郭云飛，卜憲德，劉世棟，王瑤，余文杰

(1.國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院，江蘇 南京210003;2.南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京211103)

1 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出多層次、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢。ITU-T于1978年推出了SDH（synchronous digital hierarchy）標(biāo)準(zhǔn)，20世紀(jì)90年代中期SDH引入中國，至今已經(jīng)成為一種相當(dāng)成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在骨干網(wǎng)通信中被廣泛采用。近年來，SDH光通信網(wǎng)絡(luò)在電力通信系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，幾乎覆蓋了所有110 kV以上的變電站，已經(jīng)成為電力通信系統(tǒng)中主要采用的通信技術(shù)體制。

隨著SDH光通信網(wǎng)絡(luò)在電力通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，使得電力通信系統(tǒng)的性能不斷提高，同時也帶來了電力通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣化，單純依靠經(jīng)驗和理論計算進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計和性能分析已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。一方面，通信專業(yè)人員面對大量的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和紛繁復(fù)雜的光纜資源往往無所適從；另一方面，隨著廣域測量和保護(hù)控制應(yīng)用變多，使遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)和信息的傳遞越來越多，通信的可靠性及時延誤碼對電網(wǎng)運(yùn)行控制的影響會越來越大，因此需要針對電力系統(tǒng)開發(fā)專用的光通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺來對業(yè)務(wù)和已有資源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬電力傳送網(wǎng)的業(yè)務(wù)承載特性，再現(xiàn)電力系統(tǒng)控制的通信信道質(zhì)量。為電網(wǎng)控制系統(tǒng)的策略制定提供客觀、可靠的定量分析依據(jù)，從而提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

2 電力光傳輸網(wǎng)仿真設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 體系架構(gòu)

目前，SDH技術(shù)已成為電力光傳輸網(wǎng)采用的主要技術(shù)體制，SDH網(wǎng)絡(luò)主要由設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層組成，其中設(shè)備層主要完成信號的接入、分插復(fù)用、封裝映射以及信號解析等基本功能；網(wǎng)絡(luò)層面主要實現(xiàn)設(shè)備之間光纖鏈路的連接、信號的傳輸以及網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與自愈功能，其中每個光纖鏈路又可以根據(jù)時隙顆粒的大小分成若干個子信道；業(yè)務(wù)層面主要根據(jù)電力業(yè)務(wù)的通道性能要求建立相應(yīng)的電路實現(xiàn)對電力業(yè)務(wù)的承載功能。因此對電力光傳輸網(wǎng)仿真可以按照設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層功能來分層實現(xiàn)[1]，電力光傳輸網(wǎng)仿真的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中設(shè)備層仿真是電力光傳輸網(wǎng)仿真的核心，模擬端到端業(yè)務(wù)流在SDH網(wǎng)絡(luò)的分插復(fù)用、時延監(jiān)測、故障報告、保護(hù)倒換、外部重路由等。網(wǎng)絡(luò)層的仿真主要包括業(yè)務(wù)路由的建立、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與自愈功能、網(wǎng)絡(luò)故障模擬等功能。業(yè)務(wù)承載功能的仿真，主要模擬分插復(fù)用設(shè)備，將SDH設(shè)備接口接收的E1支路信息封裝到STM（synchronous transfer module）線路，并經(jīng)由光鏈路和中繼設(shè)備，完成端到端傳送及其時延監(jiān)測與統(tǒng)計。業(yè)務(wù)電路、物理鏈路與設(shè)備端口之間的連接關(guān)系主要通過配置文件完成。

圖1 電力光傳輸網(wǎng)仿真的體系結(jié)構(gòu)

2.2 SDH原型系統(tǒng)仿真

SDH技術(shù)采用同步復(fù)用方式，復(fù)用映射結(jié)構(gòu)靈活。由于采用了指針技術(shù)，低速支路信號在高速線路信號位置是可預(yù)知的，可以通過控制完成靈活的上下支路信號，SDH仿真主要包括SDH主要功能部件仿真、網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與恢復(fù)功能和關(guān)聯(lián)告警功能的仿真。

