電力通信SDH光傳輸網(wǎng)仿真及規(guī)劃應(yīng)用

吳 越 常 倩 張 庚 王亞男 楊林濤* 江 昊

1(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢 430079) 2(中國電力科學(xué)研究院有限公司 北京 100192) 3(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院 湖北 武漢 430072)

0 引 言

“十三五”期間，為充分保障中東部地區(qū)電力供應(yīng)，我國西電東送、北電南送的規(guī)模顯著增長，全國電網(wǎng)互聯(lián)的格局已經(jīng)形成[1-2]。與此同時，國家電網(wǎng)公司省際骨干通信網(wǎng)進一步提高服務(wù)支撐能力，全面建成了基于SDH和光傳送網(wǎng)(Optical Transport Network，OTN)技術(shù)的光傳輸網(wǎng)雙平面結(jié)構(gòu)。然而，隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的持續(xù)擴大，光傳輸網(wǎng)承載的業(yè)務(wù)數(shù)量飛速增長[3]，出現(xiàn)了拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、資源分布不均衡、管理難度大等問題，給運維管理人員帶來了前所未有壓力，僅依靠個人經(jīng)驗和理論分析等傳統(tǒng)方法難以滿足電力通信網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的需求，而仿真作為通信網(wǎng)絡(luò)分析設(shè)計的重要工具，可為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的決策提供有力的數(shù)據(jù)支持[4-5]。SDH光傳輸網(wǎng)作為電力通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，承載了繼電保護、安穩(wěn)控制和調(diào)度自動化等電網(wǎng)核心業(yè)務(wù)[6]，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，因此本文針對電力通信SDH光傳輸網(wǎng)的仿真及規(guī)劃應(yīng)用進行研究。

光網(wǎng)絡(luò)的仿真及規(guī)劃一直是近年研究的熱點。Kretsis等[7]設(shè)計了名為Mantis的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及運營工具，支持路由計算、波長及光譜分配、資本支出/運營成本計算等功能；VPIsystems公司開發(fā)了一系列網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與規(guī)劃軟件，用于對光傳輸網(wǎng)絡(luò)進行業(yè)務(wù)預(yù)測及資源規(guī)劃[8-10]；韓立園等[11]基于OPNET對網(wǎng)絡(luò)進行仿真建模和性能分析，為網(wǎng)絡(luò)擴建設(shè)計提供依據(jù)；楊偉振[12]在GLASS[13]的基礎(chǔ)上添加SDH光傳輸網(wǎng)絡(luò)組件模塊，實現(xiàn)對SDH光網(wǎng)絡(luò)的建模、仿真和性能評估。上述軟件工具或方法均面向公網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)容量分析、投資收益分析等解決方案，但未考慮電網(wǎng)管理政策(例如三雙、線路重載等)、電力業(yè)務(wù)高可靠性和光纜網(wǎng)的限制等電網(wǎng)特異需求，不能完全滿足電力通信網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的要求。

針對上述問題，本文設(shè)計了電力通信SDH光傳輸網(wǎng)仿真與規(guī)劃應(yīng)用整體架構(gòu)和工作流程，建立了時隙資源管理、節(jié)點組模型等資源仿真模型，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)路由規(guī)劃、故障模擬及保護倒換等功能。在試點省份部署應(yīng)用，結(jié)果表明本文方法能夠為電力通信SDH光傳輸網(wǎng)的日常規(guī)劃優(yōu)化提供輔助決策手段，同時，其故障分析功能可以模擬故障對真實網(wǎng)絡(luò)的影響和風(fēng)險，提升運維人員的事故處理能力。

1 仿真與規(guī)劃應(yīng)用設(shè)計

1.1 整體架構(gòu)

電力通信SDH光傳輸網(wǎng)仿真與規(guī)劃應(yīng)用整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體架構(gòu)

圖1中，數(shù)據(jù)庫模塊存儲現(xiàn)網(wǎng)運行管理數(shù)據(jù)，為資源仿真、行為仿真和規(guī)劃應(yīng)用模塊提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互；資源仿真模塊建立基礎(chǔ)仿真模型，為網(wǎng)絡(luò)行為的仿真及規(guī)劃應(yīng)用提供支撐；行為仿真模塊針對網(wǎng)絡(luò)故障及保護倒換行為進行仿真；規(guī)劃應(yīng)用模塊實現(xiàn)新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃、業(yè)務(wù)路由優(yōu)化和業(yè)務(wù)可靠性評估等功能；控制模塊通過Socket TCP接口發(fā)送指令，控制各模塊執(zhí)行相應(yīng)操作。

