基本特征是業(yè)務(wù)類型多樣化和業(yè)務(wù)流向流量的不確定性。隨著越來越多的電力應(yīng)用系統(tǒng)向IP遷移，將會(huì)對(duì)電力的承載網(wǎng)絡(luò)提出了非常高的要求和更大的挑戰(zhàn)，PTN技術(shù)以其易用、靈活、可靠的特點(diǎn)，無疑是構(gòu)建新型電力通信網(wǎng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)選項(xiàng)。

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