本系統(tǒng)中SDH原型系統(tǒng)的仿真主要基于SSFNET（scalable simulation framework network）平 臺 框 架 設(shè) 計，SSFNET是一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真和建模的開源軟件，提供面向?qū)ο蟮目蓴U(kuò)展仿真建模并行運(yùn)算環(huán)境，鏈路層和物理層的協(xié)議模型以獨(dú)立的組件方式提供，允許用戶按需要進(jìn)行補(bǔ)充和修改，SSFNET模型具有自配置的特點，每一個SSFNET類的實例可以通過查詢一個已配置的數(shù)據(jù)庫自動進(jìn)行自我配置，自我配置可以在本地或Web上完成。網(wǎng)絡(luò)配置文件以DML（domain modeling language）形式給出，用于配置一個完整的網(wǎng)絡(luò)模型。SSFNET主要包括2個部分：SSF.OS和SSF.Net。其中，SSF.OS用于主機(jī)和操作系統(tǒng)組件的建模，SSF.Net用于網(wǎng)絡(luò)連接、節(jié)點創(chuàng)建和鏈路配置的建模[2]。軟件設(shè)計采用了模塊化設(shè)計原則，從邏輯執(zhí)行過程劃分，主要包括4層仿真功能模塊：SSF層、SSFNet層、GLASS層、SDH仿真層，其中GLASS層主要完成光網(wǎng)絡(luò)層的自動路徑搜索算法功能，可以基于GLASS層靈活地實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)層的自動重路由功能，SDH仿真層又包含三大模塊：網(wǎng)元設(shè)備仿真模塊、APS協(xié)議仿真模型、告警關(guān)聯(lián)仿真模塊。每一層都向上一層提供開放的API，以便于根據(jù)需求來擴(kuò)展和替換新的模塊，SDH仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SDH仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 網(wǎng)元設(shè)備仿真

ITU-T對SDH設(shè)備的規(guī)范以功能參考模型的方法，把設(shè)備需要的功能分解成不同的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊。對功能模塊的物理實現(xiàn)方法并不做要求。各種不同的設(shè)備通過不同的功能模塊組裝而成，以完成不同的功能，基本功能塊具備的功能相同，外部接口一致，從而規(guī)范了設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化[3]。

SDH設(shè)備中處理信號幀的各項功能塊有：傳送終端功能 (transmission termination function，TTF)、SDH物 理 接 口(SDH physical interface，SPI)、再 生 段 終 端(regenerator section termination，RST)、復(fù) 用 段 終 端(multiplex section termination，MST)、 復(fù) 用 段 保 護(hù) (multiplex section protection，MSP)、復(fù) 用 段 適 配(multiplex section adaptation，MSA)、高階接口(high order interface，HOI)、低階接口(lower order interface，LOI)、高 階 組 裝 器(high order assembler，HOA)、高 階通道連 接(high order path connection，HPC)、PDH物理接口(PDH physical interface，PPI)、開銷接入功能(overhead access，OHA)、低 階通道 適配(lower order path adaptation，LPA)、 同 步 設(shè) 備 管 理 功 能（synchronous equipment management function，SEMF）、低 階 通 道 終 端(lower order path termination，LPT)、消息通信功能(message communication function，MCF)、低階通道連接(lower order path adaptation，LPC)、 同 步 設(shè) 備 時 鐘 源(synchronous equipment timing source，SETS)、高階通道適配(high order path adaptation，HPA)、同步設(shè)備定時物理接口(synchronous equipment timing physical interface，SETPI)、高階通道終端(high order path termination，HPT)[4]。以TM設(shè)備(終端復(fù)用器)為例，SDH邏輯設(shè)備構(gòu)成如圖3所示。