1.2 工作流程

各模塊間工作及交互流程如圖2所示。仿真及規(guī)劃應(yīng)用分為創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、規(guī)劃應(yīng)用(以新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃為例)、故障分析和保存網(wǎng)絡(luò)等五個工作狀態(tài)。

圖2 各模塊間工作及交互流程

1) 創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫：仿真開始，控制模塊發(fā)送創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫指令，資源仿真模塊收到指令后提取.xlsx格式的現(xiàn)網(wǎng)運行管理數(shù)據(jù)，通知數(shù)據(jù)庫模塊創(chuàng)建相應(yīng)數(shù)據(jù)表進行存儲。

2) 創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)：控制模塊發(fā)送創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)指令，資源仿真模塊收到指令后從數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)，針對時隙資源管理模型、節(jié)點組模型、鏈路組模型、網(wǎng)絡(luò)及保護組模型和業(yè)務(wù)及路由組模型創(chuàng)建相應(yīng)的對象。

3) 新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃：控制模塊發(fā)送新增業(yè)務(wù)指令，規(guī)劃應(yīng)用模塊收到指令后根據(jù)業(yè)務(wù)描述信息計算網(wǎng)絡(luò)中是否存在可用業(yè)務(wù)路由。如果存在，更新剩余資源，返回所得業(yè)務(wù)路由；如果不存在，返回?zé)o可用資源。

4) 故障分析：控制模塊發(fā)送故障分析指令，攜帶故障設(shè)備節(jié)點、光纖信息，行為仿真模塊收到指令后設(shè)置相應(yīng)設(shè)備節(jié)點、光纖故障，并通知資源仿真模塊查詢保護設(shè)置信息。如果有可用保護，進行保護倒換操作，并返回可用保護信息；如果無可用保護，返回業(yè)務(wù)丟失信息。

5) 保存網(wǎng)絡(luò)：控制模塊發(fā)送保存網(wǎng)絡(luò)指令，資源仿真模塊提取相應(yīng)信息保存至數(shù)據(jù)庫，仿真結(jié)束。

2 功能模塊實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)庫模塊

基于MySQL 8.0數(shù)據(jù)庫，依據(jù)現(xiàn)網(wǎng)運行管理數(shù)據(jù)，創(chuàng)建站點表、設(shè)備節(jié)點表、設(shè)備板卡表、端口表、光纜表、光纖表、線性復(fù)用段1+1保護(MSP 1+1)表、二纖雙向復(fù)用段共享保護環(huán)(MS-SPRing2)表、通道保護環(huán)表、通道表和業(yè)務(wù)表。

2.2 資源仿真模塊

本文自底向上建立電力通信SDH光傳輸網(wǎng)“屬性—方法—關(guān)系”類模型，包括時隙資源管理模型、節(jié)點組模型、鏈路組模型、網(wǎng)絡(luò)及保護組模型和業(yè)務(wù)及路由組模型。

(1) 時隙資源管理模型。時隙資源管理類模型在時隙粒度對鏈路資源進行分配，其由時隙類Slot和SDH數(shù)據(jù)幀類ClsSDHFrame組成。其中，一個SDH數(shù)據(jù)幀由多個時隙組成。本文參照GB/T 15940-2008標(biāo)準(zhǔn)[14]對ClsSDHFrame類的映射和復(fù)用體系進行建模，其復(fù)用和映射結(jié)構(gòu)均繼承自Slot類，并提供時隙資源的檢查、分配、更新和釋放等方法。

(2) 節(jié)點組模型和鏈路組模型。網(wǎng)絡(luò)及保護組模型承載在節(jié)點組模型和鏈路組模型之上。節(jié)點組模型由站點類Site、設(shè)備節(jié)點類Node、設(shè)備板卡類Card和端口類Port組成；鏈路組模型由光纜類OLG、光路類Olink和光纖類Fiber組成。其中，光纖對象依據(jù)光纖速率等級創(chuàng)建相應(yīng)的ClsSDHFrame類對象作為屬性保存，用于對光纖中時隙資源進行分配和管理。

(3) 網(wǎng)絡(luò)及保護組模型。網(wǎng)絡(luò)及保護組模型由網(wǎng)絡(luò)類Network、線性復(fù)用段1+1保護類MSP和二纖雙向復(fù)用段共享保護環(huán)類MS-SPRing2組成，網(wǎng)絡(luò)中可以包含MSP 1+1保護、MS-SPRing2保護、兩者兼有或均不存在。對于MS-SPRing2保護，本文選取ITU-T G.808.2推薦的Wrapping保護[15]方式，環(huán)網(wǎng)由S1/P2和S2/P1兩組光纖構(gòu)成，在設(shè)置保護時，將S1/P2光纖時隙資源的一半設(shè)置為工作時隙(S1)，另一半設(shè)置為保護時隙(P2)，并為S2/P1光纖的工作時隙提供反方向保護，S2/P1光纖的設(shè)置方式類似。

(4) 業(yè)務(wù)及路由組模型。業(yè)務(wù)及路由組模型由業(yè)務(wù)Service類、通道OChannel類和通道保護環(huán)Trail_Protection類組成。根據(jù)業(yè)務(wù)是否存在保護可將其分為兩類：對于非保護業(yè)務(wù)，對應(yīng)一條業(yè)務(wù)通道；對于保護業(yè)務(wù)，對應(yīng)一個通道保護環(huán)。

任意一條通道或通道保護環(huán)上可以承載多條業(yè)務(wù)，具體承載業(yè)務(wù)的數(shù)量取決于通道、通道保護環(huán)和業(yè)務(wù)的帶寬屬性。本文所述業(yè)務(wù)路由指業(yè)務(wù)源端到宿端單方向的一條路徑；通道由兩條方向相反的業(yè)務(wù)路由組成；通道保護環(huán)分為二纖單向通道保護環(huán)和二纖雙向通道保護環(huán)，均由兩條通道組成，且兩條通道應(yīng)能夠成環(huán)。

2.3 行為仿真模塊

本節(jié)將著重介紹在行為仿真模塊中進行的故障模擬和保護倒換的實現(xiàn)方法，其流程如圖3所示。

圖3 故障分析流程

在啟動故障分析后，首先設(shè)置故障光纖和故障設(shè)備節(jié)點信息，故障設(shè)置方式可以人工手動設(shè)置故障設(shè)備節(jié)點、光纖列表或自動進行單斷、雙斷輪詢；然后遍歷全網(wǎng)所有業(yè)務(wù)，提取網(wǎng)絡(luò)中受影響的業(yè)務(wù)，依據(jù)業(yè)務(wù)等級由高到低結(jié)合設(shè)置的保護策略進行保護倒換；最后返回故障分析結(jié)果，包括丟失業(yè)務(wù)數(shù)量、失去保護業(yè)務(wù)數(shù)量、倒換業(yè)務(wù)數(shù)量等參數(shù)。

在進行保護倒換時，按照MSP 1+1>MS-SPRing2>通道保護環(huán)的優(yōu)先級順序進行，分為以下三種情況：

1) 若故障光纖/設(shè)備節(jié)點在業(yè)務(wù)通道的保護路由上，不執(zhí)行倒換，僅上報業(yè)務(wù)失去保護。

2) 若故障設(shè)備節(jié)點在業(yè)務(wù)通道的工作路由上，第一步僅嘗試進行MS-SPRing2保護倒換，這是因為在設(shè)備節(jié)點故障時，經(jīng)過該設(shè)備節(jié)點的MSP 1+1保護必定失效。若成功，更新與故障復(fù)用段關(guān)聯(lián)的通道或通道保護環(huán)路徑；否則，嘗試進行通道保護環(huán)倒換，成功則返回保護倒換結(jié)果，失敗則上報業(yè)務(wù)中斷。

3) 若故障光纖在業(yè)務(wù)通道的工作路由上，首先嘗試進行MSP 1+1保護倒換操作，成功則更新與故障復(fù)用段關(guān)聯(lián)的通道或通道保護環(huán)路徑，否則按照情況2)處理。

2.4 規(guī)劃應(yīng)用模塊

規(guī)劃應(yīng)用模塊包括新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃、業(yè)務(wù)路由優(yōu)化和基于N-X的業(yè)務(wù)可靠性評估等功能。其中，新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃實現(xiàn)在新增業(yè)務(wù)時對網(wǎng)絡(luò)可用資源進行分配并更新；業(yè)務(wù)路由優(yōu)化將電網(wǎng)管理政策(例如三雙、線路重載等)作為約束條件，對所選業(yè)務(wù)路由進行重新規(guī)劃；基于N-X的業(yè)務(wù)可靠性評估利用2.3節(jié)所述方法模擬發(fā)生N-X故障，對各業(yè)務(wù)進行受影響分析，對于受影響程度超閾值的業(yè)務(wù)，應(yīng)優(yōu)先采取保障措施。