SDH邏輯設(shè)備仿真的思路就是根據(jù)信號的處理流程以及各個邏輯設(shè)備在信號處理中的作用，按照信號流的處理順序?qū)崿F(xiàn)各邏輯模塊的功能仿真，并在統(tǒng)一的管理模塊的組織控制下完成SDH信號幀的封裝、分插復(fù)用與解復(fù)用等基本功能。下面以線路接口復(fù)用功能為例詳細(xì)說明具體實現(xiàn)過程。分插復(fù)用器（add/drop multiplexer，ADM）是SDH設(shè)備的主要組成部分，綜合了支路接口、線路接口和完成接口內(nèi)部互聯(lián)的模塊，包括交叉連接器，聯(lián)合低速數(shù)據(jù)流進(jìn)入一個單束光，在接收的一個光信號之上，被設(shè)定丟棄到來的整個信號或丟棄僅僅特定的一部分較低速率的光信號，剩余的信號通過。同時，光信號或能夠被附加來取代丟棄的信號和完成流出的光信號[5]。對接ADM的互連，命名為LNIC（線路接口）。一對互連的LNIC，對應(yīng)的物理媒質(zhì)為光纖，一條或多條光纖，組合為光鏈路，命名為LineLink,包含結(jié)構(gòu)化組裝的E1通道以及用于控制與管理消息傳送的嵌入式控制通道（embedded control channel，ECC），SDH設(shè)備ADM仿真的模塊結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系如圖4所示。

圖3 SDH邏輯設(shè)備構(gòu)成

圖4 SDH設(shè)備ADM仿真的模塊及相互關(guān)系

如圖4所示，業(yè)務(wù)上行時，2 Mbit/s通信站點通過2 Mbit/s傳輸線路進(jìn)入SDH的支路接口，經(jīng)過交叉復(fù)用模塊進(jìn)行映射和復(fù)用到SDH幀結(jié)構(gòu)中，通過線路接口和線路傳輸通道進(jìn)行線路側(cè)的分插復(fù)用后由線路側(cè)傳輸?shù)綄Χ送ㄐ耪军c，同理，業(yè)務(wù)下行時，將經(jīng)過線路接口進(jìn)入的高階業(yè)務(wù)經(jīng)過交叉復(fù)用模塊進(jìn)行SDH幀結(jié)構(gòu)的解復(fù)用處理，將2 Mbit/s低階業(yè)務(wù)解析出來后通過支路接口下發(fā)到2 Mbit/s通信站點，通過上述處理，即完成了低階業(yè)務(wù)和高階業(yè)務(wù)的復(fù)用和解復(fù)用處理。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與自愈功能仿真

SDH環(huán)型網(wǎng)具有較完善的保護(hù)功能和較靈活的組網(wǎng)方式，應(yīng)用最廣泛，稱為SDH自愈環(huán)，主要通過自動保護(hù)倒換(automatic protect switch，APS)協(xié)議來實現(xiàn)，倒換與否根據(jù)復(fù)用段信號的質(zhì)量決定，倒換的條件是幀丟失(loss of frame,LOF)、信號丟失(loss of signal,LOS)、復(fù)用段告警指示(multiplex section-alarm information signal,MS-AIS)、復(fù)用段誤碼過量(multiplex section-exceed,MS-EXC)等告警信號。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)功能失效時，可以采用自動重路由算法為失效業(yè)務(wù)路徑實時計算新的業(yè)務(wù)路徑，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速恢復(fù)。由于SSFNET平臺自帶的GLASS模塊具有自動重路由算法功能，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)路徑的快速計算功能。自愈仿真不需要模擬承載實際網(wǎng)絡(luò)的真實業(yè)務(wù)，只需要模擬故障和保護(hù)倒換的過程，以資源為核心的仿真模塊，對每個資源賦予行為屬性，具體在模擬故障發(fā)生及網(wǎng)絡(luò)自愈時，應(yīng)用傳輸系統(tǒng)、SDH設(shè)備、邏輯端口、復(fù)用段、交叉連接、保護(hù)組、邏輯端口速率表、交叉連接類型表、保護(hù)類型表等網(wǎng)絡(luò)層資源數(shù)據(jù)和SDH電路、業(yè)務(wù)和業(yè)務(wù)組等業(yè)務(wù)層資源數(shù)據(jù)，對其所有直接影響承載業(yè)務(wù)的電路發(fā)生保護(hù)倒換，從而完成網(wǎng)絡(luò)自愈與業(yè)務(wù)的恢復(fù)，SDH保護(hù)倒換仿真算法流程如圖5所示。