本節(jié)以新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃為例，介紹規(guī)劃應(yīng)用模塊的實現(xiàn)方法。業(yè)務(wù)路由規(guī)劃過程中最關(guān)鍵的步驟是相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源的分配，若使用常用的最短路徑算法，難以保證所求最短業(yè)務(wù)路由存在可用資源，因此本文采用Yen[16]提出的算法求解K條最短路由，從中獲取所需數(shù)量的可用業(yè)務(wù)路由。新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃流程如圖4所示。

圖4 新增業(yè)務(wù)路由規(guī)劃流程

對于新增業(yè)務(wù)，提取業(yè)務(wù)描述信息中源/宿設(shè)備節(jié)點、業(yè)務(wù)帶寬、業(yè)務(wù)等級、是否有保護和通道或通道保護環(huán)編號等參數(shù)。將其分為以下四種情況：

1) 對于無保護且未指定通道的業(yè)務(wù)，首先調(diào)用KSP算法求解1條源、宿設(shè)備節(jié)點間有可用時隙資源的最短路由，然后遍歷最短路由經(jīng)過的光纖，提取其所在光路的另一根光纖，組成反方向業(yè)務(wù)路由，最后生成通道并為業(yè)務(wù)分配相應(yīng)的資源。

2) 對于有保護且未指定通道保護環(huán)的業(yè)務(wù)，首先調(diào)用KSP算法求解2條有可用時隙資源且成環(huán)的最短路由，然后類似于情況1) 生成兩條通道，最后生成通道保護環(huán)并為業(yè)務(wù)分配相應(yīng)的資源。

3) 對于無保護且指定通道的業(yè)務(wù)，查找對應(yīng)通道中是否有可用時隙資源，如是，為業(yè)務(wù)分配相應(yīng)的資源，如否，則按照情況1) 處理。

4) 對于有保護且指定通道保護環(huán)的業(yè)務(wù)，查找對應(yīng)通道保護環(huán)中是否有可用時隙資源，如是，為業(yè)務(wù)分配相應(yīng)的資源，如否，則按照情況2) 處理。

2.5 控制模塊

控制模塊作為電力通信SDH光傳輸網(wǎng)仿真及規(guī)劃應(yīng)用的核心，主要用于指令的發(fā)送以及接收各模塊反饋的結(jié)果。其具體實現(xiàn)方法如圖5所示，采用控制臺輸入指令參數(shù)，包括指令類型、指令序號、接收對象等信息，將上述信息轉(zhuǎn)化為JSON格式數(shù)據(jù)，通過Socket TCP接口向各模塊發(fā)送指令。

圖5 控制模塊具體實現(xiàn)方法

3 仿真實例及結(jié)果

3.1 仿真場景

我國某地區(qū)電力通信SDH光傳輸網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示，該地區(qū)由1個省調(diào)、1個備調(diào)、17個地市局/公司、24個500 kV變電站、3個220 kV變電站、2個35 kV變電站、1個水電廠和1個火電廠組成。通信鏈路速率等級為10 Gbit/s和2.5 Gbit/s，采用光纖作為傳輸媒介。

圖6 某地區(qū)電力通信SDH光傳輸網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

本實例從現(xiàn)網(wǎng)運行管理數(shù)據(jù)提取并導(dǎo)入不同源、宿設(shè)備節(jié)點間業(yè)務(wù)70條，包含28條2 Mbit/s的E1業(yè)務(wù)和42條155 Mbit/s的FE業(yè)務(wù)。對于上述業(yè)務(wù)，包含非保護業(yè)務(wù)和保護業(yè)務(wù)，每條業(yè)務(wù)分別對應(yīng)一條業(yè)務(wù)通道或一個通道保護環(huán)，并已為其預(yù)先分配好相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源。現(xiàn)網(wǎng)部分保護配置信息如表1所示，以表1中MSP 1+1保護工作光路“17-16-2”為例，參數(shù)含義為使用設(shè)備節(jié)點17與設(shè)備節(jié)點16間的第2條光路作為工作光路。

表1 現(xiàn)網(wǎng)部分保護配置信息

3.2 SDH網(wǎng)絡(luò)資源仿真

本節(jié)通過在網(wǎng)絡(luò)中新增5條業(yè)務(wù)測試業(yè)務(wù)路由規(guī)劃和資源分配管理。新增業(yè)務(wù)及路由規(guī)劃結(jié)果如表2所示。以表2中業(yè)務(wù)71路由規(guī)劃結(jié)果中“26-32#1”為例，參數(shù)含義為使用26-32光路的1號光纖。其中：fw表示前向工作路由；fp表示前向保護路由，前向保護路由僅存在于通道保護環(huán)中。由于業(yè)務(wù)反向工作(保護)路由為前向工作(保護)路由所在光路的反方向光纖組成，因此不再單獨列出。

結(jié)合表2和圖7信息可以看出，業(yè)務(wù)72添加完成后，26-32#1和26-22#0光纖已無可用時隙資源，因此業(yè)務(wù)73的路由采用了設(shè)備節(jié)點32->37->49->47->35->30->18的迂回策略；對于業(yè)務(wù)75，由于源設(shè)備節(jié)點和宿設(shè)備節(jié)點恰好為表1所述155 M單向通道保護環(huán)起->止設(shè)備節(jié)點，因此優(yōu)先將其配置到單向通道保護環(huán)中，得到前向工作路由和前向保護路由。

圖7 業(yè)務(wù)72路由規(guī)劃結(jié)果中各光纖時隙資源利用率

表2 新增業(yè)務(wù)及路由規(guī)劃結(jié)果

3.3 SDH網(wǎng)絡(luò)行為仿真

本節(jié)模擬SDH光傳輸網(wǎng)故障，對其保護倒換行為進行仿真，結(jié)果如表3所示。以表中受影響業(yè)務(wù)及數(shù)量“27->29:7 & 1->27:1”為例，參數(shù)含義為設(shè)備節(jié)點27發(fā)送至設(shè)備節(jié)點29的7條業(yè)務(wù)和設(shè)備節(jié)點1發(fā)送至設(shè)備節(jié)點27的1條業(yè)務(wù)受到當(dāng)前故障的影響。

表3 故障模擬及保護倒換仿真結(jié)果

表3中分別對單設(shè)備節(jié)點、單光纖和多光纖故障進行模擬，得到結(jié)果如下：

1) 設(shè)備節(jié)點27故障后，受影響的27->29和1->27共計8條業(yè)務(wù)全部丟失。這是因為設(shè)備節(jié)點故障時，所有以該設(shè)備節(jié)點為起點或終點的業(yè)務(wù)均無法被恢復(fù)。

2) 光纖18-30#0故障后，18->49的11條業(yè)務(wù)觸發(fā)155 Mbit·s單向通道保護環(huán)倒換，業(yè)務(wù)路由從“18-30#0,35-30#1,47-35#1,47-49#0”變更為“19-18#1,20-19#1,20-22#0,26-22#1,26-32#0,32-37#0,49-37#1”；其余業(yè)務(wù)由于沒有配置保護，因此全部丟失。

3) 光纖43-44-1#1、17-16-1#1和14-16#0故障后，43-44-1光路上44->30的13條業(yè)務(wù)切換到43-44-2保護光路傳輸；而17-16-1光路由于為保護光路，因此1->17的10條業(yè)務(wù)僅上報失去保護；14-16光路在MS-SPRing2上，因此27->29的7條業(yè)務(wù)觸發(fā)Wrapping保護倒換，業(yè)務(wù)路由從“27-28-1#0,14-28#1,14-16#0,29-16#1”變更為“27-28-1#0,14-28#1,14-28#0,33-28#1,39-33#1,41-39#1,41-43#0,43-29#0”。

從上述資源仿真和行為仿真實驗結(jié)果可以看出，本文方法能夠協(xié)助運維人員進行新增業(yè)務(wù)路由的規(guī)劃以及現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源的分配管理；通過模擬網(wǎng)絡(luò)故障及保護倒換，能夠為反事故演練提供可行的手段，同時協(xié)助進行檢修計劃的編排，對于故障后影響較大的設(shè)備節(jié)點/光纖，應(yīng)予以優(yōu)先檢修。

4 結(jié) 語

隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)擴大，管理難度日益增加，給運維人員帶來了前所未有的壓力。本文針對目前缺乏專門的電力通信光傳輸網(wǎng)絡(luò)仿真及規(guī)劃應(yīng)用工具等問題，提出面向電力通信SDH光傳輸網(wǎng)的仿真方法，建立了時隙資源管理、節(jié)點組模型等資源仿真模型，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)路由規(guī)劃、故障模擬及保護倒換等功能。最后結(jié)合我國某地區(qū)省網(wǎng)，分別對SDH光傳輸網(wǎng)絡(luò)資源分配和故障及保護倒換行為進行仿真，驗證了本文方法的可行性，所得結(jié)論能夠為下一步電力通信光傳輸網(wǎng)仿真與規(guī)劃工具的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。