圖5 SDH保護(hù)倒換仿真算法流程

如圖5所示，SDH保護(hù)倒換仿真算法實現(xiàn)過程為：當(dāng)網(wǎng)元發(fā)現(xiàn)復(fù)用段通信有故障時，封裝APS協(xié)議并發(fā)送至相鄰節(jié)點，節(jié)點收到APS協(xié)議分組即進(jìn)行強(qiáng)制倒換或恢復(fù)倒換的處理，并根據(jù)倒換的優(yōu)先級將倒換狀態(tài)置為強(qiáng)制倒換或普通倒換級別，并向網(wǎng)管系統(tǒng)上報相關(guān)告警信息，各節(jié)點均按照上述過程完成APS協(xié)議的處理過程，即可完成所配置復(fù)用段保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)倒換。

2.2.3 關(guān)聯(lián)告警仿真

告警相關(guān)性分析的內(nèi)容是對告警之間的關(guān)系進(jìn)行分析，確定能反映和處理故障根本原因的告警，減少告警信息潮對系統(tǒng)管理的影響，幫助進(jìn)行準(zhǔn)確的故障定位。采用的手段是基于規(guī)則運(yùn)用，而規(guī)則的定義、發(fā)現(xiàn)、推演以及維護(hù)管理則成為需要處理的核心，規(guī)則的運(yùn)用包括其運(yùn)用策略與運(yùn)用流程，是組成相關(guān)性處理引擎的重要部分。告警的連鎖機(jī)制與SDH自身標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，ITU-T規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)SDH設(shè)備產(chǎn)生的告警以及告警的含義，本文只討論標(biāo)準(zhǔn)的告警信息仿真。在SDH傳送網(wǎng)絡(luò)中，與故障有關(guān)的主要告警包括：告警指示信號（alarm information signal,AIS）、信號劣化（signal degrade,SD）、指針丟失（loss of point,LOP）、幀失步（out of frame,OOF）、幀 丟 失（LOF）、復(fù) 幀 失 步（loss of multi-frame,LOM）、信號丟失（LOS）、蹤跡識別失配（trace identification mismatch,TIM）、遠(yuǎn)端缺陷指示（remote defect indication,RDI）以及信號未裝載（unequipped,UNEQ）等。由于告警之間存在關(guān)聯(lián)性和傳遞性，告警連鎖規(guī)則包括關(guān)聯(lián)規(guī)則和傳遞規(guī)則。傳遞規(guī)則是指告警在復(fù)用段、高階通道以及低階通道等不同層次的功能模塊間的傳遞關(guān)系。關(guān)聯(lián)規(guī)則是指告警在網(wǎng)絡(luò)中相同鏈路上的各資源對象間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

SDH中，本地故障包括線路、接口板卡，將引發(fā)本地告警，誘發(fā)產(chǎn)生本地或遠(yuǎn)程的關(guān)聯(lián)告警。其中，關(guān)聯(lián)告警由下游接收節(jié)點經(jīng)監(jiān)測產(chǎn)生，監(jiān)測對象是承載數(shù)據(jù)的容器單元?？紤]到GLASS所采用的事件仿真法，未提供對容器的直接表達(dá)方式，SDH仿真器監(jiān)測信號轉(zhuǎn)由信令通道和信令線路模擬，并由本地APS向遠(yuǎn)端APS發(fā)送直接關(guān)聯(lián)的告警消息，再依SDH告警的關(guān)聯(lián)層次，遞歸產(chǎn)生關(guān)聯(lián)樹的下級告警[6]。具體處理告警的對象類cn.edu.njupt.netsim.sdh.APS，從AutoConfigCtrl派生，并實現(xiàn)Callback接口，除關(guān)聯(lián)到所在ADM之外，其協(xié)議處理功能需要使用APSHeader對象類。APSHeader從ProtocolMessage派生，用于模擬APS協(xié)議消息。SDH告警類相關(guān)對象及其關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖6所示。

圖6 SDH告警類相關(guān)對象及其關(guān)聯(lián)關(guān)系

其中，告警以事件消息格式，由APS生成，報告消息處理對象類和/或聯(lián)合仿真的程序接口類。參考聯(lián)合仿真接口定義，告警信息結(jié)構(gòu)包括告警名稱、設(shè)備節(jié)點號、板卡號、端口號、時隙號、告警類型與級別、告警時間信息，其中，告警名稱和級別對應(yīng)于AlarmMessage派生類名，設(shè)備號、板卡號、端口號和時隙號由AlarmMessage相關(guān)聯(lián)的時隙確定。通過上述告警信息的處理，即可生成告警的詳細(xì)信息供上層應(yīng)用程序進(jìn)行告警定位和告警處理。

3 SDH的電力光傳輸網(wǎng)仿真應(yīng)用

為了驗證基于SDH的電力光傳輸網(wǎng)仿真的功能與實際效果，選取承載蘇北安穩(wěn)系統(tǒng)的SDH通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為實例，通過該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可實現(xiàn)電力光傳輸網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載、故障告警、通道恢復(fù)、路由重建、時延計算的基本功能，承載蘇北安穩(wěn)系統(tǒng)的SDH通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

下面以SDH端到端業(yè)務(wù)傳送時故障模擬和時延監(jiān)測為例詳細(xì)說明基于SDH的電力光傳送網(wǎng)的具體仿真過程，故障模擬是模擬光纖中斷時發(fā)生路徑倒換后業(yè)務(wù)路由發(fā)生改變，時延監(jiān)測是模擬各站點穩(wěn)控裝置輸出的2 Mbit/s業(yè)務(wù)流經(jīng)由SDH傳送網(wǎng)，在接入分出接口之間所經(jīng)歷的傳送時間，連續(xù)監(jiān)測統(tǒng)計，并依條件通過聯(lián)合仿真接口向通信業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)報告。首先分別在闕山—三汊灣（通道1）、彭城—三汊灣（通道2）分別建立一條業(yè)務(wù)通道，以200 ms為周期發(fā)送消息，并在節(jié)點0記錄消息傳送時延。在仿真時間1.5 s，將物理鏈路(三堡—三叉灣)置為失效，觀測業(yè)務(wù)傳送時延的變化，特別以及聯(lián)合仿真接口消息的內(nèi)容變化。從仿真器界面可收到的消息見表1。

由表1中的消息可以看出，第1、2條消息顯示闕山—三汊灣（通道1）、彭城—三汊灣（通道2）建路成功，第3、4條消息顯示通道1和通道2的時延監(jiān)測，分別為3.252 ms和3.384 ms，滿足安穩(wěn)通道的時延指標(biāo)要求，第5條消息顯示物理鏈路(三堡—三叉灣)發(fā)生失效告警，第6、7條消息發(fā)生了環(huán)網(wǎng)倒換，說明倒換功能正常，第8、9條消息顯示倒換后的通道時延，分別為4.236 ms和4.372 ms，說明倒換后通道時延較原通道時延發(fā)生了明顯的變化。此外，SDH仿真器還可以模擬端到端業(yè)務(wù)流在SDH網(wǎng)絡(luò)的分插復(fù)用、時延監(jiān)測、故障報告、保護(hù)倒換、外部重路由等。其中，交叉?zhèn)魉汀r延監(jiān)測歸類為承載功能，故障報告、保護(hù)倒換和外部重路由為控制功能。

圖7 承載蘇北安穩(wěn)系統(tǒng)的SDH通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 SDH仿真器消息發(fā)送

4 結(jié)束語

電力同步光傳輸網(wǎng)絡(luò)仿真器提供固定時分復(fù)用電路和光傳送網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載功能仿真，具備故障及恢復(fù)仿真和自動重路由的仿真能力，為電力通信故障模擬和業(yè)務(wù)恢復(fù)提供量化分析手段。同時開放的聯(lián)合仿真計算接口，能夠同電力控制系統(tǒng)仿真工具，以網(wǎng)絡(luò)通信方式相互交換計算狀態(tài)、時序控制信息，可為電網(wǎng)控制系統(tǒng)與光通信網(wǎng)的交互影響提供研究分析模型，SDH系統(tǒng)仿真模型的實現(xiàn)將會對為通信網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評估、故障模擬以及與電網(wǎng)控制系統(tǒng)的交互影響提供量化分析手段。

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